: Xử lý đất nhiễm dầu bằng công nghệ sinh học docx

Nhưng tình trạng ô nhiễm đất ngày càng trở nên trầm trọng do nhiều nguyên nhân,trong đó đất ô nhiếm dầu có khả năng tăng nhanh do sự đẩy mạnh của quá trình khai thác và chế biến dầu mỏ.D

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

LỜI MỞ ĐẦU

Môi trường đất là nơi trú ngụ của con người và hầu hết các sinh vật cạn, là nền móng cho các công trình xây dựng dân dụng, công nghiệp và văn hóa của con người Nhưng tình trạng ô nhiễm đất ngày càng trở nên trầm trọng do nhiều nguyên nhân,trong đó đất ô nhiếm dầu có khả năng tăng nhanh do sự đẩy mạnh của quá trình khai thác và chế biến dầu mỏ.Dầu là chất khó bị phân hủy bởi các vi sinh vật sống trong đất Tuy nhiên, đất lại là môi trường không thể pha loãng các chất thải

mà ngược lại các chất này tích lũy lâu dài trong đất, cho nên dầu có tác hại lâu dài trong môi trường đất Ở những khu đất bị nhiễm dầu, các tinh thể dầu sẽ che lấp các khe hở và mao quản của đất, làm tắc cắc đường dẫn nước trong đất dẫn đến sự cằn cỗi của đất trong khu vực Vì nguyên nhân này mà các vi sinh vật trong đất không

có khả năng tồn tại và phát triển do dầu ngăn cản khả năng hô hấp và phá hủy môi trường cung cấp thức ăn cho vi sinh vật trong đất bị ô nhiễm.ô nhiễm đất với các hợp chất dầu khí la mối quan tâm trên toàn thế giới.Các sự cố tràn dầu ,rò rỉ trong vận chuyển và khai thác là những nguyên nhân chính gây ô nhiễm đất bằng dầu khí.Nó làm ô nhiễm nguồn nước ngầm tại địa phương,đe dọa sự an toàn của nguồn nước,gây ra thiệt hại lớn về kinh tế và thảm họa sinh thái.Xử lý đất ô nhiễm dầu có thể được thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau bao gồm cả phương pháp hóa lí và phương pháp sinh học.So với các phương pháp hóa lí thì phương pháp xử

lý sinh học được cho là khả thi nhất với ưu điểm là giá thành rẻ,khắc phục triệt để và

an toàn cho con người và môi trường

I.BẢN CHẤT VÀ ĐẶC TÍNH CỦA DẦU MỎ

Dầu mỏ là một hỗn hợp rất phức tap,trong đó có hàng trăm các cấu tử khác nhau Mỗi loại dầu mỏ được đặc trưng bởi thành phần riêng,song về bản chất,chúng đều có các hydrocacbonla thành phần chính,chiếm 60 đến 90%trọng lượng trong dầu; còn lại là các chất chứa oxy, lưu huỳnh, nitơ,các phức cơ kim,các chất nhựa,asphanten Cụ thể:

- Hydrocacbon parafinic(alcan): 30 – 35%

-Hydrocacbon naphtenic(vòng no): 25 – 75%

-Hydrocacbon aromatic(hydrocacbon thơm): 10 – 20%

-Các hợp chất chứa oxy như axit, ceton, các loại rượu

-Các hợp chất chứa nitơ như furol, indol, carbazol

Một trong những đặc tính chính của các loại dầu thô, quyết định hàm lượng của chúng về các sản phẩm nhẹ dễ bay hơi nhất chính là tỷ trọng của chúng.Dầu mỏ

dễ hòa tan trong các loại dung môi hữu cơ thông thường.Dưới tác dụng của nhiệt, các loại dầu thô đều bay hơi, nhưng vì chúng là hỗn hợp của nhiều chất theo những

tỷ lệ biến thiên nên nhiệt độ không giữ nguyên trong quá trình bay hơi.Nhiệt độ tăng theo bậc liên tiếp ứng với nhiệt độ sôi của các thành phần khác nhau có trong dầu

