Bài giảng môn Công nghệ sinh học môi trường: Chương 4 - TS. Lê Quốc Tuấn

Nôn g tr ạiCha ûy tr àn b ề m ặt Hồ Nước mưa Khí thải Hầm mỏ Thải từ hầm mỏ Rò rỉ, chảy tràn Bãi c hôn lấp Chì rơi xuống hồ Lắng nền đáy Đập Thành phố Chất thải từ các nhà máy Đập Bến đậ

Giới thiệu chung

nhau.

đất.

bị ô nhiễm được gọi là “Sửa chữa sinh học” (Bioremediation).

và hoạt động của chúng.

quá trình cung cấp chất dinh dưỡng cho VSV hoặc tăng cường quần số lượng vi sinh vật tại vùng cần xử lý.

Nôn g tr ại

Cha ûy tr àn b ề m ặt

Hồ

Nước mưa Khí thải

Hầm mỏ

Thải từ hầm mỏ Rò rỉ, chảy tràn

Bãi c hôn lấp Chì rơi xuống hồ

Lắng nền đáy Đập

Thành phố

Chất thải từ các nhà máy

Đập

Bến đậu thuyền

Bải chôn lấp hóa chất

Chảy tràn

Khu xử lý bùn thải

Bãi bồ lấp, chôn chất thải

Bến cảng

Bải chôn lấp cũ

Bải chôn lấp chất thải nguy hại

Vị trí xử lý bùn thải

Đại dương

Nôn g tr ại

Cha ûy tr àn b ề m ặt

Hồ

Nước mưa Khí thải

Hầm mỏ

Thải từ hầm mỏ Rò rỉ, chảy tràn

Bãi c hôn lấp Chì rơi xuống hồ

Lắng nền đáy Đập

Thành phố

Chất thải từ các nhà máy

Đập

Bến đậu thuyền

Bải chôn lấp hóa chất

Chảy tràn

Khu xử lý bùn thải

Bãi bồ lấp, chôn chất thải

Bến cảng

Bải chôn lấp cũ

Bải chôn lấp chất thải nguy hại

Vị trí xử lý bùn thải

Đại dương

Chất gây ô nhiễm môi trường

™ Kim loại: Cd, Hg, Ag, Co, Pb, Cu, Cr, Fe

™ Chất phóng xạ, nitrate, nitrite, phosphate, Cyanide

™ Phân hủy sinh học: nước thải, bùn thải, chất thải nông

nghiệp và chế biến

™ Chất thải hóa dầu: dầu, diesel, BTEX

™ Chất thải tổng hợp: thuốc trừ sâu, diệt cỏ, HCHC có

halogen, hydrocarbon mạch vòng

™ Khí: SO 2 , CO 2 , NO x , methane

™ Các hợp chất hữu cơ bay hơi, CFC, hạt bụi

Chất thải vô cơ

trường từ các hoạt động khai thác mỏ, luyện kim, chế tạo pin, trồng trọt

nồng độ cao thì có thể trở nên độc

sinh thái với nồng độ cao trong quá trình phát tán sinh học

học hoặc sinh học, do đó việc xử lý kim loại phải là

gói hoặc tái chế

Gây phú dưỡng Hoạt động nông nghiệp

Phosphate

Gây bỏng, mưa acid Đốt nhiên liệu

SO2

Ung thư, thiếu máu

Chảy tràn bề mặt, bảo quản thịt

Cadmium

Ung thư phổi Sơn nhà, quét vôi

Bụi amian

Độc Luyện kim, thuốc trừ sâu

Arsenic

Ảnh hưởngNguồn gốc

Chất thải vô cơ

Nguồn gốc và ảnh hưởng của các chất gây ô nhiễm

Kim loại trong

nước thải Nước mỏ, nước thải các nhàmáy, nước trong môi trường

Hấp thuKết tủaTách chiếtBùn hoạt tính

Phục hồi kim loại

sử dụng được

Tái sử dụng tài

nguyên

Loại thảikim loại độc

Ô nhiễmmôi trường

Chất hấp thu vô cơ, hữu cơ và sinh học

Vi sinh vật và sinh khối

Arthrobacter Bacillus Tannin (thủy

phân được, cô đặc)

Hạt gel tannin

Sử dụng hiệu quả

Các bước xử lý kim loại

Hấp thu sinh học

khác nhau

kim loại có thể là một trong các quá trình sau:

™ Loại ra khỏi tế bào

™ Lấy năng lượng từ kim loại

™ Cô lập nội bào bởi các protein

™ Cô lập ngoại bào bằng các polysaccharide trên màng

™ Biến đổi hóa học

thường qua 2 dạng:

