Nghiên cứu ứng dụng vi sinh vật để xử lý lưu huỳnh trong nước thải sinh hoạt đô thị

Ô nhiễm nước có nguồn gốc nhân tạo: Quá trình thải các chất độc hại chủ yếu dưới dạng lỏng như các chất thải sinh hoạt, công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vào môi trường nước VloSer, 2

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VI SINH VẬT ĐỂ XỬ

LÝ LƯU HUỲNH TRONG NƯỚC THẢI SINH HOẠT

Phạm Lê Phương MSHV: CB090728

1

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC BẢNG 4

DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ 5

MỞ ĐẦU 6

PHẦN I TỔNG QUAN TÀI LIỆU 8

I.1 Tài nguyên nước và sự ô nhiễm nước 8

I.1.1 Tình trạng ô nhiễm môi trường nước trên thế giới 9

I.1.2 Tình trạng ô nhiễm môi trường nước tại Việt Nam 9

I.2 Đặc điểm nước thải sinh hoạt đô thị và sự ô nhiễm 10

I.3 Các dạng hợp chất của lưu huỳnh 13

I.4 Ứng dụng của lưu huỳnh 14

I.5 Vai trò sinh học 15

I.6 Ảnh hưởng của lưu huỳnh 16

I.6.1 Ảnh hưởng đến môi trường 16

I.6.2 Ảnh hưởng đến sức khỏe của con người 19

I.7 Vi khuẩn lưu huỳnh 20

I.7.1 Các loại vi khuẩn lưu huỳnh 20

I.7.2 Chu trình lưu huỳnh trong môi trường tự nhiên của vi sinh vật 22

I.8 Các phương pháp loại bỏ lưu huỳnh trong nước thải 24

I.8.1 Phương pháp hóa học 24

I.8.2 Phương pháp sinh học 25

I.9 Tiêu chuẩn Việt Nam về nước thải sinh hoạt 27

I.10 Tình hình xử lý lưu huỳnh trong nước thải 27

I.10.1 Trên thế giới 27

I.10.2 Tại Việt Nam 29

PHẦN II VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 30

II.1 Vật liệu 30

II.1.1 Đối tượng nghiên cứu 30

Phạm Lê Phương MSHV: CB090728

2

II.1.2 Hóa chất 30

II.1.3 Máy móc thiết bị 30

II.2 Môi trường 30

II.2.1 Môi trường phân lập và nuôi cấy vi sinh vật 30

II.2.2 Môi trường tuyển chọn chủng vi khuẩn có khả năng khử sulfua 32

II.2.3 Môi trường xác định khả năng khử sulfua của vi sinh vật 32

II.3 Phương pháp 33

II.3.1 Lấy mẫu 33

II.3.2 Phương pháp xác định đa dạng sinh học trong bùn hoạt tính ở sông Kim Ngưu 33

II.3.3 Phương pháp phân lập vi khuẩn 35

II.3.4 Phương pháp cấy truyền và giữ giống 36

II.3.5 Phương pháp nhân giống vi khuẩn 36

III.3.6 Phương pháp xác định nồng độ H2S trong mẫu nước thải 36

II.3.7 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng của điều kiện nuôi cấy đến khả năng khử H2S của chủng B7 38

II.3.8 Khảo sát các yếu tố diễn ra trong quá trình khử sulfua của chủng vi khuẩn phân lập được 38

PHẨN III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 43

III.1 Xác định vi khuẩn Thiobacillus sp trong bùn hoạt tính ở sông kim Ngưu.43 III.1.1 Tách chiết DNA tổng số từ các mẫu môi trường 43

III.1.2 PCR và phân tích điện di biến tính 43

III.2 Kết quả phân lập và tuyển chọn vi sinh vật có khả năng xử lý lưu huỳnh trong nước thải .45

III.3 Ảnh hưởng của điều kiện nuôi cấy đến khả năng khử H2S của chủng vi khuẩn phân lập được 46

III.3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ 46

III.3.2 Ảnh hưởng của pH môi trường ban đầu 47

III.3.3 Ảnh hưởng của nồng độ sunfat ban đầu 48

Phạm Lê Phương MSHV: CB090728

3

III.3.4 Ảnh hưởng của thời gian nuôi cấy 49

III.4 Khảo sát các yếu tố diễn ra trong quá trình khử sunfua của chủng vi khuẩn phân lập được 51

III.4.1 Khảo sát khả năng khử sulfua của chủng vi khuẩn B7 phân lập được.51 III.4.2 Khảo sát sự tạo thành ion sunfat SO42 56

III.4.3 Khảo sát sự thay đổi pH trong môi trường 57

III.5 Quy trình tạo chế phẩm sinh học để xử lý H2S trong nước thải sinh hoạt 58

III.6 Ứng dụng chế phẩm vi sinh để xử lý H2S trong nước thải quy mô phòng thí nghiệm 59

KẾT LUẬN 62

KIẾN NGHỊ 63

TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

chủng B7……… 48 Bảng 3.5 Ảnh hưởng của thời gian nuôi cấy đến khả năng khử H2S của

chủng B7……… 50 Bảng 3.6 Khảo sát khả năng khử sunfua của chủng vi khuẩn B7 trên môi

trường MT1……… 51 Bảng 3.7 Khảo sát khả năng khử sunfua của chủng vi khuẩn B7 trên môi

trường MT2……… 53 Bảng 3.8 Khảo sát khả năng khử sunfua của chủng vi khuẩn B7 trên môi

trường MT3……… 54 Bảng 3.9 Sự thay đổi pH của chủng vi khuẩn B7 trong 3 môi trường

khác nhau……… 57 Bảng 3.10 Kết quả xử lý nước thái trước và sau khi bổ sung chế phẩm

sau 14 ngày……… 60

Hình 3.8 Ảnh hưởng của thời gian nuôi cấy đến khả năng khử H2S của

chủng B7……… 50 Hình 3.9 Sự thay đổi nồng độ H2S (ppm) trong môi trường MT1………… 52 Hình 3.10 Sự thay đổi nồng độ H2S (ppm) trong môi trường MT2……… 53 Hình 3.11 Sự thay đổi nồng độ H2S (ppm) trong môi trường MT3……… 55 Hình 3.12 Khả năng khử H2S của chủng vi khuẩn B7 trong các môi trường

khác nhau theo thời gian……… 55 Hình 3.13 Phản ứng theo dõi sự hình thành ion sunfat……… 56 Hình 3.14 Hình ảnh chế phẩm vi sinh xử lý H2S trong nước thải………… 59 Hình 3.15 Thử nghiệm xử lý nước thải sông Kim ngưu bằng chế phẩm vi

sinh tạo được quy mô phòng thí nghiệm……… 60

vụ, quá trình đô thị hóa và tập trung dân cư nhanh chóng là những nguyên nhân gây nên hiện trạng quá tải môi trường

Ở Việt Nam, phần lớn nước thải sinh hoạt ở các khu dân cư đô thị, ven đô và nông thôn đều chưa được xử lý đúng quy cách Nước thải từ các khu vệ sinh mới chỉ được xử lý sơ bộ tại các bể tự hoại, chất lượng chưa đạt yêu cầu xả ra môi trường, là nguyên nhân gây ô nhiễm, lây lan bệnh tật Đó là chưa kể dòng nước thải sinh hoạt từ nhà bếp, tắm, giặt thường không được xử lý qua bể tự hoại, góp phần làm ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng

