Bước đầu thử nghiệm khả năng xử lý dầu thô ở phòng thí nghiệm của các chủng vi khuẩn phân lập từ biển cần giờ

Xử lý dầu tràn bằng các chủng vi sinh vật giúp làm sạch dầu trên biển và giúp chúng ta hiểu hơn về quá trình chuyển hóa của các thành phần dầu và... Các chế phẩm này sau khi thu gom phải

Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ SINH HỌC

Giảng viên hướng dẫn : CN Nguyễn Hoàng Mỹ Sinh viên thực hiện : Tống Khánh Tuyền MSSV: 107111215 Lớp: 07DSH2

TP Hồ Chí Minh, 2011

CHƯƠNG MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Từ khi được phát hiện cho đến nay, dầu thô đã và đang là nguồn nguyên liệu vô cùng quý giá của mỗi quốc gia nói riêng và toàn thế giới nói chung Ngay nay dầu thô và các sản phẩm của dầu thô được khai thác và sử dụng với khối lượng ngày càng tăng Dầu thô đang có mặt trong hầu hết các lĩnh vực đời sống sinh hoạt hàng ngày của con người cũng như trong hoạt động công – nông nghiệp

Bên cạnh ưu điểm về kinh tế và xã hội, các sản phẩm dầu thô là mối đe dọa ô nhiễm môi trường Những yếu tố khách quan và chủ quan khi khai thác

và sử dụng dầu đều có thể gây nên hiểm họa cho môi trường sinh thái Có rất nhiều vụ tràn dầu trên sông, biển đã xảy ra trên toàn thế giới và để lại hậu quả đáng lo ngại Đó là chưa kể đến việc khai thác dầu ở thềm lục địa và việc rửa tàu chuyên chở dầu vô ý thức đã và đang gây nên ảnh hưởng nghiêm trọng đến các hệ sinh thái Ở Việt Nam trong vòng 10 năm qua đã có hơn 50 vụ tràn dầu lớn nhỏ, thiệt hại không kiểm soát được Chính vì thế việc nghiên cứu tìm cách phòng ngừa ô nhiễm dầu và đưa ra các chính sách bảo vệ môi trường nói chung, ô nhiễm dầu gây ra nói riêng đã trở nên hết sức cấp thiết

Hiện nay có nhiều phương pháp khắc phục các sự cố tràn dầu trên biển như: phương pháp cơ học, phương pháp hóa học, phương pháp sinh học Nhưng các biện pháp cơ học và hóa học sử dụng các thiết bị tách dầu hiện đại nhất hiện nay cũng không loại bỏ được các thành phần độc của dầu

Trong khi đó phương pháp sinh học là một trong các phương pháp làm sạch ô nhiễm dầu có tính ưu việt nhất với giá thành rẻ, không gây ô nhiễm về sau Xử lý dầu tràn bằng các chủng vi sinh vật giúp làm sạch dầu trên biển và giúp chúng ta hiểu hơn về quá trình chuyển hóa của các thành phần dầu và

qua đó có thể điều khiển quá trình phân hủy sinh học dễ dàng hơn nhằm làm tăng hiệu quả xử lý

Góp phần trong công tác ứng cứu tràn dầu trên biển và làm sạch dầu trong quá trình khai thác và vận chuyển đặc biệt là tại Việt Nam, tôi tiến hành nghiên cứu đề tài: „„Bước đầu thử nghiệm khả năng xử lý dầu thô ở quy mô phòng thí nghiệm của các chủng vi khuẩn phân lập từ biển Cần Giờ”

2 Tình hình nghiên cứu

 Nghiên cứu ở Việt Nam

Năm 2003, tác giả Lại Thúy Hiền nghiên cứu về chất hoạt động bề mặt sinh học do vi sinh vật tạo ra, ứng dụng trong công nghệ dầu khí cả xử lý môi

trường Kết quả phân lập được 4 chủng vi sinh vật Pseudomonas pesudomatei, Pseudomonas aeruginosa, Cryptococcus terreus và Candida guiller có khả năng sinh ra các chất hoạt động bề mặt có hoạt tính cao, tác

dụng làm tăng quá trình phân hủy dầu tổng Kết quả 67% lượng dầu tràn, thúc đẩy nhanh quá trình xử lý ô nhiễm dầu [7]

Đề tài cấp nhà nước số KHCN 02 – 12 “Nghiên cứu và làm sạch dầu bằng phương pháp phân hủy dầu mỏ bằng phương pháp phân hủy sinh học”

do tiến sỹ Đặng Thị Cẩm Hà chủ trì cùng đồng nghiệp tiến hành từ năm 1999 – 2000, đã được hội đồng nghiệm thu nhà nước đánh giá đạt loại xuất sắc Thành quả đạt được của đề tài là chế phẩm cung cấp cho quá trình xử lý dầu ô nhiễm ở các môi trường sinh thái khác nhau và xây dựng quy trình xử lý ô nhiễm dầu ở môi trường nước [1]

Viện Công nghệ sinh học đã sản xuất và đưa vào sử dụng hiện nay gồm Oicleanser 1, Oicleanser 2, Oicleanser 3 Các chế phẩm sinh học, các chất vi lượng đã được sản xuất và đáp ứng yêu cầu xử lý các loại hình ô nhiễm dầu ở các điều kiện sinh thái khác nhau [1]

 Nghiên cứu trên thế giới

Các nhà khoa học ở California đã có một cải tiến quan trọng trong kỹ thuật làm sạch dầu loang ở biển, hồ và những khu vực lưu thông đường thủy,

đó là máy lọc dầu cải tiến Đây là thiết bị chủ yếu thu hồi dầu loang trên biển, đối với một khu vực có bề mặt dầu loang rộng lớn, thiết bị có nhiều rãnh này

sẽ thu được nhiều dầu hơn thiết bị hớt váng dầu thông thường với bề mặt phẳng, thiết bị này thu gom gần như 100% dầu bám dính trên mặt thiết bị