mỏ, về điểm này các loại dầu mỏ được đặc trưng bởi nhiệt độ sôi và bởi một đường cong chưng cất, biểu thị tỷ lệ phần trăm bay hơi tùy theo nhiệt độ, cuối cùng bởi một điểm cuối tức là nhiệt độ tới đó toàn bộ dầu thô đã bay hơi hết Thực ra dưới áp suất khí quyển thì không thể đạt được điểm cuối mà không xảy ra hiện tượng phân giải Dưới áp suất khí quyển, đối với một loại dầu thô thì lúc bắt đầu sôi có thể xảy ra ở nhiệt độ sôi thấp hơn 250C, đối với những loại dầu thô nặng thì nhiệt độ lúc bắt đầu sôi là: 1000C Bên cạnh đó còn có rất nhiều các đặc trưng hóa lí khác để đánh giá dầu mỏ

II NGUYÊN NHÂN GÂY Ô NHIỄM DẦU:

1.Ô nhiễm dầu do quá trình chế biến dầu tại các cơ sở lọc dầu ven biển:

Dầu nguyên khai không sử dụng ngay mà phải qua chế biến, các nhà máy lọc dầu cũng là một nguồn gây ô nhiễm dầu trong vùng biển ven bờ Nước thải của các nhà máy lọc dầu thường chứa một hỗn hợp các chất khác nhau như: dầu mỏ nguyên khai, các sản phẩm dầu mỏ, các loại nhựa, asphalt và các hợp chất khác

2 Do rò rỉ, tháo thải trên đất liền:

Trong quá trình vận chuyển và sản xuất công nghiệp, khối lượng dầu mỏ bị tháo thải qua hoạt động công nghiệp vào hệ thống cống thoát nước của nhà máy đổ

ra sông rồi ra biển Số lượng dầu mỏ thấm qua đất và lan truyền ra biển ước tính trên

3 triệu tấn mỗi năm

3 Ô nhiễm dầu do quá trình khai thác dầu trong thềm lục địa:

Trong quá trình khai thác dầu đã thải ra một lượng lớn nước thải có chứa dầu Ngoài ra còn phải kể đến các sự cố gây tràn dầu trên biển trong quá trình khai thác dầu ở thềm lục địa như các sự cố làm vỡ ống dẫn dầu, sự cố va chạm tàu chở dầu vào các giàn khoan trên biển

4 Do sự cố trên giàn khoan dầu:

Trong các hoạt động dầu khí ngoài khơi, các chất thải có khối lượng đáng

kể nhất gồm nước vỉa, dung dịch khoang (DDK), mùn khoang (MK), nước dằn, nước thế chỗ Một số chất thải có khối lượng nhỏ hơn là cát khai thác, nước rửa mặt boong, dung dịch hoàn thiện và dung dịch bảo dưỡng giếng, dung dịch chống phun trào, nước làm mát, khí thải… trong đó, DDK và MK được xem là một trong các chất thải gây ô nhiễm nặng nề và đáng quan tâm nhất Ngoài ra, nước khai thác (gồm nước vỉa, nước bơm ép, các hóa chất được tuần hoàn xuống giếng hoặc thêm vào khi tách dầu và nước ) có tỉ lệ dầu trong nước đáng kể Thống kê của Parcom (1991) cho thấy 20% dầu thải ở biển Bắc là do nước khai thác

Trong quá trình khai thác dầu ngoài biển khơi đôi khi xảy ra sự cố dầu phun lên cao

từ các giếng dầu do các thiết bị van bảo hiểm của giàn khoan bị hỏng, dẫn đến một khối lượng lớn dầu tràn ra biển làm cho một vùng biển rộng lớn bị ô nhiễm Người

ta ước tính hàng năm có khoảng hơn 1 triệu tấn dầu mỏ tràn ra trên mặt biển do những sự cố giàn khoan dầu đó

5 Do tàu chở dầu bị tai nạn,

đắm trên đại dương:

Đây là nguyên nhân

quan trọng nhất gây ô nhiễm

biển và đại dương bởi vì trên 60% tổng sản lượng dầu mỏ khai thác được trên thế giới đã được vận chuyển bằng đường biển Theo tài liệu của Viện nguồn lợi thế giới (WRI,1987) trong giai đoạn 1973 – 1986 trên biển đã xảy ra 434 tai nạn trong tổng

số 53581 tàu chở dầu và làm tràn 2,4 triệu tấn dầu Ô nhiễm biển từ tàu có thể gây ra

từ 2 nguồn: dầu đổ ra biển từ các tai nạn tàu chiếm 15% và dầu thải ra biển từ hoạt động của tàu chiếm 85%