Ion sunfat là một trong những anion thường gặp trong nước tự nhiên Nó là chỉ tiêu quan trọng trong nước cấp vì khi hàm lượng SO42- trong nước cao sẽ gây ảnh hưởng đến con người do tính chất tẩy rửa của sunfat từ lý do này đối với nước cấp, nồng độ giới hạn của sunfat là 250mg/l Ngoài ra trong nước cấp cho công nghiệp và sinh hoạt, chỉ tiêu SO42- cũng rất quan trọng do khả năng kết hợp với các ion kim loại trong nước hình thành cặn trong các thiết bị đun nước, lò hơi và các thiết bị trao đổi nhiệt

Trong xử lý nước thải, chỉ tiêu SO42- cũng được quan tâm do vấn đề mùi và

ăn mòn đường ống do quá trình khử sunfat thành hydrogen sulfide trong điều kiện

kỵ khí Chính vì vậy tôi đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu ứng dụng vi sinh vật để

xử lý lưu huỳnh trong nước thải sinh hoạt đô thị”

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

• Phân lập chủng vi sinh vật có khả năng khử hydro sunfua trong nước thải

• Tuyển chọn chủng vi sinh vật có hoạt tính khử cao

• Khảo sát ảnh hưởng của điều kiện nuôi cấy đến khả năng khử H2S của chủng vi khuẩn phân lập được

• Khảo sát các yếu tố diễn ra trong quá trình khử sunfua của chủng được tuyển chọn

• Tạo chế phẩm sinh học để xử lý lưu huỳnh trong nước thải sinh hoạt

• Ứng dụng chế phẩm vi sinh để xử lý H2S trong nước thải quy mô phòng thí nghiệm

Phạm Lê Phương MSHV: CB090728

8

PHẦN I TỔNG QUAN TÀI LIỆU

I.1 Tài nguyên nước và sự ô nhiễm nước

Tài nguyên nước là thành phần chủ yếu của môi trường sống, quyết định sự thành công trong các chiến lược, quy hoạch, kế hoạch phát triển kinh tế - xã hội, bảo đảm quốc phòng, an ninh quốc gia Hiện nay nguồn tài nguyên thiên nhiên quý hiếm và quan trọng này đang phải đối mặt với nguy cơ ô nhiễm và cạn kiệt Nguy

cơ thiếu nước, đặc biệt là nước ngọt và sạch là một hiểm họa lớn đối với sự tồn vong của con người cũng như toàn bộ sự sống trên trái đất Do đó con người cần phải nhanh chóng có các biện pháp bảo vệ và sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên nước

Ô nhiễm nước có thể được định nghĩa bằng nhiều cách như khi nồng độ một hoặc nhiều chất cụ thể trong nước vượt quá tải lượng của môi trường trong khoảng thời gian đủ để gây tác động hay hậu quả rõ rệt ta gọi là ô nhiễm nước

Hiến chương châu Âu về nước đã định nghĩa: "Ô nhiễm nước là sự biến đổi nói chung do con người đối với chất lượng nước, làm nhiễm bẩn nước và gây nguy hiểm cho con người, cho công nghiệp, nông nghiệp, nuôi cá, nghỉ ngơi, giải trí, cho động vật nuôi và các loài hoang dã"

Ô nhiễm nước có nguồn gốc tự nhiên: Do mưa, tuyết tan, gió bão, lũ lụt đưa vào môi trường nước chất thải bẩn, các sinh vật và vi sinh vật có hại kể cả xác chết của chúng

Ô nhiễm nước có nguồn gốc nhân tạo: Quá trình thải các chất độc hại chủ yếu dưới dạng lỏng như các chất thải sinh hoạt, công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vào môi trường nước (VloSer, 2009)

Theo bản chất các tác nhân gây ô nhiễm, người ta phân ra các loại ô nhiễm nước: ô nhiễm vô cơ, hữu cơ, ô nhiễm hoá chất, ô nhiễm sinh học, ô nhiễm bởi các tác nhân vật lý

Hiện nay, đã có nhiều hoạt động tuyên truyền chủ trương xã hội hoá công tác bảo vệ tài nguyên nước, đưa ra nhiều biện pháp nhằm kêu gọi tất cả các thành viên

Phạm Lê Phương MSHV: CB090728

9

trong xã hội nâng cao ý thức, cùng hành động tích cực bảo vệ nguồn tài nguyên thiên nhiên này Bảo vệ tài nguyên nước là nhiệm vụ cấp bách, nó không chỉ đáp ứng các yêu cầu trước mắt mà còn tạo nền tảng vững chắc cho sự nghiệp bảo vệ tài nguyên và môi trường trong tương lai lâu dài, vì đó là sự sống còn của chính chúng

ta và con cháu sau này

I.1.1 Tình trạng ô nhiễm môi trường nước trên thế giới

Trong thập niên 60, ô nhiễm nước lục địa và đại dương gia tăng với nhịp độ đáng lo ngại Tiến độ ô nhiễm nước phản ánh trung thực tiến bộ phát triển kỹ nghệ

Ta có thể kể ra đây vài thí dụ tiêu biểu

Anh Quốc chẳng hạn: Ðầu thế kỷ 19, sông Tamise rất sạch, nó trở thành ống cống lộ thiên vào giữa thế kỷ này Các sông khác cũng có tình trạng tương tự trước khi người ta đưa ra các biện pháp bảo vệ nghiêm ngặt

Nước Pháp rộng hơn, kỹ nghệ phân tán và nhiều sông lớn, nhưng vấn đề cũng không khác bao nhiêu Dân Paris còn uống nước sông Seine đến cuối thế kỷ

18 Từ đó vấn đề đổi khác: các sông lớn và nước ngầm nhiều nơi không còn dùng làm nước sinh hoạt được nữa, 5.000 km sông của Pháp bị ô nhiễm Sông Rhin chảy qua vùng kỹ nghệ hóa mạnh, khu vực có hơn 40 triệu người, là nạn nhân của nhiều tai nạn (như nạn cháy nhà máy thuốc Sandoz ở Bale năm 1986 chẳng hạn) thêm vào các nguồn ô nhiễm thường xuyên

Ở Hoa Kỳ tình trạng thảm thương ở bờ phía đông cũng như nhiều vùng khác Vùng Ðại hồ bị ô nhiễm nặng, trong đó hồ Erie, Ontario đặc biệt nghiêm trọng

I.1.2 Tình trạng ô nhiễm môi trường nước tại Việt Nam

Nước ta có nền công nghiệp chưa phát triển mạnh, các khu công nghiệp và các đô thị chưa đông lắm nhưng tình trạng ô nhiễm nước đã xảy ra ở nhiều nơi với các mức độ nghiêm trọng khác nhau (Cao Liêm và Trần Ðức Viên, 1990)

Nông nghiệp là ngành sử dụng nhiều nước nhất dùng tưới lúa và hoa màu, chủ yếu là ở đồng bằng sông Cửu Long và sông Hồng Việc sử dụng nông dược và phân bón hóa học càng góp thêm phần ô nhiễm môi trường nông thôn

Phạm Lê Phương MSHV: CB090728

10

Công nghiệp là ngành làm ô nhiễm nước quan trọng, mỗi ngành có một loại nước thải khác nhau Khu công nghiệp Thái Nguyên thải nước biến Sông Cầu thành màu đen, mặt nước sủi bọt trên chiều dài hàng chục cây số Khu công nghiệp Việt Trì xả mỗi ngày hàng ngàn mét khối nước thải của nhà máy hóa chất, thuốc trừ sâu, giấy, dệt xuống Sông Hồng làm nước bị nhiễm bẩn đáng kể Khu công nghiệp Biên Hòa và TP HCM tạo ra nguồn nước thải công nghiệp và sinh hoạt rất lớn, làm nhiễm bẩn tất cả các sông rạch ở đây và cả vùng phụ cận