Nhóm nghiên cứu thuộc Viên Công Nghệ Massaachusetts (MIT) ở Mỹ

đã nghiên cứu ra một loại bọt biển nano có thể hút dầu loang khởi mặt nước Loại bọt biển này là một tấm lưới gồm những sợi nano bằng oxit mangan có đường kính khoảng 20 nano mét đan nối với nhau, thiết bị còn được phủ lên một lớp silicon trên lưới đã giúp nó không thấm nước Do có nhiều lỗ thông khí, lưới nano hoạt động như một miếng bọt biển, có thể hút được lượng dầu gấp 20 lần trọng lượng của nó Với bề mặt không thấm nước, bọt biển này chỉ hút những chất không tan trong nước như dầu, bọt biển này chỉ hút những chất không tan trong nước hầu như dầu, bọt biển nano còn có thể đẩy ra gần như 100% nước

Hiện nay trên thị trường thế giới có rất nhiều chế phẩm cung cấp cho quá trình xử lý dầu tràn Một số chế phẩm làm từ bông phế thải, chỉ có tính chất thu hồi dầu ở trên sàn dính dầu và không có khả năng phân hủy dầu Các chế phẩm này sau khi thu gom phải xử lý tiếp, hoặc đốt ở nhiệt độ cao

loại vật liệu thấm dầu có kết hợp phân hủy vi sinh vật của các nước tiên tiến như: Enretech (Mỹ), Non – Oil (Anh), Spill – Sorb (Canada),…[12][14]

3 Mục đích nghiên cứu

Xác định khả năng xử lý của các chủng vi sinh vật phân lập có khả năng phân hủy dầu trên mẫu nước biển nhiễm dầu ở quy mô phòng thí nghiệm

4 Nhiệm vụ nghiên cứu

Xây dựng sơ đồ bố trí thí nghiệm xử lý

Xây dựng khả năng phân hủy dầu của các chủng vi sinh vật

Đánh giá tiềm năng ứng dụng của các chủng vi sinh vật trên thực tế

5 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp thu thập tài liệu

Phương pháp xác định vi sinh vật

Phương pháp thử nghiệm khả năng phân hủy dầu của các vi sinh vật

6 Các kết quả đạt được của đề tài

Tuyển chọn các chuẩn vi sinh khuẩn có khả năng phân hủy dầu từ nguồn nước nhiễm dầu

Đánh giá được một số vi khuẩn có khả năng phân hủy dầu mạnh làm cơ

sở cho việc sử dụng hợp lý, hiệu quả các nguồn mẫu vi sinh vật tại chỗ nhằm nâng cao hiệu quả xử lý

như chỉ chứa các hydrocarbon, thuộc gốc alkane, thành phần rất đa dạng

Hiện nay 88% dầu thô chủ yếu dùng để sản xuất dầu hỏa, diezen và xăng nhiên liệu, 12% dầu thô cũng là nguồn nguyên liệu chủ yếu để sản xuất

ra các sản phẩm của các ngành hóa dầu như dung môi, phân hóa học, nhựa, thuốc trừ sâu, nhựa đường…

Đây là nguồn năng lượng không tái tạo, được hình thành từ xa xưa bằng những phản ứng phức tạp xảy ra dưới điều kiện áp suất và nhiệt độ ở độ sâu nhất định, cùng với các vận động địa chất [2]

1.1.2 Thành phần – tính chất hóa học

Một cách tổng quát thì thành phần hóa học của dầu thô được chia làm thành hai thành phần chính:

Các hợp chất hydrocarbon (HC): là hợp chất mà trong thành phần của

nó chỉ chứa hai nguyên tố là carbon và hydro

Các hợp chất phi hydrocarbon: là các hợp chất mà trong thành phần của

nó ngoài carbon, hydro còn chứa thêm các nguyên tố khác như nitơ, lưu huỳnh, oxy…

Ngoài HC trong dầu thô còn có các thành phần khác như: các chất nhựa, asphanten, và các kim loại nặng

Trong dầu thô, hàm lượng HC là thành phần chủ yếu Đây cũng là yếu

tố quyết định loại sản phẩm và hiệu suất trong quá trình sản xuất các sản

lớn nhưng hầu hết là các hợp chất có hại Vì vậy trong quá trình chế biến ra các sản phẩm cần phải loại bỏ các thành phần trong hợp chất phi HC [2][10]

1.1.2.1 Các hợp chất hydrocarbon của dầu

Trong dầu thô có tới hàng trăm loại hydrocarbon khác nhau ở tính bay hơi, tính hòa tan, tính hấp thụ đại diện cho nhiều loại cấu trúc hóa học riêng biệt HC được chia làm 3 loại:

 Các hợp chất parafin

Parafin là loại HC rất phổ biến trong các loại HC của dầu thô Tùy theo cấu trúc mà parafin được chia 2 loại đó là: parafin mạch thẳng không nhánh (n-parafin) và parafin có nhánh (iso-parafin)

N-parafin là loại hydrocarbon dễ tách và dễ xác định nhất trong số các loại hydrocarbon của dầu thô, cho nên hiện nay với việc sử dụng phương pháp sắc ký kết hợp với rây phân tử để tách n-parafin, đã xác định được tất cả các n-parafin từ C1 đến C45 Hàm lượng chung các n-parafin trong dầu thường chiếm 25 – 30% thể tích Tùy theo dầu được tạo thành từ những thời

kỳ địa chất nào, mà sự phân bố các n-parafin trong dầu sẽ khác nhau Sự phân

bố này tuân theo quy tắc sau: tuổi càng cao, độ sâu lún chìm càng lớn, thì hàm lượng n-parafin trong dầu càng nhiều

I-parafin trong dầu thô có cấu trúc đơn giản, mạch chính dài, mạch phụ

ít và ngắn Các nhánh phụ thường là các gốc mêtyl, đối với các iso-parafin một nhánh phụ thì thường dính vào vị trí carbon số 2 hoặc số 3 [2][10]