III.ẢNH HƯỞNG Ô NHIỄM DẦU

Sự tích đọng của những chất ô nhiễm dầu trong đất chủ yếu kìm hãm quá trình vận chuyển, bay hơi và phân hủy sinh học, quá trình ở lại và lưu chuyển được biết khi nhiên liệu động cơ bị rò rỉ từ những thùng chứa và chảy tràn vào trong đất Tác động của lực hấp dẫn kéo các chất lỏng theo chiều đi xuống, ngược lại với lực giữ lại các chất lỏng đó hoặc là sẽ hấp thụ trên hạt khoáng hoặc là nằm trong lỗ hổng cấu trúc của đất Dầu là chất khó bị phân hủy bởi các vi sinh vật sống trong đất Tuy nhiên, đất lại là môi trường không thể pha loãng các chất thải mà ngược lại các chất này tích lũy lâu dài trong đất, cho nên dầu có tác hại lâu dài trong môi trường đất Ở những khu đất bị nhiễm dầu, các tinh thể dầu sẽ che lấp các khe hở và mao quản của đất, làm tắc cắc đường dẫn nước trong đất dẫn đến sự cằn cỗi của đất trong khu vực

Vì nguyên nhân này mà các vi sinh vật trong đất không có khả năng tồn tại và phát triển do dầu ngăn cản khả năng hô hấp và phá hủy môi trường cung cấp thức ăn cho

vi sinh vật trong đất bị ô nhiễm.Điều này đã gây ảnh hưởng rất lớn đến hệ sinh thái

ở những vùng bị ô nhiễm ,ảnh hưởng lớn đến quá trình sản xuất nông nghiệp ,công nghiệp,cũng như tốn chi phí cho quá trình xử lý sự ô nhiễm trên

IV.BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC Ô NHIỄM DẦU:

1 Khả năng tự làm sạch của đất:

Là khả năng tự điều tiết của đất trong hoạt động của môi trường đất thông qua một số cơ chế đặc biệt để giảm thấp ô nhiễm từ ngoài vào, tự làm trong sạch và loại trừ các chất độc hại cho đất Mức độ làm sạch phụ thuộc vào các yếu tố như:

Số lượng và chất lượng hạt keo trong đất, càng nhiều hạt keo (keo mùn) thì khả năng tự làm sạch cao

Đất nhiều mùn, nhiều acid humic

Trạng thái hiện tại của môi trường đất, đất chưa bị ô nhiễm hoặc ô nhiễm ít thì khả năng tự làm sạch tốt hơn

Sự thoát nước và giữ ẩm

Cấu trúc đất tốt

Các chủng loại vi sinh vật phong phú, số lượng nhiều sẽ giúp đất đào thải chất độc chất ô nhiễm nhanh chóng

Khả năng oxy hóa tốt, chưa bị nhiễm mặn, nhiễm phèn

Môi trường đất có khả năng tự làm sạch cao hơn các môi trường khác (môi trường nước và không khí) do môi trường đất có các hạt keo đất có đặc tính mang điện, tỷ lệ diện tích hấp phụ lớn, khả năng trao đổi ion và hấp phụ chúng lớn mà các môi trường khác không có Nhưng nếu mức độ ô nhiễm vượt quá khả năng tự làm sạch của đất thì sự nhiễm bẩn trở nên nghiêm trọng Khi đó, khả năng lây truyền ô nhiễm từ môi trường đất sang môi trường đất, nước mặt và nước ngầm và khuếch tán vào không khí rất nhanh

2 Xử lý bằng phương pháp vi sinh :

2.1.Xử lý bên ngoài vị trí ô nhiễm(ex- situ):

Ex situquá trình sinh họcbao gồm: ủ phân, landfarming, biopilingvàsử dụngcủalò phản ứng sinh học