Nước dùng trong sinh hoạt của dân cư ngày càng tăng nhanh do dân số và các đô thị Nước cống từ nước thải sinh hoạt cộng với nước thải của các cơ sở tiểu thủ công nghiệp trong khu dân cư là đặc trưng ô nhiễm của các đô thị ở nước ta Ðiều đáng nói là các loại nước thải đều được trực tiếp thải ra môi trường, chưa xử lý triệt để, vì nước ta chưa có hệ thống xử lý nước thải nào đúng nghĩa như tên gọi của

nó

Nước ngầm cũng bị ô nhiễm, do nước sinh hoạt hay công nghiệp và nông nghiệp Việc khai thác tràn lan nước ngầm làm cho hiện tượng nhiễm mặn và nhiễm phèn xảy ra ở những vùng ven biển sông Hồng, sông Thái Bình, sông Cửu Long, ven biển miền Trung (Cao Liêm và Trần Ðức Viên, 1990)

I.2 Đặc điểm nước thải sinh hoạt đô thị và sự ô nhiễm

Tốc độ công nghiệp hoá và đô thị hoá khá nhanh và sự gia tăng dân số gây áp lực ngày càng nặng nề đối với tài nguyên nước trong vùng lãnh thổ Môi trường nước ở nhiều đô thị, khu công nghiệp và làng nghề ngày càng bị ô nhiễm bởi nước thải, khí thải và chất thải rắn Ở các thành phố lớn, hàng trăm cơ sở sản xuất công nghiệp đang gây ô nhiễm môi trường nước do không có công trình và thiết bị xử lý chất thải

Nước thải đô thị bao gồm cả nước thải sinh hoạt phát sinh từ các hoạt động sinh hoạt của các cộng đồng dân cư, các loại nước thấm và nước thải sản xuất thải

ra từ các công trình công nghiệp [6] Nguồn nước thải từ sinh hoạt gồm: nước vệ sinh tắm, giặt, nước rửa rau, thịt, cá, nước từ bể phốt, từ khách sạn, nhà hàng, các dịch vụ công cộng như thương mại, bến tàu xe, bệnh viện, trường học, khu du lịch,

Phạm Lê Phương MSHV: CB090728

11

vui chơi, giải trí Chúng thường được thu gom vào các kênh dẫn thải Một yếu tố gây ô nhiễm quan trọng trong nước thải sinh hoạt đó là các loại mầm bệnh được lây truyền bởi các vi sinh vật có trong phân Vi sinh vật gây bệnh cho người bao gồm các nhóm chính là virus, vi khuẩn, nguyên sinh bào và giun sán (vacne.org.vn) Đặc trưng của nước thải đô thị hiện nay là chứa nồng độ chất hữu cơ ở mức cao và nhiều chất hoạt động bề mặt từ việc sử dụng nhiều chất tẩy rửa như xà phòng, nước rửa chén

Ông Yutaka Matsuzawa - Chuyên gia môi trường của Tổ chức Hợp tác Quốc

tế Nhật Bản (JICA) tại Việt Nam đã nhận định: “Quá trình đô thị hoá tại Việt Nam diễn ra rất nhanh Những đô thị lớn tại Việt Nam như Hà Nội, TP Hồ Chí Minh, Hải Phòng, Đà Nẵng bị ô nhiễm nước rất nặng nề Đô thị ngày càng phình ra tại Việt Nam, nhưng cơ sở hạ tầng lại phát triển không cân xứng, đặc biệt là hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt tại Việt Nam vô cùng thô sơ Có thể nói rằng, người Việt Nam đang làm ô nhiễm nguồn nước uống chính bằng nước sinh hoạt thải ra hàng ngày”

Theo Hội Bảo vệ thiên nhiên và môi trường Việt Nam, nước thải sinh hoạt chiếm khoảng 80% tổng số nước thải ở các thành phố, là một nguyên nhân chính gây nên tình trạng ô nhiễm nước và vấn đề này có xu hướng càng ngày càng xấu đi Ước tính, hiện chỉ có khoảng 6% lượng nước thải đô thị được xử lý (VACNE, 2010)

Chuyên gia Matsuzawa cho rằng, quá trình công nghiệp hoá và hiện đại hoá khiến luồng di cư đổ về đô thị Song việc thu gom, xử lý rác thải và nước thải sinh hoạt lại không được để ý “Tôi chắc chắn rằng, Việt Nam trong vòng ít nhất là 10-

15 năm nữa sẽ còn phải hứng chịu các tác động nặng nề do nước thải sinh hoạt không được xử lý Đây là lý do vì sao tôi nói rằng, ô nhiễm nước thải sinh hoạt đang là vấn đề nghiêm trọng nhất mà Việt Nam đang đối mặt”, ông khẳng định

Một báo cáo toàn cầu mới được Tổ chức Y tế thế giới (WHO) công bố hồi đầu năm 2010 cho thấy, mỗi năm Việt Nam có hơn 20.000 người tử vong do điều kiện nước sạch và vệ sinh nghèo nàn và thấp kém Còn theo thống kê của Bộ Y tế, hơn 80% các bệnh truyền nhiễm ở nước ta liên quan đến nguồn nước Người dân ở

Tổng lượng nước thải của thành phố Hà Nội, theo báo cáo của Ủy ban Khoa học Công nghệ và Môi trường (2006), lên tới 300.000-400.000m3/ngày, trong đó 2/3 là nước thải sinh hoạt

Theo thông báo mới nhất của UBND thành phố Hà Nội (2006), tình trạng ô nhiễm môi trường do hoạt động công nghiệp tuy đã có chuyển biến nhưng vẫn còn hơn 90% tổng lượng nước thải sinh hoạt và nước thải của các cơ sở sản xuất, bệnh viện, dịch vụ và làng nghề chưa được xử lý Chỉ có một số ít nhà máy và bệnh viện được trang bị hệ thống xử lý nước thải tại chỗ, và chỉ có 8-10% tổng lượng nước

Hình 1.1.Ô nhiễm nước tại sông Kim Ngưu – Yên Sở

Phạm Lê Phương MSHV: CB090728

13

thải đô thị được xử lý ở bốn nhà máy xử lý nước thải mới xây dựng với tổng công suất 48.000 m3/ngày [5]

Ở thành phố Hồ Chí Minh thì lượng rác thải lên tới gần 4.000 tấn/ngày; chỉ

có 24/142 cơ sở y tế lớn là có xử lý nước thải; khoảng 3.000 cơ sở sản xuất gây ô nhiễm thuộc diện phải di dời

Không chỉ ở Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh mà ở các đô thị khác như Hải Phòng, Huế, Đà Nẵng, Nam Định, Hải Dương… nước thải sinh hoạt đô thị cũng không được xử lý, độ ô nhiễm nguồn nước nơi tiếp nhận nước thải đều vượt quá tiêu chuẩn cho phép (TCCP)

Như vậy nghiên cứu để đưa ra phương án xử lý là vấn đề vô cùng cấp thiết hiện nay

I.3 Các dạng hợp chất của lưu huỳnh [24]

• Các sulfat (SO42-), các muối của axít sulfuric Axít sulfuric cũng phản ứng với SO3 trong các tỷ lệ đẳng phân tử gam để tạo ra axít pyrosulfuric (H2S2O7)

• Các thiôsulfat (đôi khi được gọi là thiôsulfit hay "hyposulfit") (S2O32−)- như thiôsulfat natri được dùng như các chất cố định trong nhiếp ảnh (trong vai trò của các chất khử) và thiôsulfat amôni đã được phát hiện như là chất thay thế cho các xyanua trong lọc quặng vàng