™ Qua quá trình khử độc tính của kim loại

™ Phục hồi các kim loại có giá trị cao

Cơ chế hấp thu sinh học

Bên ngoài màng

Bên trong màng

Hấp thu sinh học

Protein vận chuyển Thio

nein Các nhóm chức năng

Mô hình phản ứng hấp thu sinh học kim loại

1 Dịch chứa kim loại

Lắng ngoại bào

được loại thải bằng hoạt động của vi sinh vật kỵ khí Desulfovibrio và Desulfotomaculum

1 3SO42- + 2 lactic acid Ỉ 3H2S + 6HCO3

-2 H2S + Cu 2+ Ỉ CuS + 2H +

nước, làm tăng pH và tăng quá trình kết tủ sulphide

có thể điều chỉnh nguồn carbon cung cấp, hoặc cũng có thể được xử lý bởi vi khuẩn lưu huỳnh.

lý kim loại nặng

Dưỡng chất

Dịch chứa kim loại

Chất tạo bông

Bùn hoạt tính Tách bùn

Loại

sạch

H2S

Bể phản ứng qua

lớp bùn hoạt tính

kỵ khí để loại bỏ

kim loại

Các chất vô cơ khác

cyanide và arsenic

™ Nitrate, phosphate chủ yếu từ các công trình xử lý nước thải,

chảy tràn bề mặt qua các vùng nông nghiệp, công nghiệp và được pha loãng ở các con sông

phú dưỡng làm giảm chất lượng nước

trong đó có tảo lục

được loại thải bởi các tác nhân oxi hóa như chlorine hoặc peroxide

Hiện tượng phú dưỡng (ở sông)

Hiện tượng phú dưỡng ở biển ( thủy

Chất thải có nguồn gốc từ dầu mỏ

™ Dầu mỏ là một phức hợp gồm các hợp chất

hữu cơ

™ Thành phần chính trong dầu mỏ là

hydrocarbon có phân tử lượng từ thấp đến

cao, có cấu trúc phân tử phức tạp (mạch

thẳng, mạch nhánh, vòng, vòng thơm…)

™ Ngoài ra còn có các hợp chất dị vòng chứa

sulphur, nitrogen, oxygen và kim loại nặng

Dầu thô

xác sinh vật trong thời gian dài dưới đất

hữu cơ chuyển thành khí, dầu lỏng, dầu sệt và hắcín

Khi dầu thô bị đẩy lên mặt đất do áp suất và nhiệtđộ cao hoặc bị rò rỉ từ các bể chứa thì các này đivào môi trường

tan trong nước, dễ di chuyển và có thể gây ô nhiễmnước ngầm

Sự phân bố hydrocarbon trong đất từ sự cố rò rỉ dầu (Bossert

Tảng nước

Chất hữu cơ hòa tan Dòng nướcngầm

Vùng chưa bảo hòa

Xử lý sinh học dầu tràn

mặt nước, tạo điều kiện cho các hợp chất bay hơi đivào không khí

vật phân hủy dầu một cách tự nhiên

dầu và nước Do đó, dầu càng phân tán thì tốc độphân hủy càng cao

ta thương tạo điệu kiện cho VSV phân hủy pháttriển bằng cách thêm dưỡng chất cho chúng(nitrogen và phosphorus)