 Ủ phânbao gồmđàođấtvàsau đópha trộnhữu cơnhưgỗ,cỏ khô,phân bón,chấtthảithực vậtvớiđấtbị ô nhiễm Cácchất hữu cơđượclựa chọn dựatrên độ xốp thích hợp,sự cân bằng giữa hàm lượngcarbonvà nitơđể hỗ trợ trongviệc phá vỡcác chất gây ô nhiễm Duy trìnhiệt độtối ưu từ54đến65 0 Clàmột phần quan trọngcủaủ phân Trong hầu hếtcáctrườnghợp, các vi sinh vậtbản địa sẽduytrìnhiệt độ nàytrongquá trìnhlàm giảmchất gây ô nhiễm.Hiệu quả nhất khiủ phânlàloạibỏPAH, TNT vàRDX

 Landfarming là một kỹ thuật xử lý sinh học được thực hiện trong vùng đất phía trên Đất bị

ô nhiễm sẽ được cày, sấy trên bề mặt đất để thông khí và khuyến khích sự phát triển của vi khuẩn Chất dinh dưỡng, khoáng chất, và hơi ẩm có thể được thêm vào để tăng tốc độ suy thoái Độ pH củađấtcũngđượcquy định (gần 7,0) bằngcáchsửdụngđá vôinghiền hoặcvôinông nghiệp Chất gây ô nhiễm bị suy thoái, chuyển thể, và cố định bởi các quá trình vi sinh và quá trình oxy hóa Đất bị ô nhiễm thường được điều trị theo từng lớp lên đến 50 cm

 Khi mức độ điều trị đạt được mong muốn , lớp này được lấy ra và một lớp mới được điều trị Đất nông nghiệp đã được chứng minh thành công nhất trong việc điều trị hyrdrocarbons dầu mỏ và ít biến động Landfarming thường sẽ không hiệu quả khi hàm lượng hydrocarbon là lớn hơn 50.000 ppm.Landfarminglàthành công nhấttrong việc loại bỏPAHvà PCP

Hình1minhhọakỹ thuậtlandfarming

 Biopile là một công nghệ quy mô đầy đủ, trong đó đất khai quật được trộn với đất sửa đổi và được đặt trên một khu vực điều trị bao gồm các hệ thống thu gom nước

rò rỉ và một số hình thức của khí Nó được sử dụng để làm giảm nồng độ của các thành phần dầu khí trong đất khai quật thông qua việc sử dụng các phân hủy sinh học Độ ẩm, nhiệt, chất dinh dưỡng, oxy, và độ pH có thể được kiểm soát để tăng cường phân hủy sinh học Khu vực điều trị nói chung sẽ được phủ kín với một lớp

lót không thấm nước để giảm thiểu nguy cơ của chất gây ô nhiễm thẩm thấu vào đất không bị ô nhiễm Nó có thể được điều trị trong một lò phản ứng sinh học trước khi tái chế Các nhà cung cấp đã phát triển chất dinh dưỡng và công thức độc quyền phụ gia và các phương pháp để để kích thích phân hủy sinh học Đống đất thường có một hệ thống phân phối không khí được chôn dưới đất để không khí có thể đi xuyên qua đất Đống đất trong trường hợp này có thể lên đến 20 feet (thường không được khuyến khíchtối đa 2-3 mét) Đống đất có thể được phủ bằng nhựa để kiểm soát dòng chảy, bốc hơi, bay hơi và để thúc đẩy năng lượng mặt trời sưởi ấm Nếu có chất VOC trong đất sẽ bay hơi vào dòng không khí, không khí rời khỏi đất có thể được xử lý để loại bỏ hoặc phá hủy các hợp chất VOC trước khi chúng được thải vào khí quyển Biopile là một công nghệ ngắn hạn Thời gian vận hành và bảo trì có thể kéo dài một vài tuần tới vài tháng Biopiling cóhiệu quả nhất trongđiềutrịcácchất ô nhiễm nhưBTEX, phenol, PAHsvới4vòng thơm, vật liệu nổ nhưTNT vàRDX