• Đithiônit natri, Na2S2O4 tạo ra từ axít hyposulfurơ/đithiônơ - là một chất khử mạnh

• Đithiônat natri (Na2S2O6)

Phạm Lê Phương MSHV: CB090728

14

• Các axít polythiônic (H2SnO6), trong đó n dao động từ 3 đến 80

• Axít perôxymônôsulfuric (H2SO5) và axít perôxyđisulfuric (H2S2O8)-được điều chế từ phản ứng của SO3 hay H2SO4 với H2O2 đậm đặc một cách tương ứng

• Các polisunfua natri (Na2Sx)

• Hexaflorua lưu huỳnh, SF6, một tác nhân đẩy nặng, dạng khí, không phản ứng và không độc

• Têtranitrua têtra lưu huỳnh S4N4

• Các thiôxyanat là các hợp chất chứa ion thiôxyanat, SCN- Liên quan đến các ion này là thiôxyanôgen, (SCN)2

* Các dạng hợp chất hữu cơ

• đimêtyl sulfôniôprôpiônat (DMSP; (CH3)2S+CH2CH2COO-) là thành phần trung tâm của chu trình lưu huỳnh hữu cơ trong đại dương

• Các thiôête là các phân tử với công thức tổng quát dạng R-S-R′, trong đó R

và R′ là các nhóm hữu cơ Các chất này là sự tương đương của các ête (lưu

huỳnh thay thế ôxy)

• Các thiol (hay mecaptan) là các phân tử với nhóm chức -SH Chúng là các chất tương đương với rượu (lưu huỳnh thay thế ôxy)

• Các thiolat có nhóm chức -S- gắn vào Chúng là các chất tương đương của các ankôxít (lưu huỳnh thay thế ôxy)

• Sulfôxít là các phân tử với nhóm chức R-S(=O)-R′, trong đó R và R′ là các

nhóm hữu cơ Một chất phổ biến trong số các sulfôxít là DMSO

• Sulfon là các phân tử với nhóm chức R-S(=O)-R′, trong đó R và R′ là các

nhóm hữu cơ

• Thuốc thử Lawesson là thuốc thử hóa học có thể lấy ôxy từ các chất hữu cơ khác và thay nó bằng lưu huỳnh

• Naptalen-1,8-điyl 1,3,2,4-đithiađiphốtphetan 2,4-đisunfua

I.4 Ứng dụng của lưu huỳnh [24]

Phạm Lê Phương MSHV: CB090728

15

Lưu huỳnh có nhiều ứng dụng trong công nghiệp Thông qua dẫn xuất chính của nó là axít sulfuric (H2SO4), lưu huỳnh được đánh giá là một trong các nguyên tố quan trọng nhất được sử dụng như là nguyên liệu công nghiệp Nó là quan trọng bậc nhất đối với mọi lĩnh vực của nền kinh tế thế giới

Sản xuất axít sulfuric nguyên liệu chính là lưu huỳnh, và việc tiêu thụ axít sulfuric được coi như một trong các chỉ số tốt nhất về sự phát triển công nghiệp của một quốc gia Axít sulfuric được sản xuất hàng năm ở Hoa Kỳ nhiều hơn bất kỳ hóa chất công nghiệp nào khác

Lưu huỳnh cũng được sử dụng trong ắc quy, bột giặt, lưu hóa cao su, thuốc diệt nấm và trong sản xuất các phân bón phốtphat Các sunfit được sử dụng để làm trắng giấy và làm chất bảo quản trong rượu vang và làm khô hoa quả Do bản chất

dễ cháy của nó, lưu huỳnh cũng được dùng trong các loại diêm, thuốc súng và pháo hoa Các thiosunfat natri và amôni được sử dụng như là các tác nhân cố định trong nhiếp ảnh Sunfat magiê, được biết dưới tên gọi muối Epsom có thể dùng như thuốc nhuận tràng, chất bổ sung cho các bình ngâm (xử lý hóa học), tác nhân làm tróc vỏ cây, hay để bổ sung magiê cho cây trồng

Cuối thế kỷ 18, các nhà sản xuất đồ gỗ sử dụng lưu huỳnh nóng chảy để tạo

ra các lớp khảm trang trí trong các sản phẩm của họ Do điôxít lưu huỳnh được tạo

ra trong quá chình nung chảy lưu huỳnh nên các đồ gỗ với lớp khảm lưu huỳnh đã

bị loại bỏ rất nhanh

I.5 Vai trò sinh học

Vai trò cơ bản của hợp chất S là tham gia vào các quá trình năng lượng của

cơ thể và là thành phần của nhiều chất có hoạt tính sinh học

Trong đất S tồn tại ở nhiều dạng hữu cơ và vô cơ, nhưng dạng S vô cơ cây hút chủ yếu là SO42- (sulfate) - là dạng oxi hóa cao, tan trong dung dịch đất Dạng

SO2 và dạng khử H2S thì độc cho cây Trong môi trường acid, sunfat bị giữ chặt trên keo đất và được giải phóng ra khỏi keo đất vào dung dịch đất trong môi trường kiềm và có ion trao đổi OH- Vì vậy bón vôi làm tăng pH của đất, tạo điều kiện cho ion sulfate di động và rễ cây dễ dàng hút được

Phạm Lê Phương MSHV: CB090728

16

Ngoài ra do hoạt động của một số vi sinh vật mà các dạng S hữu cơ có thể phân giải thành dạng sunfat cho cây hấp thụ

* Vai trò của S đối với cây

S tham gia vào thành phần của một số hợp chất hữu cơ có vai trò cực kỳ quan của cơ thể sinh vật, có ảnh hưởng quan trọng lên quá trình sinh trưởng, trao đổi chất và hoạt động sinh lý của cây

Hiện nay không còn nghi ngờ gì nữa về vai trò quan trọng của bậc nhất của các cơ thể sinh vật trong cuộc sống là thuộc về các hợp chất hữu cơ có chứa S như các acid amine (cysteine, cystine, methionine), acid folic, coenzyme A, các vitamine (biotine và thiamine) Các hợp chất penicillin cũng thuộc các hợp

chất cứa S do nhiều nòi nấmPenicillium và nấm Aspergillus tạo nên Trong quá

trình sinh trưởng và phát triển của thực vật các hợp chất S biến đổi theo hướng tăng các hợp chất S - protein

Vì trong quá trình hoá già của thực vật, quá trình lổng hợp protein bị kìm hãm và sự phân giải các hợp chất protein được tăng cường Các S - sulfate được thải

ra ngoài dần dần theo chu trình biến đổi S Tóm lại, vai trò quan trọng nhất của S

là sự liên quan của nó với quá trình trao đổi chất nói chung và trước hết là

sự trao đổi carbonhydrate và sự tích luỹ, biến đổi dự trữ năng lượng Chính vì vậy khi cây thiếu S lá có màu lục nhạt, cây chậm lớn, năng suất và phẩm chất thu hoạch đều giảm rõ rệt [9,24]

I.6 Ảnh hưởng của lưu huỳnh

I.6.1 Ảnh hưởng đến môi trường

Sự đốt cháy than và dầu mỏ trong công nghiệp và các nhà máy điện giải phóng ra một lượng lớn điôxít lưu huỳnh SO2, nó sẽ phản ứng với hơi nước và ôxy

có trong khí quyển để tạo ra axít sulfuric Đây là nguyên nhân của các trận mưa axít

và làm giảm pH của đất cũng như các khu vực chứa nước ngọt, tạo ra những tổn thất đáng kể cho môi trường tự nhiên và gây ra phong hóa hóa học đối với các công trình xây dựng và kiến trúc Các tiêu chuẩn về nhiên liệu đã thắt chặt các chỉ tiêu về hàm lượng lưu huỳnh trong các nhiên liệu hóa thạch để giảm thiểu sự hình thành