DẦU TRÀN

Nguyên nhân gây nên tràn dầu

HẬU QUẢ CỦA DẦU TRÀN

Xử lý dầu tràn

Thu gom

Khoanh vùng

Xử lý dầu tràn bằng các hệ

Xử lý sinh học đất bị ô nhiễm

dụng hydrocarbon

không bị nhiễm, nhưng thành phần loài VSV thì íthơn

hưởng bởi nhiều yếu tố

đồng hóa các hợp chất hữu cơ của VSV

Các yếu tố ảnh hưởng đến sự phát triển của Vi sinh vật

™ Sự hiện diện của các hợp chất hữu cơ phân

hủy sinh học được

™ Sự hiện diện của các hợp chất vô cơ có chứa

nitrogen và phosphorus

™ Nồng độ oxy, nhiệt độ, pH

™ Nước và độ ẩm

™ Số lượng và thành phần loài vi sinh vật

™ Sự hiện diện của kim loại nặng

Các yếu tố ảnh hưởng đến sự phân hủy các hợp chất

™ Sự phát triển và đồng hóa của vi khuẩn

™ Cấu trúc hóa học của các hợp chất hữu cơ

™ Sự có sẵn hoặc/và độ hòa tan của vật chất

™ Quang hóa

Các con đường phân hủy hợp chất hydrocarbon

bởi vi sinh vật đất

năng lượng cho hoạt động sống và tổng hợp tế bào

điều kiện hiếu khí hoặc kỵ khí

CHU TRÌNH CREBS

CON ĐƯỜNG PHÂN GIẢI SINH HỌC MỘT SỐ

Nguyên tắc phản ứng phân hủy sinh học

™ Làm cho các hydrocarbon thành các chất

phân cực

™ Nếu là hợp chất hydrocarbon mạch vòng thì

thực hiện phản ứng mở vòng

™ Thay thế các nhóm halogen bằng nhóm -OH

™ Các phản ứng phân hủy được xúc tác bởi các

enzyme đặc hiệu

™ Sản phẩm cuối cùng đi vào chu trình Crebs

Đồng hóa trung tâm

CON ĐƯỜNG PHÂN GIẢI SINH HỌC MỘT SỐ

Các bước đầu tiên trong phân giải hydrocarbon mạch vòng bởi nấm, vi khuẩn và tảo (Cerniglia, 1993)

Nấm

Tảo

Vi khuẩn

Tảo

Con đường phân giải sinh học toluene (Glazer và

Nikaido, 1994)

Các chất hữu cơ tổng hợp

môi trường

diệt cỏ và bảo vệ thực vật

ngầm là các dung môi clo hóa

dioxin

Cấu trúc hóa học của một số chất diệt côn trùng thông dụng

Độc chất Thời gian bán phân hủy Mơi trường

Thời gian bán phân hủy của một số chất trong

môi trường

Sự phân hủy sinh học các chất trong môi trường

Phân hủy Hữu sinh

Phân hủy

vô sinh

Hoạt động sống của vi sinh vật

Loại bỏ nguyên

tử clo Cắt cấu trúcmạch vòng Cắt và loại bỏchuỗi carbon

Kết quả: - Khoáng hóa hoàn toàn hợp chất

- Cung cấp năng lượng cho hoạt động sống của vi sinh vật

Con đường phân hủy chất hữu cơ tổng hợp

Ví dụ về chuyển hóa sinh học TNT

Chuyển hóa sinh học TNT trong đất

Ví dụ về chuyển hóa sinh học dioxin

Công nghệ xử lý sinh học

in-situ và ex-situ

Đất bị ô nhiễm

Ủ đống sinh học Bể sinh học

Ex-situ

In-situ

Ex-situ

Ủ đống sinh học

Xử lý

Ống phân phối khí

Đất bị ô nhiễm Nước ngầm

Rãnh cấp dưỡng chất

Xử lý đất bị ô nhiễm bằng thực vật

loại từ đất

1 Tách chiết bằng thực vật: loại thải chất ô nhiễm và kim

loại từ đất bằng cách tích lũy và phân hủy trong cơ thể thực vật

2 Hóa hơi bằng thực vật

4 Ổn định, chuyển hóa các độc chất thành những chất ít độc

hơn.

xây dựng, vận hành bảo dưỡng thấp, được cồngđồng chấp nhận

Xử lý bằng thực vật

Bay hơi

Tích lũy Phân hủy

Hấp thu Chất ô nhiễm

Phân hủy sinh học

Bơm As đến không bào

Giữ phức hợp As-thiol trong lá Khử arsenate thành arsenite trong lá

Ngăn cản quá trình khử arsenate nội bào trong rễ Tăng khả năng hấp thu arsente

Xử lý nước nhiễm KLN bằng thực vật

Khí thải và biện pháp xử lý

™ Khí thải chứa các hợp chất hữu cơ bay hơi

(VOC), SO2, NOx, CFC, CO2, methane và hạt bụi

™ Một phương pháp xử lý VOC là lọc sinh học,

trong đó VSV được sử dụng đê phân hủy VOC

™ Một số vi sinh còn được sử dụng để xử lý H2S

sinh ra từ quá trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch

Sơ đồ mô hình xử lý khí có VOC bằng

lọc sinh học

Khử lưu huỳnh trong than và dầu

™ Lưu huỳnh trong than và dầu khi bị đốt cháy

sẽ tạo nên SO2, đây là khí gây nên mưa acid nghiêm trọng

™ Việc làm giảm SO2 có thể bằng cách khử S

trong than hoặc xử lý khí SO2 sau khi đốt than.

™ Có thể loại SO2 bằng CaCO2 theo PT sau:

Khử lưu huỳnh trong than và dầu

™ Một số vi sinh vật lưu huỳnh có khả năng xử

lý S trong than.

™ Thiobacillus ferrooxidans có thể oxi hóa FeS

theo PT sau:

™ Ngoài ra còn có một số vi sinh vật có khả

năng loại S trong liên kết với cấu trúc mạch vòng