 Phản ứng sinh học xử lýđấtbị ô nhiễmtrong cả haigiai đoạnrắn vàlỏng(bùn) Giai đoạnđiều trịrắnđược thực hiện trong một thiết bịkín Mục tiêucủasự pha trộnlà đểđảm bảo rằngcác chất ô nhiễm, nước, không khí, chất dinh dưỡngvà vi sinh vậthoạt động với nhau trong một thời gian dài Axithoặc kiềmcũng có thểđượcthêmvàođể kiểm soátđộ pH Tronglòphảnứnggiườngcố định, các thành phần được thêm vàolàm tăngđángkểtỷ lệsuy thoái Giaiđoạnquá trình xử lýchất lỏng vàxử lýđấtbùnsử dụnglò phản ứng sinh học,bùnvàohệ thống vàđượcrửaquamộtsàng rungđể loại bỏmảnh vụn Cátđược lấy rabằngcáchsửdụngmộtlưới lọchoặchydrocyclone,sau đó đượcđiều trị tạimộtlò phản ứng sinh học Saukhiđiều

trị,bùnvà xử lývới các kỹ thuậtxử lý nước thảitiêuchuẩn.Thiết lậplò phản ứng sinh họcđược minh họatrong hình 3

Typical Slurry Bioreactor

(Source:Kleinjntnens and Luyben, 2000)

In-situ bao gồmcác kỹ thuật nhưbioventing, biosparging, bioslurpingvàphytoremediationcùngvớihóa chất,vật lý,và các quá trìnhnhiệt Trongkhắc phụctạichỗthìít tốn kém hơn không cầnchi phíkhai quậtvàgiao thông vận tải Hình4minh họanội địa hóađượclựachọntrongquá trìnhxử lý sinh họctại chỗ

Hình4: Localizationof different microbialin

Bioventingcó hiệu quảtrong việc loại bỏcáchydrocarbondầu mỏ ,

cáchydrocarbonthơm , dầuthủy lựcvàkhông dễ bay hơi Nhiệt độ thấp thường gây cảntrởhiệu quả của bioventing Bioventing là một công nghệ được thực hiện trong thời gian dài

 Biosparging là tiêmkhông khítrongkhíquyểnvàotầng nước ngầm Nó được sử dụngtrong khuđấtbão hòa vàkhông bão hòa Kỹ thuật nàyđược phát triểnđể giảm tiêu thụnăng lượng Bơmkhông khí vàocáctầng nước ngầmtrong các kênhnhỏchokhông khídi chuyển đếnvùngđấtkhông bão hòa Để hình thànhnhiều chi nhánhcầnthiếttrongcác kênh, không khí phảiđượcxungvào đấtnày.Để chobiospargingcó hiệu quả, các điểm phun khí phảiđược đặtbên dướicáckhu vựcô nhiễmvì không khíluônluôn đi lên trên,không khísẽ tạo thành mộthình nón Mức độphân nhánhvà góccủahình nónđược xác định bởisố lượngáp suất không khítrong khi tiêm Giếnggiám sát đượclắpđặtxungquanhđiểm phun vàsauđómực nước ngầmvàhàmlượngoxy hòa tanđược đođể xác địnhvùng ảnh hưởngcho các điểm Để có

Đất ô nhiễm

Giếng mở

khí vào Giếng hút –

khí vào Nồng độ BTEX trước và sau xử lý Boiventing

hiệu quảloại bỏcácchất gây ô nhiễmtừbiosparging, đấtcần được tương đốiđồng nhấttrên toànkhuvựcô nhiễm Hình 6minhhọamột hệ thốngbiosparging

Figure6: Illustration of biosparging system

(Source: Held and Dörr,2000)

 Phytoremediation là mộtkỹ thuậttại chỗ, sử dụngthưc vật đểkhắc phụcđấtbị ô nhiễm Phytoremediationđã được sử dụngđể loại bỏTPH, BTEX, PAH, 2,4,6-trinitrotoluene (TNT), vàhexahyro-1,3,5-trinitro-1, 3,5triazine(RDX ).Thực vật có thểđể loại bỏcácchấtônhiễmtừnước ngầmvà lưu trữ, chuyển hóa, hoặcbay hơi Ngoàira, rễ cũnghỗ trợrất nhiềucủavi sinh vậtởdưới bề mặt Nhữngvi sinh vậtnàysau đócó thể làm giảmcác chất gây ô nhiễm Hình7 minh họakỹthuậtphytoremediationkhác nhau