Phạm Lê Phương MSHV: CB090728

17

của mưa axít Lưu huỳnh được tách ra từ các nhiên liệu này sau đó sẽ được làm tinh khiết và tạo ra một phần lớn của sản lượng lưu huỳnh được sản xuất [24]

Lưu huỳnh có thể tìm thấy trong không khí dưới nhiều hình thức khác nhau

Nó có thể gây kích thích mắt và cổ họng với động vật, khi hấp thu diễn ra qua đường hô hấp của lưu huỳnh trong giai đoạn khí Lưu huỳnh được áp dụng trong các ngành công nghiệp rộng rãi và phát ra với không khí

Các tác hại của sulfur với động vật chủ yếu là tổn thương não, thông qua các hỏng hóc của vùng dưới đồi, và thiệt hại cho hệ thần kinh

Phòng thí nghiệm thử nghiệm với động vật thử nghiệm đã chỉ ra rằng lưu huỳnh có thể gây ra thiệt hại nghiêm trọng về mạch máu trong tĩnh mạch của não, tim và thận Các xét nghiệm này cũng chỉ ra rằng các hình thức nhất định của lưu huỳnh có thể gây ra thiệt hại bào thai và các hiệu ứng bẩm sinh Bà mẹ thậm chí có thể thực hiện ngộ độc lưu huỳnh hơn để con cái của họ thông qua sữa mẹ Cuối cùng, lưu huỳnh có thể làm hỏng hệ thống enzyme nội bộ của động vật

* Vấn đề về mùi

Khi không có oxy, sulfat được coi như là chất cung cấp oxy (chính xác hơn

là chất nhận điện tử) cho quá trình oxy hóa của vi khuẩn kỵ khí Trong điều kiện kỵ khí sulfat bị khử thành S2- Ion S2- sẽ kết hợp với ion H+ với hằng số phân ly KA1 = 9,1x10-8 Quan hệ giữa các dạng H2S, HS-, S2- tại các pH khác nhau của dung dịch chứa 10-3 M H2S (hay 32 mg/l H2S) [26]

* Ăn mòn đường ống

Sự ăn mòn “đỉnh ống” của ống bêtôn là đặc biệt nghiêm trọng khi mà nước thải sinh hoạt có nhiệt độ cao, thời gian lưu trong cống dài và nồng độ sulfat cao, điều này đã xảy ra ở nhiều của Mỹ, đặc biệt ở những vùng phía nam nước này Nguyên nhân của sự ăn mòn được cho là do H2S và H2SO42- bởi quá trình khử sulfat thành H2S và từ H2S thành H2SO42- Trong hệ thống ống cống thoát nước tự chảy,

H2S là nguyên nhân gián tiếp gây ra sự ăn mòn “đỉnh ống” [7,26]

H2S và một phần của nó bay vào lớp không khí ở trên lớp nước thải trong cống Nếu

hệ thống ống cống được thông gió tốt, thành cống và đỉnh cống khô ráo, việc hình thành H2S không gây ra sự ăn mòn cống [7] Tuy nhiên trong trường hợp thong gió kém, đỉnh và thành cống ẩm ướt, H2S sẽ hòa tan vào lớp nước trên thành và đỉnh cống tướng ứng với áp suất riêng phần của nó trong không khí hiện diện trong cống Điều này hầu như không gây hại

Vi khuẩn có khả năng oxy hóa H2S thành H2SO4có mặt khắp nơi trong tự nhiên và trong nước thải Và dĩ nhiên các loại vi khuẩn này cũng có mặt trên thành

và đỉnh cống tại những lúc lưu lượng lớn hay theo một số cách khác Do điều kiện hiếu khí là luôn tồn tại trông hệ thống cống, những vi khuẩn hiếu khí oxy hóa H2S thành H2SO4 dần dần trở nên đậm đặc và ăn mòn bêtông Vi khuẩn thiobacillus có

khả năng oxy hóa H2S thành H2SO4 ở pH 2 Quá trình hình thành H2SO4 đặc biệt nghiêm trọng ở đỉnh cống do tại đó quá trình rút nước là nhỏ nhất

Hình 1.2 Sự hình thành H 2 S và sự ăn mòn do quá trình oxy hóa H 2 S thành

_SO42- → S2- _

_ S2- + 2H+→ H2S _

Điều kiện kỵ khí

Môi trường để vi khuẩn oxy hóagiọt nước

Phạm Lê Phương MSHV: CB090728

19

Hình 1.3 Hình ảnh đường ống bị ăn mòn I.6.2 Ảnh hưởng đến sức khỏe của con người

Tất cả các sinh vật sống cần lưu huỳnh Đó là đặc biệt quan trọng đối với con người bởi vì nó là một phần của acid amin methionine, mà là một yêu cầu chế độ ăn uống tuyệt đối cho chúng ta Các acid amin cysteine cũng chứa lưu huỳnh Những người trung bình mất trong khoảng 900 mg mỗi ngày của lưu huỳnh, chủ yếu là ở dạng protein

Nguyên tố lưu huỳnh là không độc hại, nhưng nhiều lưu huỳnh derivates đơn giản là, như sulfur dioxide (SO2) và hydrogen sulfide Lưu huỳnh có thể tìm thấy phổ biến trong tự nhiên như sulphides Trong một số quy trình lưu huỳnh được thêm vào môi trường làm gây tổn hại cho động vật, cũng như con người Nó có mùi khó chịu và thường có độc tính cao

Trên toàn cầu chất sulfuric có thể có những tác động sau đây về sức khỏe con người [13]:

- Hiệu ứng thần kinh và hành vi thay đổi

- Loạn lưu thông máu

- Bệnh về tim mạch

- Tác dụng trên mắt và thị lực

- Sinh sản thất bại

- Tổn thương hệ thống miễn dịch

Phạm Lê Phương MSHV: CB090728

20

- Dạ dày và đường tiêu hóa rối loạn

- Tổn thương chức năng gan và thận

- Xét xử khiếm khuyết

- Loạn của sự trao đổi chất kích thích tố

- Hiệu ứng da liễu

- Nghẹt thở và nghẽn phổi

I.7 Vi khuẩn lưu huỳnh

I.7.1 Các loại vi khuẩn lưu huỳnh

Những vi khuẩn oxi hoá lưu huỳnh, H2S và các hợp chất lưu huỳnh khác Gồm nhiều loài vi khuẩn lục, vi khuẩn tía có khả năng quang hợp, những vi khuẩn

tự dưỡng hoá năng không sắc tố, có khả năng dùng các hợp chất lưu huỳnh làm nguồn năng lượng và nguồn cung cấp điện tử để đồng hoá CO2 và sinh trưởng

Thuộc vi khuẩn lưu huỳnh có nhiều loài của chi Thiobacillus, Thiomicrosp,

Sulfolobus Một số vi khuẩn lưu huỳnh, mặc dù oxi hoá lưu huỳnh và tích luỹ lưu

huỳnh trong tế bào, nhưng vẫn còn cần chất hữu cơ để sinh trưởng như các vi khuẩn

lưu huỳnh dạng sợi thuộc chi Deggiatoa, Thiothrix, Thioploca và vi khuẩn lưu huỳnh đơn bào của chi Achromatium, Macromonas, Thiovulum [2,3]

a) Vi khuẩn lưu huỳnh màu tía (Purple sulfur bacteria):