 Các hợp chất vòng no hay các hợp chất naphten

Naphten là các hợp chất vòng no, đây là một trong số các hydrocarbon phổ biến và quan trọng của dầu thô Hàm lượng của chúng trong dầu thô có thể thay đổi từ 30 – 60% trọng lượng Naphten của dầu thô thường gặp dưới 3 dạng chính: loại vòng 5 cạnh, loại vòng 6 cạnh hoặc loại vòng ngưng tự hoặc qua cầu nối còn những loại vòng 7 cạnh trở lên thường rất ít không đáng kể

Bằng phương pháp phân tích quang phổ khối cho biết số vòng của naphten có thể lên đến 10 - 12 có nhiệt độ sôi rất cao

 Các hydrocarbon thơm hay aromatic

Các hydrocarbon thơm là hợp chất hydrocarbon mà trong phân tử của chúng có chứa ít nhất một nhân thơm Trong dầu thô có chứa cả loại một hoặc nhiều vòng Hàm lượng của chúng chiếm khoảng 10 – 20%

Hiện nay có hơn 425 loại hydrocarbon trong dầu thô với số carbon từ C5 đến C60, tương ứng với trọng lượng phân tử từ 855 đvC đến 880 đvC Bằng những phương pháp hiện đại đã xác định được một số hydrocarbon có trong dầu thô (Bảng 2.1) [2][10]

1.1.2.2 Các hợp chất phi hydrocarbon

Là những hợp chất hữu cơ mà trong phân tử của nó ngoài carbon, hydro còn chứa oxy, nitơ, lưu huỳnh

 Hợp chất lưu huỳnh trong dầu thô

Đây là loại hợp chất phổ biến nhất và cũng đáng chú ý nhất trong số các hợp chất không thuộc loại hydrocarbon của dầu thô

Những loại dầu thô ít lưu huỳnh thường có hàm lượng lưu huỳnh không quá 0,3 – 0,5% Nhưng loại dầu thô nhiều lưu huỳnh thường 1 – 2%

Bảng 2.1: Một số hydrocarbon đã xác định trong dầu thô

đẳng

Số nguyên tử trong phân tử

C5 – C12 C8 – C12 C10 – C13 C14 – C30 C14 – C30

C6 – C11 C9 – C12 C10 – C16 C12 – C15 C14 – C16 C15 – C16 C16 – C18

6

Hydrocarbon hổn hợp naphten – thơm ( loại indan & tetralin)

(Nguồn: Báo cáo chuyên đề CNSH-MT, trường đại học Nông Lâm Tp.HCM)

Hiện nay trong dầu thô đã xác định được 250 loại hợp chất của lưu huỳnh Một số hợp chất của lưu huỳnh:

Mercaptan: R-S-H

Sunfua: R-S-R‟

Đisunfua:

 Hợp chất của nitơ trong dầu thô

Các hợp chất của nitơ đại bộ phận điều nằm trong phân đoạn có nhiệt

độ sôi cao của dầu thô Ở các phân đoạn nhẹ, các hợp chất chứa nitơ chỉ thấy dưới dạng vết

Hợp chất chứa nitơ có trong dầu thô không thấm nhiều lắm, hàm lượng nguyên tố nitơ chỉ từ 0,01 đến 1% Trong cấu trúc phân tử của nó có thể có loại chứa một nguyên tử nitơ, hay loại chứa 2, 3 thậm chí 4 nguyên tử nitơ

Những hợp chất chứa một nguyên tử nitơ được nghiên cứu nhiều, chúng thường mang tính bazơ như pyridin, quinolin, iso quinolin, acrylin hoặc có tính chất trung tính như các vòng pyrol, indol, cacbazol, benzocacbazol Những hợp chất chứa 2 nguyên tử nitơ trở lên thường có rất

ít, chúng thường ở dạng Indolquinolin, Indolcacbazol và porfirin [2][10]

 Hợp chất của oxy trong dầu thô

Là các hợp chất chứa oxy thường có dưới dạng các axit (-COOH),

Trong số các chất chứa oxy thì ở dạng axit là quan trọng nhất Các axit trong hầu hết là các axit một chức Trong các phân đoạn có nhiệt độ sôi thấp của dầu thô các axit hầu như không có Axit chứa nhiều nhất ở phân đoạn có nhiệt độ sôi trung bình của dầu thô (C20 – C23) các axit có gốc là vòng naphten nên chúng được gọi là các axit Naphtenic Phân đoạn có nhiệt độ sôi cao hơn thì hàm lượng các axit lại giảm đi

Các phenol trong dầu thô thường gặp là phenol và các đồng đẳng của

nó Hàm lượng phenol nói chung chỉ khoảng 0,1 – 0,2% Các xêtôn mạch thẳng C2 – C5 tìm thấy trong dầu, nhiệt độ sôi cao thì có xêtôn vòng [2][10]

1.1.2.3 Các thành phần khác

Kim loại có trong dầu thô chiếm từ vài phần triệu đến vài phần vạn, thường ở các phân đoạn có nhiệt độ sôi cao dưới dạng phức với các hợp chất hữu cơ (cơ – kim), thông thường là dạng phức với các chất hữu cơ khác trong dầu thô, dạng phức với porphirin thường có số lượng ít hơn

Những kim loại nằm trong phức porphirin thường là các Niken (Ni) và Vanidi (Va) Trong những loại dầu thô nhiều lưu huỳnh chứa nhiều porphinrin dưới dạng phức với Vanidi, ngược lại trong dầu ít lưu huỳnh, đặt biệt chứa nhiều nitơ thì thường chứa nhiều porphirin dưới dạng phức Niken Trong dầu chứa nhiều lưu huỳnh tỷ lệ Va/Ni > 1 (310 lần), dầu chứa ít lưu huỳnh tỷ lệ Va/Ni < 1 (0,1) Ngoài Va và Ni còn có thể có Fe, Cu, Zn, Ti, Ca, Mn… Số lượng các phức kim loại này thường rất ít so với các phức Va và Ni Ngoài pophirin còn có những vòng thơm hoặc naphten ngưng tụ Loại phức này tuy chiếm phần lớn, nhưng vẫn chưa nghiên cứu được đầy đủ