Thuộc nhóm này là các vi khuẩn kỵ khí bắt buộc, có khả năng quang tự dưỡng vô cơ (photolithoautotroph), tế bào có chứa chlorophyll a hoặc b , hệ thống quang hợp chứa các màng hình cầu hay hình phiến (lamellar) gắn với màng sinh chất Để dùng làm nguồn cho điện tử (electron donors) trong quang hợp thường sử dụng H2, H2S hay S Có khả năng di động với tiên mao mọc ở cực, có loài chu mao,

tỷ lệ G+C là 45-70%

- Họ Chromatiaceae gồm các chi: Thiospirium, Chromatium, Thiocapsa,

Thiocystis, Thiospirillum, Thiorhodovibrio, Amoebobacter, Lamprobacter, Lamprocystis, Thiodyction, Thiopedia, Rhabdochromatium, Thiorhodococcus

- Họ Ectothiorhodospiraceae gồm các chi: Ectothiorhodospirace,

Halorhodospira

Phạm Lê Phương MSHV: CB090728

21

b) Vi khuẩn không lưu huỳnh màu tía (Nonsulfure purple bacteria)

Vi khuẩn không lưu huỳnh màu tía là nhóm vi khuẩn quang dị dưỡng hữu cơ (photoorganoheterotrophs) thường kỵ khí bắt buộc, một số loài là quang tự dưỡng

vô cơ không bắt buộc (trong tối là hoá dị dưỡng hữu cơ- chemoorganoheterotrophs) Tế bào chứa chlorophyl a hoặc b, hệ thống quang hợp chứa các màng hình cầu hay hình phiến (lamellar) gắn với màng sinh chất Để dùng làm nguồn cho điện tử (electron donors) trong quang hợp thường sử dụng chất hữu

cơ, đôi khi sử dụng hợp chất lưu huỳnh dạng khử hoặc H2 Có khả năng di động với tiên mao mọc ở cực, hoặc không di động, một số loài có túi khí (gas vesicles), tỷ lệ G+C là 61-72%

Gồm các chi: Blastochloris, Phaeospirillum, Rhodobacter, Rhodobium,

Rhodocista, Rhodocyclus, Rhooferax, Rhodomicrobium, Rhodoplanes, Rhodopila, Rhodopseudomonas, Rhodospira, Rhodospirillum, Rhodothalassium, Rhodovibrio, Rhodovulum, Rosespira, Rubiviva

c) Vi khuẩn lưu huỳnh màu lục (Green sulfure bacteria)

Thuộc nhóm này là các vi khuẩn kỵ khí bắt buộc, có khả năng quang tự dưỡng vô cơ (photolithoautotroph), tế bào có chứa chlorophyll a cùng với b , c hoặc

e, chứa caroten nhóm 5, hệ thống quang hợp liên quan đến các lục thể (chlorosom)

và độc lập đối với màng sinh chất Để dùng làm nguồn cho điện tử (electron donors) trong quang hợp thường sử dụng H2, H2S hay S Hạt lưu huỳnh tích luỹ bên ngoài

tế bào Không có khả năng di động, một số loài có túi khí; tỷ lệ G+C là 48-58%

Gồm các chi: Chlorobium, Prosthecochloris, Pelodictyon, Ancalichliris,

Chloroherpeton

d) Vi khuẩn không lưu huỳnh màu lục (Green nonsulfur bacteria)

Thuộc nhóm này là các vi khuẩn đa bào, dạng sợi,thường kỵ khí không bắt buộc ,thường là quang dị dưỡng (photoheterotroph), có loài quang tự dưỡng hoặc hoá dị dưỡng Tế bào có chứa chlorophyll a và c, trong điều kiện kỵ khí thấy có chlorosom Để dùng làm nguồn cho điện tử (electron donors) trong quang dị dưỡng

là glucose, axit amin, axit hữu cơ; trong quang tự dưỡng là H2, H2S Di động bằng

Phạm Lê Phương MSHV: CB090728

22

phương thức trườn (gliding), tỷ lệ G+C là 53-55% Chi điển hình là Chloroflexus,

Chloronema

I.7.2 Chu trình lưu huỳnh trong môi trường tự nhiên của vi sinh vật

* Vòng tuần hoàn lưu huỳnh trong tự nhiên

Lưu huỳnh là một trong những chất dinh dưỡng nhất của cây trồng Trong đất lưu huỳnh thường ở dạng vô cơ (CaSO4, Na2S…) và ở dạng hữu cơ Trong cơ thể sinh vật, S nằm trong thành phần của các axit amin (metionin, xystein và trong nhiều loại enzyme quan trọng) Thực vật hút các hợp chất hữu cơ trong đất chủ yếu dạng SO42- và chuyển sang dạng S hữu cơ của tế bào Động vật và người sử dụng thực vật làm thức ăn cũng biến S của thực vật thành S của động vật và người Khi động thực vật chết đi để lại S hữu cơ trong đất, S hữu cơ sẽ chuyển hóa thành H2S

H2S và các hợp chất vô cơ khác bị oxy hóa bởi các vi sinh vật tự dưỡng thành S và

SO42- SO42- lại được thực vật hấp thụ, cứ thế vòng chuyển hóa cấc hợp chất lưu huỳnh diễn ra liên tục Trong đó các vi sinh vật đóng vai trò không thể thiếu được

Hình 1.4 Chu trình lưu huỳnh trong tự nhiên [9]

* Sự oxy hóa các hợp chất lưu huỳnh

- Sự oxy hóa các hợp chất do vi khuẩn tự dưỡng hóa năng

Phạm Lê Phương MSHV: CB090728

23

- Sự oxy hóa các hợp chất do vi khuẩn tự dưỡng quang năng

- Sự khử các hợp chất lưu huỳnh vô cơ do vi sinh vật

+ Sự oxy hóa các hợp chất hữu cơ do vi khuẩn tự dưỡng hóa năng

2H2S + O+ = 2H2O + 2S + Q

S + 3 O2 + 2H2O = 2 H2SO4 + Q

Axit sinh ra làm pH của đất giảm xuống Năng lượng sinh ra trong quá trình oxy hóa được các vi sinh vật đồng hóa CO2 tạo thành đường Một ít hợp chất hữu

cơ dạng lưu huỳnh được đồng hoá tạo thành S hữu cơ tế bào vi khuẩn (Thiobacillus

thiopaus, thiobacillus thioxidans) Ngoài ra vi khuẩn begiatra minima có thể oxy

hóa H2S tạo thành S tích lũy trong tế bào Trong điều kiện hiếu khí H2S các hạt S sẽ được oxy hóa đến khi S dự trữ hết thì các vi khuẩn chết hoặc ở trạng thái tiềm sinh [22]

+ Sự oxy hóa các hợp chất hữu cơ do vi khuẩn tự dưỡng quang năng

Một số vi khuẩn có khả năng oxy hóa H2S tạo thành SO42- H2S đóng vai trò

là chất cho điện tử trong quá trình quang hợp Các vi khuẩn họ thiodaceae

clorobacteriae thường oxy hóa H2S tạo thành C6H12O6, S, H2SO4 Ở nhóm vi khuẩn trên S được hình thành không tích lũy trong cơ thể mà ở ngoài môi trường

+ Sự khử các hợp chất S vô cơ do vi sinh vật

Đây là quá trình phản sulfat hóa Quá trình này được tiến hành kỵ khí, ở những tầng nước sâu

C6H12O6 + 3H2SO4 → 6CO2 + 3H2S + Q

Ở đây C6H12O6 đóng vai trò cung cấp hydro trong quá trình khử SO42- của

H2SO4 H2SO4 bị khử dần theo sơ đồ sau:

H2SO4 → H2SO3 → H2SO2 → H2SO → H2S Quá trình khử sulfat dẫn đến việc tích lũy H2S trong môi trường làm ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng đến đời sống của động vật và thực vật [22]

I.8.1 Phương pháp hóa học

I.8.1.1 Phương pháp kết tủa hóa học

Phương pháp này dựa trên phản ứng hoá học giữa BaCl2 đưa vào nước thải với gốc SO42- trong nước thải Ở độ pH thích hợp sẽ tạo thành hợp chất kết tủa và được tách ra khỏi nước thải bằng phương pháp lắng, lọc thông thường [6]

BaCl2 + SO42- → BaSO4↓ + 2Cl

-I.8.1.2 Phương pháp xử lý bằng ozon

Quy trình công nghệ bao gồm bơm đầu nguồn, thiết bị tiếp xúc ozon, bể phản ứng và lắng kết hợp, bơm trung gian và thiết bị lọc

Protein thực vật

+

S

Phạm Lê Phương MSHV: CB090728

25

Vì lưu huỳnh trong nước ngầm tồn tại dưới dạng H2S, một loại khí độc hại ảnh hưởng đến sức khỏa con người Do đó, nước ngầm tồn tại dưới dạng H2S, một loại khí độc hại ảnh hưởng đến sức khỏe con người Nước ngầm tiếp xúc ozon trong một thời gian nhất định sẽ bị oxy hóa thành khí SO2

Ozon là một tác nhân oxy hóa hàng đầu và là một chất cộng hợp lực mạnh dẫn tới nhiều ứng dụng đặc hiệu: thanh trùng triệt để (môi trường nước và khí), khử mùi, tẩy màu, phân hủy các muối (tan trong nước) thành dạng oxit kết tủa (không tan) tạo điều kiện thuận lợi cho việc lọc, lắng để loại dễ dàng Trong công nghệ hóa học nó giữ vai trò tối ưu trong các quá trình oxy hóa hoặc cộng hợp Nhưng điều quan trọng hơn cả là sau khi phản ứng (thanh trùng, khử mùi, tẩy màu…), lượng ozon dư sẽ dễ dàng chuyển sang oxy Cơ chế đó hoàn toàn không gây ô nhiễm môi sinh như khi sử dụng các hoạt chất hóa học khác [11]

I.8.2 Phương pháp sinh học

I.8.2.1 Sử dụng thực vật thủy sinh để xử lý lưu huỳnh trong nước thải

Phương pháp xử lý nước thải bằng rễ cây là phương pháp dựa trên việc tác dụng đồng thời của đất và cây, được GS TS Kathe Seidel nghiên cứu vào những năm 60 Ông đã nghiên cứu các thiết bị lọc nước bẩn bằng cây cối, trong đó cây cối phân huỷ các chất hữu cơ, tuy nhiên nó không thể đạt được năng suất lọc sạch cần thiết Sau đó, ông nhận biết được sự tác dụng đồng thời giữa rễ, cây và các vi sinh vật tập trung tại chỗ đất đó Đây là hệ sinh thái được liên kết với nhau theo nhiều lớp tầng Trong hệ sinh thái của đất được trồng cây và bị ngập nước, các vi sinh vật lấy đi các chất có thể phân huỷ vi sinh được trong nước thải, còn kim loại nặng đọng lại trong đất và một phần trong rễ cây [25]

Loại cây có nhiều ưu điểm nhất cho phương pháp này là lau sậy Các cây lau sậy có thể sống trong đất bùn Chúng tiếp nhận oxy của không khí không như các cây khác qua khe hở trong đất và rễ, mà có một cơ cấu chuyển oxy không khí ở bên trong thân cây cho tới tận rễ Quá trình này cũng hoạt động trong giai đoạn tạm ngừng sinh trưởng của cây Như vậy, rễ và toàn bộ cây lau sậy có thể sống được trong những điều kiện thời tiết khắc nghiệt nhất Oxy được rễ thải ra vào khu vực

Phạm Lê Phương MSHV: CB090728

26

quanh đó và được vi sinh vật sử dụng cho quá trình phân huỷ hoá học Việc tích luỹ oxy xung quanh rễ tạo nên các khu vực hiếu khí và yếm khí Vi sinh vật của đất phân huỷ các chất bẩn của nước thải trong các vùng hiếu khí và yếm khí Số lượng

vi khuẩn trong đất có thể nhiều như số vi khuẩn có trong các bể hiếu khí kỹ thuật, khoảng từ 10 đến 100 triệu vi khuẩn trên 1 gam đất, đồng thời sự phong phú về chủng loại vi khuẩn ở đây lớn hơn 10 đến 100 lần trong các bể hiếu khí kỹ thuật

Nguyên tắc thiết bị rễ cây thật đơn giản Nước thải được dẫn đến vùng đất có trồng cây lau sậy, được chống thấm tốt bằng tấm nhựa PPC Các vi sinh vật bắt đầu hoạt động phân huỷ các chất bẩn Thời gian hoạt động của thiết bị này vào khoảng

từ 30 năm đến 50 năm Ở các vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới có thể lên đến 75 năm

I.8.2.2 Xử lý lưu huỳnh trong điều kiện yếm khí

Đây là quá trình phản sulfat hóa Quá trình này được tiến hành kỵ khí Các vi khuẩn lưu huỳnh hô hấp yếm khí (vi khuẩn lưu huỳnh màu tía, vi khuẩn không lưu huỳnh màu tía, vi khuẩn lưu huỳnh màu lục, vi khuẩn không lưu huỳnh màu lục) trong điều kiện kỵ khí sẽ chuyển hóa các dạng hợp chất của lưu huỳnh theo sơ đồ sau:

• SO42- → SO32- → SO22- → SO2- → S

2-• Hợp chất hữu cơ → S

2-Trong phương pháp xử lý kỵ khí chất cung cấp hydro cho quá trình khử là

C6H12O6 [18, 22]

I.8.2.3 Xử lý lưu huỳnh trong điều kiệu hiếu khí

Trong phương pháp này, các vi khuẩn lưu huỳnh hô hấp hiếu khí trong điều kiện hiếu khí sẽ chuyển hóa các dạng hợp chất của lưu huỳnh theo sơ đồ sau:

• SO42- → S2- → SO32- → SO4

2-Thiobacillus thiopaus, thiobacillus thioxidans đồng hóa câc hợp chất hữu cơ

dạng lưu huỳnh tạo thành S hữu cơ trng tế bào vi khuẩn Vi khuẩn begiatra minima

oxy hóa H2S tạo thành S tích lũy trong tế bào Trong điều kiện hiếu khí H2S các hạt

S sẽ được oxy hóa đến khi S dự trữ hết thì các vi khuẩn chết hoặc ở trạng thái tiềm sinh

Phạm Lê Phương MSHV: CB090728

27

2H2S + O+ = 2H2O + 2S + Q

S + 3O2 + 2H2O = 2 H2SO4 + Q

Các vi khuẩn họ thiodaceae clorobacteriae thường oxy hóa H2S tạo thành

C6H12O6, S, H2SO4 Ở nhóm vi khuẩn này S được hình thành không tích lũy trong

cơ thể mà ở ngoài môi trường [18,22]

I.9 Tiêu chuẩn Việt Nam về nước thải sinh hoạt

Bảng 1.1 Tiêu chuẩn nước thải sinh hoạt - TCVN 6772 [8]

I.10 Tình hình xử lý lưu huỳnh trong nước thải

I.10.1 Trên thế giới

* Theo “The Journal of the American Leather Chemists Association ISSN 0002-9726”