Bên cạnh các kim loại trong dầu thô thì có các chất nhựa và asphalten của dầu thô là những chất mà trong cấu trúc phân tử của nó ngoài C và H còn

có đồng thời các nguyên tố khác như: S, O, N

Asphalten có màu nâu sẫm hoặc đen dưới dạng bột rắn thù hình, đun nóng cũng không chảy mềm, chỉ có bị phân hủy nếu nhiệt độ đun sôi cao hơn

đổi trong phạm vi rộng từ 1000 đvC tới 10000 đvC hoặc cao hơn Asphalten không hòa tan trong rượu, trong xăng nhẹ, nhưng có thể hòa tan trong

thực ra chỉ là quá trình trương trong để hình thành nên dịch keo

Các chất nhựa, nếu tách ra khỏi dầu thô chúng sẽ là những chất lỏng đặt quánh, đôi khi ở trạng thái rắn Chúng có màu sẫm vàng hoặc nâu, tỷ trọng lớn hơn 1, trọng lượng phân tử từ 500 đvC đến 2000 đvC Nhựa hòa tan được hoàn toàn trong các loại dầu nhờn của dầu thô, xăng nhẹ, cũng như trong benzen, chloroform, etse Khác với asphalten, nhựa khi hòa tan trong các dung môi trên chúng tạo thành dung dịch thực [2][10]

1.1.3 Khái thác và vận chuyển dầu

Khai thác dầu khí ở Việt Nam đứng hàng thứ tư Đông Nam Á, sau Malysia, Indonesia và Philippine, đứng hàng thứ 44 trong danh sách các nước sản xuất dầu trên thế giới

Các mỏ đã đưa vào khai thác: Tiền Hải C, Đông Quan D, D14 (bể Sông Hồng); Bạch Hổ, Rồng, Rạng Đông, Phương Đông, Ruby, Sư Tử Đen, Sư Tử Vàng, Cá Ngừ Vàng (bể Cửu Long); Đại Hùng, Lan Tây, Rồng Đôi, Rồng Đôi Tây (bể Nam Côn Sơn); Cái Nước, Sông Đốc (bể Malay - Thổ chu)

Trong những năm gần đây sản lượng dầu hiện đang giảm mạnh, nhất là các mỏ đã được khai thác từ trước như: Bạch Hổ, Sư Tử Đen,…(Bảng 1.2)

Bảng 1.2: Sản lượng khai thác dầu ở Việt Nam (triệu tấn/năm)

Các mỏ chuẩn bị đưa vào khai thác: Bạch Hổ 19, Trung tâm và Nam trung tâm Rồng, Sư Tử Trắng, Hải Sư Trắng, Hải Sư Đen, Thăng Long, Đông

Đô, Topaz, Pearl, Diamond (bể Cửu Long); Hải Thạch, Mộc Tinh, Lan Đỏ, Thiên Ưng, Mãng Cầu (bể Nam Côn Sơn); Hoa Mai, cụm mỏ Rạch Tàu - Phú Tân - Khánh Mỹ, Kim Long (bể Malay - Thổ Chu)

Bên cạnh Tập đoàn dầu khí Việt Nam đã và đang triển khai thành công các hoạt động tìm kiếm, thăm dò khai thác dầu thô ở nước ngoài Hiện nay đã tham gia đầu tư vào 13 dự án ở: Cuba, Lào, Campuchia, Indonesia…

Trong giai đoạn từ năm 2011 – 2015, Petro Việt Nam là tập đoàn dầu khí lớn ở Việt Nam đã đầu tư vào 25 dự án thăm dò khai thác và phát triển dầu khí với mức đầu tư 2.35 tỷ USD tại Nga, Venezuela và các nước Châu

Mỹ Latin, Bắc Phi…

Muốn khai thác dầu thô, người ta khoan những lỗ khoan gọi là giếng dầu Khi khoan trúng lớp dầu mỏng, dầu sẽ tự phun lên do áp suất cao của khí

dầu Khi lượng dầu giảm thì áp suất khí cũng giảm, người ta phải dùng bơm hút dầu lên hoặc bơm nước xuống để đẩy dầu lên [11][13]

1.2 Tổng quan về vi sinh vật phân hủy dầu

1.2.1 Sự phân bố

Các vi sinh vật có khả năng phân hủy hydrocarbon thô và các hợp chất liên quan xuất hiện khắp nơi, trong môi trường nước biển, nước ngọt và đất Cho đến nay, người ta đã xác định hơn 200 loài vi khuẩn, và nấm có khả năng phân hủy được các hydrocarbon

Trong môi trường biển vi khuẩn là nhóm phân hủy hydrocarbon ưu thế

và phân bố trong cả vùng cực lạnh Còn trong nước ngọt, nấm đóng vai trò quan trọng trong việc phân hủy dầu

Số lượng và thành phần vi sinh vật không đồng đều ở những khu vực khác nhau ở những độ sâu khác nhau tùy theo điều kiện môi trường cụ thể Những môi trường có chứa nhiều chất hữu cơ, số lượng và thành phần vi sinh vật phát triển mạnh Ngược lại, những khu vực nghèo chất hữu cơ, số lượng

20cm, số lượng và thành phần vi sinh vật tập chung nhiều ở độ sâu này, độ

ẩm vừa thích hợp (50% - 90%), các chất dinh dưỡng lại tích lũy nhiều, không

bị tác dụng của chiếu sáng nên vi sinh vật phát triển nhanh Các quá trình chuyển hóa quan trọng trong đất chủ yếu xảy ra ở độ sâu này Số lượng và thành phần vi sinh vật giảm ở độ sâu trên 30cm, vi sinh vật có độ sâu này thường là nhóm yếm khí, đồng thời có khả năng chịu được áp suất lớn Ở lớp

lượng và thành phần vi sinh vật phân hủy dầu trong đất còn giảm mạnh ở những nơi có nhiều đá cuội, cát, sỏi làm cho số lượng và thành phần vi sinh vật ít hơn [6][8][12]

1.2.2 Các nhóm vi sinh vật phân hủy dầu

1.2.2.1 Vi sinh vật phân hủy hydrocarbon

Năm 1897, Miyoshi công bố rằng Isotrytis Cinevea có khả năng phân

hủy paraffin Năm 1906, Rahn nghiên cứu sự phân giải paraffin của nấm mốc Bắt đầu từ đó mà có hàng loạt các nghiên cứu cho thấy rất nhiều loài vi sinh vật có khả năng phân hủy dầu ở bảng 1.3 [12]

1.2.2.2 Cơ chế phân hủy hydrocarbon

Vi sinh vật sử dụng hydrocarbon làm nguồn dinh dưỡng và năng lượng cho sự sinh trưởng và phát triển Việc sử dụng các hydrocarbon của vi sinh vật có thể xảy ra theo hai hướng

Với một số hydrocarbon tan trong nước, vi sinh vật có thể hấp thụ trực tiếp Với các hydrocarbon khó tan mà có thể tan dưới dạng nhũ tương dầu – nước thì quá trình phân hủy vi sinh vật theo trình tự các bước: đầu tiên là hòa tan các hydrocarbon dưới dạng nhũ tương dầu nước bằng cách tiết ra các chất hoạt hóa bề mặt sinh học, sau đó vi sinh vật tiếp xúc với dầu, cuối cùng nó tiết

ra các enzyme để chuyển hóa các hydrocarbon thành các chất mà nó có thể sử dụng được [6]

 Cơ chế phân hủy hydrocarbon

Khả năng phân hủy của các ankan phụ thuộc vào cấu trúc phân tử của chúng Thông thường các hydrocarbon bậc 1 và bậc 2 dễ phân hủy hơn các hydrocarbon bậc 3 và 4

Bảng 1.3: Những vi sinh vật phân hủy hydrocarbon trong dầu

Candida lipolyticu

Mycobacterium Lacticotum M.Rubum Vas propanicum M.Flavum Vas Math Nicum Fseudomonas Aerygimosa

Candida Intermetia

C Lipolytica Candida albicans

 Cơ chế phân hủy n-ankan:

Quá trình phân hủy ankan nhờ vào enzyme mono-oxygenaza và oxygenaza, đòi hỏi có sự tham gia của một phân tử oxy và chất cho điện tử

 Các giai đoạn oxy hóa ankan:

Giai đoạn 1: Tạo thành rượu, xảy ra qua 2 bước

Tạo thành hợp chất peoxyt

và nước:

Từ ankan chuyển thành rượu có hai khả năng xảy ra:

Tạo thành rượu bậc 1: xảy ra khi nhóm OH gắn vào C bậc 1 (2)

Tạo thành rược bậc 2: khi nhóm OH gắn với C bậc 2

OH Giai đoạn 2:

Rượu bậc 1 tạo thành andehit:

Rượu bậc 2 tạo thành xeton:

Giai đoạn 3: tạo thành axit béo

Các xeton bị oxy hóa thành ester, liên kết ester bị phá vỡ tạo ra một axit

và rược bậc một, rược bậc 1 lại bị oxy hóa thành andehit rồi bị oxy thành axit béo

R- CH2 - C- CH3  R - CH2 - O - C - CH3  R- CH2 - OH + CH3 - COOH

Các andehit bị oxy hóa bằng axit béo:

Các trường hợp sự oxy hóa xảy ra ở cả hai đầu của ankan tạo thành các diol, các dicacbonxylie

Giai đoạn 4: Các axit béo bị oxy hóa tiếp nhờ quá trình oxy hóa

Axit béo mạch dài dưới tác dụng của một loải enzyme chuyển sang dạng acety coenzyme A và chuyển hóa tiếp dưới tác dụng của nhiều enzyme khác Kết quả là sau mỗi chu kì chuyển hóa, một nhóm acetyl CoA bị cắt ra

và phân tử axit béo bị cắt đi hai nguyên tử carbon Sản phẩm cuối cùng của

 Cơ chế phân hủy các ankan mạch nhánh

Do cản trở về mặt không gian nên khả năng phân hủy ưu tiên C bậc 1

và bậc 2, còn C bậc 3 và 4 thì khó phân hủy hơn

Ankan là nhóm metyl ở đầu mạch khó phân hủy hơn ở giữa mạch Ankan có mạch dài dễ bị phân hủy hơn ankan có mạch nhánh ngắn Trong quá trình sự phân hủy các ankan mạch nhánh, người ta đề xuất biến dạng của chu trình Metylcitrat, thay vào vị trí của axit citric và metylcitrat

 Cơ chế phân hủy các cycloankan

Cycloankan là cấu tử chính của dầu thô sự phân hủy cycloankan cũng

là cá enzyme monooxygenaza và oxygennaza Dưới tác dụng của các enzyme này, các cyloankan bị phân hủy thành các cycloankanol Khả năng phân hủy của cyclohexan là mạnh nhất trong dãy đồng đẳng cyloankan Cùng vòng cycloankan chất nào có mạch nhánh dài hơn thì sẽ dễ phân hủy hơn

Khi phân hủy cyclohexan, quá trình hydroxyl hóa được xúc tác bởi enzyme oxydaza chức năng tạo ra một rượu mạch vòng Rượu mạch vòng sẽ

bị dehydro hóa để tạo ra xeton, xeton bị oxy hóa tiếp thành lacton Lacton sẽ

bị thủy phân, nhóm hydroxyl bị oxy hóa thành một nhóm andehit và một nhóm carboxyl Kết quả là axit dicacboxylic bị biến đổi tiếp nhờ chu trình oxy hóa