Nước thải thuộc da có chứa nồng độ cao của các hợp chất lưu huỳnh Nghiên cứu khả thi của nhà máy thí điểm phục hồi lưu huỳnh đơn vị (SRU) tích hợp với hệ thống UASB Nó đã được tiến hành nghiên cứu hiệu suất loại bỏ sunfua đối với

Phạm Lê Phương MSHV: CB090728

28

nước thải thuộc da SRU bao gồm một số cột: cột hấp thụ, đơn vị tái sinh và tách lưu huỳnh Dải hiệu quả của khoảng 80-95 % trong việc loại bỏ sunfua đã đạt được cho một tải trọng sunfua là 1-4 kg/d tại pH= 7,5-8,5 Tại tải trọng sunfua của 10 kg/d sunfua loại bỏ hiệu quả của khoảng 65% đã được quan sát trong dải đơn vị Hiệu quả hấp thụ được hơn 99,8% trong suốt thời gian nghiên cứu Sự hiện diện của SRU cải thiện hiệu suất khử COD trong các lò phản ứng UASB Lưu huỳnh nguyên

tố được thu được như một sản phẩm phụ có ích Sulfate có trong nước thải được chuyển thành sunfua trong lò phản ứng UASB Các sunfua trong các hình thức giải thể là phân giải, hấp thu và chuyển thành nguyên tố lưu huỳnh trong SRU Bởi quá trình này, tổng chất rắn hòa tan (TDS) do sulfate 'trong nước thải cũng là giảm Khí sinh học được tạo ra có thể được sử dụng làm nhiên liệu sau khi loại bỏ các sunfua hydro trong hệ thống thu hồi lưu huỳnh

* Bằng sáng chế Hoa Kỳ 4154673 về “Phương pháp xử lý nước thải có chứa các hợp chất lưu huỳnh”

Xử lý nước cấp từ một bộ máy desulfurization ướt có chứa các ion thionic axit được đưa vào tháp trao đổi ion, nhựa trao đổi anion đã thực hiện trao đổi anion trong đó Nhựa trao đổi anion yếu đã hấp thụ ion thionic axit là desorbed bằng việc tiếp xúc với một dung dịch kiềm Ion thionic axit trong giải pháp desorbing được phân hủy bằng cách nung nóng chúng với sự có mặt của axit Đó là một giải pháp phân hủy được thực hiện trên hệ thống sau khi trung hòa nó [27]

* Bằng phát minh sáng chế ứng dụng của Mỹ 20030141243 về “Loại bỏ các hợp chất lưu huỳnh từ nước thải”

Quá trình này được thực hiện trong hai lò phản ứng riêng biệt kỵ khí Trong

lò phản ứng đầu tiên, hợp chất hữu cơ được chuyển đổi thành các hợp chất acid và các hợp chất lưu huỳnh được chuyển đổi thành các hợp chất sunfua Các hợp chất sunfua được loại ra từ lò phản ứng đầu tiên nói với một khí loại ra Sau đó, nước thải của các lò phản ứng đầu tiên là làm thức ăn cho một lò phản ứng kỵ khí thứ hai, trong đó các hợp chất hữu cơ, chẳng hạn như các hợp chất acid, được chuyển đổi để sản xuất khí sinh học, trong khi bất kỳ hợp chất lưu huỳnh không thể đảo ngược từ

Phạm Lê Phương MSHV: CB090728

29

bước trước được chuyển đổi thành các hợp chất sunfua là tốt Cuối cùng, các hợp chất sunfua được loại bỏ từ lò phản ứng thứ hai trong một hệ thống thải loại ra, và chuyển đổi thành lưu huỳnh nguyên tố bằng cách hấp thụ [21]

I.10.2 Tại Việt Nam

* Tại Hội thảo về công nghệ xử lý nước thải tổ chức ngày 12/12 tại Hà Nội, tiến sĩ Nobert Konemann (Đức) đã giới thiệu với các nhà khoa học và doanh nghiệp Việt Nam phương pháp xử lý nước thải bằng rễ cây Đây là phương pháp lọc nước bẩn dựa trên tác dụng đồng thời của đất và cây, chủ yếu là các loại lau sậy sống trong bùn "Thiết bị" rễ cây có thể lọc sạch nước thải có chứa lưu huỳnh và asen, ứng dụng được cả trong công nghiệp và sinh hoạt Phương pháp xử lý này có nhiều

ưu điểm, đơn giản và có lợi thế về kinh tế, phù hợp với điều kiện Việt Nam [25]

Hội thảo do Công ty Devitec và Viện khoa học Công nghệ và môi trường - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội phối hợp tổ chức

* Khảo sát khả năng khử hydrosunfua (H2S) trong nước thải bằng vi khuẩn của Tiến sĩ Đàm Sao Mai và công sự [4]

Tác giả đã phân lập được 3 chủng Thiobacillus có khả năng khử sunfua từ

nước thải kênh Nhiêu Lộc – Thị Nghè tại thành phố Hồ Chí Minh và tiến hành khảo sát khả năng khử sunfua của 3 chủng phân lập được

* Xử lý nước ngầm nhiễm lưu huỳnh bằng ozon

Giải pháp do Trung tâm Công nghệ mới ALFA – TP HCM vừa xây dựng thành công Hoàn toàn khác các phương pháp xử lý cổ điển trước nay, công nghệ này không sử dụng hóa chất, các loại axit H2SO4, HCl, không phụ thuộc vào giá trị

độ pH của nước ngầm, vận hành đơn giản, chi phí xử lý thấp [11]

Phạm Lê Phương MSHV: CB090728

30

PHẦN II VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP

II.1 Vật liệu

II.1.1 Đối tượng nghiên cứu

- Mẫu bùn hoạt tính được lấy ở sông Kim Ngưu, Yên Sở, Hà Nội dùng để phân lập vi sinh vật khử sunfua

- Mẫu nước thải lấy ở sông Kim Ngưu, Yên Sở, Hà Nội để kiểm tra các yếu tố đầu vào và dùng để nghiên cứu các quá trình xử lý sunfua tiếp theo

II.1.2 Hóa chất

Hóa chất thông dụng: Na2S2O3.5H2O, NaHCO3, Na2HPO4, NH4Cl, MgCl2.6H2O, (NH4)2SO4, K2HPO4, MgSO4.7H2O, KCl, Ca(NO3)2, FeSO4.7H2O, và một số hóa chất khác có xuất xứ từ Trung Quốc

II.1.3 Máy móc thiết bị

- Máy đo pH Mettler Toledo (Anh)

- Cân phân tích Sartorius (Thụy Điển)

- Tủ nuôi cấy điều chỉnh nhiệt độ Sanyo (Nhật Bản)

- Tủ sấy Việt Nam

- Các dụng cụ vi sinh và hoá sinh thông dụng khác…

II.2 Môi trường [19]

II.2.1 Môi trường phân lập và nuôi cấy vi sinh vật

* Điều chỉnh pH bằng dung dịch NaOH 5N

Môi trường được hấp tiệt trùng ở 121°C trong 15 phút,

pH = 9.5 ± 0.2

* Môi trường lỏng có các thành phần tương tự nhưng không có thạch

* Môi trường trung tính (Beijrick Medium, pH = 7.4)

* Môi trường lỏng có các thành phần tương tự nhưng không có thạch

* Môi trường axit

II.2.2 Môi trường tuyển chọn chủng vi khuẩn có khả năng khử sunfua

Môi trường trung tính lỏng và môi trường trung tính đặc

II.2.3 Môi trường xác định khả năng khử sunfua của vi sinh vật

* MT1: Môi trường trung tính + 0.5% pepton

* MT2: Môi trường trung tính + dung dịch H2S