Các vi sinh vật có khả năng phát triển trên cyclohexan phải thực hiện tất cả các phản ứng trên Tuy nhiên ta thường gặp các vi sinh vật có khả năng chuyển cyclohexan thành rượu mạch vòng nhưng không có khả năng lacton hóa và mở mạch vòng Do vậy cơ chế cộng sinh và trao đổi chất (co-metabolism) đóng một vai trò rất quan trọng trong phân hủy sinh học các hợp hydrocarbon mạch vòng [6]

 Cơ chế phân hủy hydrocarbon thơm

Cũng có trường hợp xúc tác để oxy hóa naphtanen là enzyme monooxygenaza và cuối cùng cho ra cis-1,2 - dihydroxyl 1,2- dihydronaphtalen Nấm mốc là nhóm vi sinh vật chiếm ưu thế về chủng loại

có khả năng phân hủy naphtalen

Như vậy, naphtalen dần dần sẽ chuyển hóa thành phân tử có khối lượng

bé hơn nhờ vi sinh vật làm cho độ nhớt của dầu sẽ giảm đi [8]

Các CHĐBMSH thường tiết ra bên ngoài tế bào như các chất glucolipid, axit béo, photpholipid, polysacarit lipid, lipopetic-lipoprotein, hay chính bản thân bề mặt tế bào vi sinh vật Ngoài đặc tính làm giảm sức căng bề mặt nó còn có đặt tính kháng sinh như chất gramicidin S hay polymicin

Các CHĐBMSH được tạo ra cả ở trên các cơ chất không tan trong nước lẫn tan trong nước lẫn tan trong nước Nó được tạo ra do phản ứng thích nghi với môi trường không thuận lợi, độc hại và có xu hướng tạo ra nhiều trên các cơ chất không hòa tan trong nước

Các CHĐBMSH do các gen trên nhiễm sắc thể lẫn các gen ở plasmid tổng hợp và điều khiển Các gen này dễ mất đi chức năng qua một thời gian dài do bị đột biến và chọn lọc nếu gặp môi trường không thuận lợi cho chúng biểu hiện Điều này giải thích vì sao chúng ta bắt gặp các loài có khả năng sử dụng dầu ở cả những nơi không bị ô nhiễm dầu và khi đó hoạt tính tạo CHĐBMSH rất thấp Các CHĐBMSH tạo ra trong suốt quá trình phát triển của vi sinh vật, sản lượng và hoạt tính về sau có thể bị giảm do môi trường

hết nguồn cơ chất dinh dưỡng, vi sinh vật sử dụng chúng làm nguồn thức ăn hay các vi sinh vật chết đi [7][9][12]

1.4 Tổng quan về dầu tràn

1.4.1 Định nghĩa

Dầu tràn là việc phát tán một lượng lớn xăng dầu hydrocarbon vào môi trường do các hoạt động của con người, là một hình thức gây ô nhiễm Thuật ngữ này thường được dùng để chỉ dầu được phát tán vào đại dương hoặc vùng nước ven biển Dầu có thể là một loạt các chất khác nhau, bao gồm cả dầu thô, các sản phẩm dầu tinh chế (như xăng hoặc nhiên liệu diesel), dầu nhờn hoặc dầu trộn lẫn trong chất thải…

Số lượng dầu tràn ra ngoài tự nhiên khoảng vài trăm lít trở lên có thể coi là sự cố tràn dầu hay gọi là thủy triều đen

1.4.2 Nguyên nhân tràn dầu

Gồm có 3 nguyên nhân chính:

Thứ nhất, trên mặt biển Rò rỉ từ các tàu thuyền hoạt động ngoài biển: chiếm 50% nguồn ô nhiễm dầu trên biển Do tàu chở dầu trong vùng ảnh hưởng bị sự cố ngoài ý muốn hoặc sự cố ý súc rửa, xả dầu xuống biển…

Thứ hai, trong lòng biển Do rò rỉ các ống dẫn dầu, các bể chứa dầu… Thứ ba, dưới đáy biển Do khoan thăm dò, khoan khai thác, túi dầu bị rách do địa chấn hay do nguyên nhân khác… Trong tự nhiên có những túi dầu nằm rất sâu dưới đáy biển nên việc khoan dò gặp nhiều khó khăn Mặt khác rất nhiều vi sinh vật yếm khí khả năng sản xuất axit làm bào mòn các lớp trầm tích nằm phía trong hoặc ngoài các túi dầu, làm cho các túi dầu bị phá hủy tràn ra ngoài

Ngoài các nguyên nhân khách quan nói trên còn phải nói đến các nguyên nhân chủ quan do hành động thiếu ý thức của con người đã trực tiếp hay gián tiếp khiến dầu tràn ra biển Các tàu thuyền không đảm bảo chất

lượng lưu hành trên biển là nguyên nhân chính dẫn tới rò rĩ dầu từ các tàu thuyền (tàu của ngư dân và các tàu trở dầu), đắm tàu do va vào đá ngầm Các

cơ sở hạ tầng phục vụ khai thác và lưu trữ dầu khí không đảm bảo tiêu chuẩn nên dẫn tới tràn dầu, thậm chí các nhà sản xuất còn thải cả nước lẫn dầu và các chất hóa học nguy hiểm ra biển [11]

Hình 1.1: Chìm tàu trên sông Sài Gòn

(Nguồn: Báo khoa học và xã hội)

1.4.3 Các quá trình biến đổi dầu trên biển

Khi tràn dầu xảy ra, dầu nhanh chóng lan tỏa trên mặt biển Với các điều kiện về sóng, gió, dòng chảy…sẽ trải qua các quá trình biến đổi [10]

1.4.3.1 Quá trình lan tỏa

Dầu thô và sản phẩm dầu thô là chất lỏng có độ hòa tan rất thấp trong nước, đặc biệt là nước biển Do đó, khi khối dầu rơi vào nước sẽ xảy ra hiện tượng chảy lan trên bề mặt nước Phân phối dầu tràn trên mặt biển diễn ra dưới ảnh hưởng của lực hấp dẫn, được kiểm soát bằng độ nhớt của dầu và sức căng bề mặt Quá trình này được chú ý đặc biệt nhằm ứng cứu sự cố tràn dầu hiệu quả

mặt nước,

có bề mặt lớn nhất, sau đó thì tiếp tục lan chảy vô hướng Khi tạo thành màng

đủ mỏng, màng sẽ bị vỡ dần ra thành những màng có diện tích nhỏ hơn và trên bề mặt dầu xuất hiện các vệt không có dầu

Do các quá trình bốc hơi, hòa tan mà mật độ, độ nhớt tăng, sức căng bề mặt giảm dần cho đến khi độ dày của lớp dầu đạt cực tiểu thì quá trình chảy lan chấm dứt Trong thực tế quá trình chảy lan trên biển chịu tác động lớn bởi các yếu tố sóng, gió và thủy triều [10]

1.4.3.2 Quá trình bay hơi

Song song với quá trình lan tỏa, dầu sẽ bốc hơi tùy thuộc vào nhiệt độ sôi và áp suất riêng phần của hydro và carbon trong dầu mỏ cũng như các điều kiện bên ngoài: nhiệt độ, sóng, tốc độ gió và diện tích tiếp xúc giữa dầu với không khí Các hydro và carbon có nhiệt độ sôi càng thấp thì có tốc độ bay hơi càng cao Ở điều kiện bình thường thì các thành phần của dầu với

như dầu hỏa, gasolil có thể bay hơi hết trong vài giờ Các loại dầu nhẹ bay hơi khoảng 40%, còn dầu thô nặng hoặc dầu nặng thì ít bay hơi, thậm chí không bay hơi Tốc độ bay hơi giảm dần theo thời gian, làm giảm khối lượng dầu, giảm khả năng bốc cháy và tính độc hại, đồng thời quá trình bay hơi cũng làm tăng độ nhớt và tỉ trọng của phần dầu còn lại, làm cho tốc độ lan tỏa giảm

1.4.3.3 Quá trình khuếch tán

Đây là quá trình xảy ra sự xáo trộn giữ nước và dầu Các vệt dầu chụi tác động của sóng, gió, dòng chảy tạo thành các hạt dầu có kích thướt khác nhau, trong đó có các hạt đủ nhỏ và đủ bền có thể trọng tương đối bền vào khối nước Điều này làm diện tích bề mặt hạt dầu tăng lên, kích thước sự lắng đọng dầu xuống đáy hoặc giúp cho khả năng tiếp xúc của hạt dầu với các tác nhân oxi hóa, phân hủy dầu tăng, thúc đẩy quá trình phân hủy dầu.[10]

Hiện tượng trên thường xảy ra ở những nơi sóng vỗ và phụ thuộc vào bản chất dầu, độ dày lớp dầu cũng như tình trạng biển Tại điều kiện thường các hạt dầu nhẹ có độ nhớt nhỏ có thể phân tán hết trong một vài ngày, trong khi đó các loại có độ nhớt lớn hoặc loại nhũ tương dầu nước ít bị phân tán

1.4.3.4 Quá trình hòa tan

Sự hoà tan của dầu trong nước chỉ giới hạn ở những thành phần nhẹ Tốc độ hoà tan phụ thuộc vào thành phần dầu, mức độ lan truyền, nhiệt độ cũng như khả năng khuếch tán dầu Dầu FO ít hòa tan trong nước Dễ hòa tan nhất trong nước là xăng và kerosen Tuy nhiên trong mọi trường hợp, hàm lượng dầu hòa tan trong nước luôn không vượt quá 1 phần triệu tức 1 mg/l

Quá trình hoà tan cũng làm tăng khả năng phân huỷ sinh học của dầu Song đây chính là yếu tố làm tăng tính độc của dầu đối với nước, gây mùi, đầu độc hệ sinh thái động thực vật trong nước, đặc biệt đối với động vật, dầu thấm trực tiếp và từ từ vào cơ thể sinh vật dẫn đến sự suy giảm chất lượng thực phẩm.[10]

1.4.3.5 Quá trình nhũ tương hóa

Đây là quá trình tạo thành các hạt keo giữa dầu và nước hoặc nước và dầu Có 2 loại hạt và keo dầu nước và keo nước dầu

Keo dầu nước: là hạt keo có vỏ là dầu, nhân là nước; là các hạt dầu ngậm nước làm tăng thể tích khối dầu 3 - 4 lần Các hạt khá bền, khó vỡ ra để tách lại nước Loại keo này có độ nhớt rất lớn, khả năng bám dính cao, gây cản trở cho công tác thu gom, khó làm sạch bờ biển

Keo nước dầu: hạt keo có vỏ là nước, nhân là dầu, được tạo ra do các hạt dầu có độ nhớt cao dưới tác động lâu của sóng biển, nhất là các loại sóng

vỡ Loại keo này kém bền vững hơn và dễ tách nước hơn

Nhũ tương hóa phụ thuộc vào thành phần dầu và chế độ hỗn loạn của

nước Dầu có độ nhớt cao thì dễ tạo ra nhũ tương dầu nước Các nhũ tương ổn định nhất chứa từ 30 – 80% nước Nhũ tương hóa làm giảm tốc độ phân hủy

và phong hóa dầu, và làm tăng khối lượng chất ô nhiễm [10]

1.4.3.6 Quá trình lắng kết

Dầu thô và các sản phẩm của dầu thô có tỉ trọng nhỏ hơn 1 thường nổi lên mặt nước mà không tự chìm xuống đáy Các loại nhũ tương sau khi hấp thụ các vật chất hoặc cơ thể sinh vật có thể trở nên nặng hơn nước rồi chìm dần Cũng có một số hạt lơ lửng, hấp thụ tiếp các hạt phân tán rồi chìm dần lắng đọng xuống đáy Trong đó cũng xảy ra quá trình đóng vón tức là quá trình tích tụ nhiều hạt nhỏ thành màng lớn

Quá trình lắng đọng là giảm hàm lượng dầu có trong nước Nhưng nó làm hại hệ sinh thái đáy Hơn nữa, sau lắng đọng, dầu vẫn có thể lại nổi lên mặt nước do tác động của các yếu tố đáy, gây ra ô nhiễm lâu dài cho vùng nước [10]

1.4.3.7 Quá trình oxy hóa

Nhìn chung, các hydrocarbon trong dầu khá bền vững với oxy Nhưng trong thực tế dầu tồn tại trong nước hoặc không khí vẫn bị oxi hoá một phần rất nhỏ, khoảng 1% khối lượng Các quá trình này xảy ra do oxy, ánh sáng mặt trời và được xúc tác bằng một số nguyên tố như vanidi Mặt khác lại ức chế của các hợp chất lưu huỳnh tạo thành các rồi thành hydroperoxides và các sản phẩm khác như: axit, andehit, xeton, peroxit, superoxit, phenol, axit cacboxylic…thường có tính hòa tan trong nước [10]

1.4.4 Phương pháp xử lý tràn dầu

1.4.4.1 Phương pháp cơ học

Khi xảy ra sự cố tràn dầu thì biện pháp cơ học được xem là tiên quyết cho công tác ứng phó sự cố tràn dầu tại các sông, cảng biển nhằm ngăn chặn, khống chế và thu gom nhanh chóng lượng dầu tràn tại hiện trường Biện pháp

cơ học bao gồm quây gom, dồn dầu vào một vị trí nhất định để tránh dầu lan trên diện rộng bằng cách sau

Dùng phao quây dầu

Sử dụng phao ngăn dầu để quây khu vực dầu tràn, hạn chế ô nhiễm lan rộng và để thu gom xử lý

Bảng 1.4: Các loại phao quây dầu

Phao ngăn dầu

tự phồng

Gọn nhẹ, chuyển khai nhanh và dễ dàng nhất

Sông, cảng sông, cảng biển… Nơi có dòng chảy trung bình hoặc mạnh

Phao quây dầu

bơm khí

Gọn nhẹ, dễ dàng bảo quản và triển khai Được bơm khí bởi các loại khí nén

Cửa sông, cảng biển, ngoài biển… Nơi có dòng chảy mạnh

Phao quây cố

định 24/24

Chịu được mưa nắng suốt ngày đêm Cố định trên mặt nước

Các khu vực cảng đi vào khu sinh sinh thái

Phao quây dầu

tự nổi dạng

tròn

Rất gọn nhẹ, dễ bảo quản

và triển khai

Sông, cảng sông, biển…

Nơi có dòng chảy trung bình hoặc mạnh

Phao quây dầu

tự nổi dạng

dẹp

Gọn nhẹ, dễ dàng bảo quản và triển khai

Sông, cảng sông Nơi có dòng chảy yếu, nước tĩnh Phao quây dầu

trên bãi biển

Gọn nhẹ, dễ bảo quản và triển khai

Bãi sông, bờ sông Nơi thủy triều thường hay lên xuống (Nguồn: Báo cáo chuyên đề CNSH – MT, trường đại học Nông Lâm

e) Phao quây dầu tự nổi dạng dẹp f) Phao quây dầu tự nổi dạng tròn

Hình 1.2: Các loại phao quây dầu

( Nguồn: Báo cáo chuyên đề CNSH – MT, trường đại học Nông Lâm

Tp.HCM)

Bơm hút dầu

Bơm hút dầu: Khi dầu được cố định bằng phao, bước tiếp theo là cần phải gỡ bỏ dầu ra khỏi mặt nước bằng cách dùng máy hút dầu lên khỏi mặt nước vào bồn chứa và dầu có thể được phục hồi lại

Bơm hút dầu tràn: Được sử dụng để hút dầu loang trên mặt nước Tỷ lệ dầu thu gom và công suất của bơm hút dầu tùy thuộc vào loại dầu tràn và loại bơm hút

Bảng 1.5: Các loại máy hút dầu

cho nơi có sóng

hợp giữa Drum và Brush

nhẹ hiệu quả hơn

Loại băng truyền

Tốt cho tất cả loại dầu, phù hợp cho nơi có sóng không quá lớn và gom cả rác trên mặt nước

(Nguồn: Báo cáo chuyên đề CNSH – MT, trường đại học Nông Lâm

Tp.HCM)

Hình 1.3: Các loại máy hút dầu

(Nguồn: Báo cáo chuyên đề CNSH – MT, trường đại học Nông Lâm

Tp.HCM)

1.4.4.2 Phương pháp hóa học

Phương pháp hóa học được dùng khi có hoặc không có sự làm sạch cơ học và tràn dầu trong một thời gian dài Phương pháp này sử dụng các chất phân tán, các chất phá nhũ tương dầu - nước, các chất keo tụ và hấp thụ dầu… Chất phân tán

Mục đích của việc sử dụng chất tăng độ phân tán dầu là để loại bỏ dầu trên bề mặt của biển và chuyển nó vào trong cột nước làm pha loãng nồng độ độc hại của dầu và làm cho dầu bị xuống cấp, giảm sự vận động của dầu

Những chất tăng độ phân tán với thành phần chính là những chất hoạt động bề mặt Đây là những hóa chất đặt biệt bao gồm phần ưu nước – hydrophilic và olephilic – phần ưu dầu Có khả năng hoạt động như một chất tẩy rửa Những chất này làm giảm bớt lực căng mặt phân cắt giữa dầu và nước tạo ra những giọt dầu nhỏ tạo điều kiện để diễn ra việc phân hủy sinh học và phân tán

Hình 1.4: Sự hoạt động của chất phân tán

Những chất tăng độ phân tán lên dầu tràn bao gồm ba nhóm chinh:

Những chất hoạt động bề mặt

Dung môi (hydrocarbon và nước)

Chất hoạt động

bề mặt Dầu ưu nước

Chất hoạt động bề mặt ổn định dầu

Dầu

Nước

Dầu ưu nước