CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG TS. Lê Phi Nga TS. Jean-Paul Schwitzguebéls CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG ĐỐI TƯỢNG GIẢNG, MỤC TIÊU, YÊU CẦU n n n n Bài giảng được sử dụng cho giáo viên lên lớp Đối tượng là các học viên cao học chuyên ngành Công nghệ môi trường, Viện Môi trường và Tài nguyên, ĐHQG Tp HCM Mục tiêu: Học viên cần nắm vững các khái niệm, nguyên lý của các công nghệ sinh học đã được ứng dụng, các điều kiện ảnh hưởng và yếu tố thành công Là môn học tự chọn, yêu cầu học viên đã có những kiến thức cơ bản về: - Sinh vật học - Vi sinh vật môi trường - Sinh thái môi trường - Công nghệ môi trường CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG VỊ TRÍ CỦA CNSH-MT TRONG SINH THÁI Mặt trời (Naêng löôïng) Thöïc vaät Khoâng Khí O2, N2, CO2 H2O COÂNG NGHEÄ SINH HOÏC MOÂI TRÖÔØNG Caùc loaøi vi sinh, ñoäng vaät khoâng xöông soáng (sinh vaät phaân huûy) Ñoäng vaät aên coû Ñoäng vaät aên thòt (sinh vaät tieâu thuï) Ñaát + Nöôùc (Dinh döôõng) Tham gia bảo vệ và cải tạo môi trường, giữ cân bằng sinh thái CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG PHẠM VI NGHIÊN CỨU Không khí Nước Đất CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG VAI TRÒ CỦA CNSH MT Chất thải asia.cnet.com/.../chil dren_bronze2_sc.jpg CNSH Môi trường tham gia vào các quá trình xử lý nước cấp, nước thải, bùn thải, nước mặt bị ô nhiễm, đất ô nhiễm, khí ô nhiễm và còn có thể dùng như công cụ để điầu tra đánh giá ô nhiễm CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG KHÁI NIỆM n n n “Công nghệ” có thể ứng dụng rộng rãi “Sinh học”: sử dụng cơ thể sinh học, một quá trình sinh học hay một phản ứng sinh học “Môi trường”: giải quyết những vấn đề của môi trường như điều tra ô nhiễm, cải tạo ô nhiễm, xử lý chất thải CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG CÔNG CỤ SINH HỌC ĐƯỢC SỬ DỤNG n n n n Vi sinh vật: trong nước, đất Thực vật: cạn, bán ngập, ngập nước Động vật không xương sống trong bùn và đất Cao phân tử sinh học -Nucleic acid (DNA, RNA) - Protein / enzyme - Lipids - Polysaccharides CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG ĐỊNH NGHĨA “ Công nghệ sinh học môi trường là sự kết hợp về mặt nguyên lý của nhiều ngành khoa học và kỹ thuật để sử dụng những khả năng sinh hóa to lớn của các vi sinh vật, thực vật hay một phần cơ thể của những sinh vật này để phục hồi, bảo vệ môi trường và sử dụng bền vững nguồn tài nguyên” EPFL/LEB (Lab for Environmental Biotechnology) CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG Ô nhiễm không khí Các chất ô nhiễm thường gặp • NOx, COx, SOx, C2F4 • Hydrocarbons • Chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs) BTEXs, axit… • Kim loại nặng (Pb..) • POPs (dioxins/furans, PCBs) CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG Ô nhiễm đất và nước Các chất ô nhiễm: • Hydrocarbons (BTEX, PAHs) • Hợp chất cơ Clo (PCE, TCE, PCBs) • Hợp chất vòng thơm chứa nitơ (TNT) • Hợp chất hữu cơ(MTBE) • Vô cơ (NO3, NH4) • Kim loại nặng (Cd, Cr, Pl, Zn, Cu) CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG CHƯƠNG TRÌNH GIẢNG (30 TIẾT) • • • 14 tiết: Xử lý ô nhiễm bằng phương pháp vi sinh (Bioremediation) v Khái niệm và Nguyên lý v Kỹ thuật xử lý ô nhiễm môi trường nước v Kỹ thuật xử lý ô nhiễm môi trường đất 10 tiết: Xử lý ô nhiễm bằng thực vật (Phytoremediation) v Đất và nước ô nhiễm kim loại nặng: nguyên lý, kỹ thuật xử lý v Đất và nước ô nhiễm chất hữu cơ: nguyên lý, kỹ thuật xử lý 6 tiết: Xử lý chất thải đi kèm tạo sản phẩm (Bioconversion) v Nguyên lý xử lý hiếu khí và kị khí v Công nghệ sinh metan từ nước thải và chất thải rắn Công nghệ sinh hydro v Công nghệ tạo etanol từ chất thải chứa carbonhydrat, cenllulose CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG CHƯƠNG TRÌNH GIẢNG (30TIẾT)- (tiếp theo) • 5 tiết: Xử lý chất thải đi kèm tạo sản phẩm (Bioconversion) v Nguyên lý xử lý hiếu khí và kị khí v Công nghệ sinh metan từ nước thải và chất thải rắn Công nghệ sinh hydro v Công nghệ tạo etanol từ chất thải chứa carbonhydrat, cenllulose CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG Xử lý ô nhiễm bằng phương pháp vi sinh (BIOREMEDIATION) CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG XỬ LÝ Ô NHIỄM BẰNG PHƯƠNG PHÁP VI SINH (BIOREMEDIATION) Nguyên lý CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG XỬ LÝ Ô NHIỄM BẰNG PHƯƠNG PHÁP VI SINH: Sinh lý của vi khuẩn tế bào vi khuẩn năng lượng echất cho điện tử (nguồn năng lượng) esinh tổng hợp chất nhận carbon điện tử N, P, (oxy, nitrate, S, Fe, Vi lượng sulfate, carbonic) Sinh trưởng của vi sinh vật yêu cầu dinh dưỡng (C,N, P, S) vi lượng và hô hấp trong đó bao gồm nguồn cho và chất nhận điện tử CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG XỬ LÝ Ô NHIỄM BẰNG PHƯƠNG PHÁP VI SINH: Cơ chế “đồng hóa” chất ô nhiễm tế bào vi khuẩn năng lượng eChất ô nhiễm là chất cho điện tử (nguồn năng lượng) esinh tổng hợp carbon N, P, S, Fe, Vi lượng chất nhận điện tử (oxy, nitrate, sulfate,carbonic) Chất ô nhiễm là chất cho điện tử CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG XỬ LÝ Ô NHIỄM BẰNG PHƯƠNG PHÁP VI SINH: Cơ chế “đồng hóa” chất ô nhiễm tế bào vi khuẩn năng lượng e- esinh tổng hợp chất cho điện tử Chất ô nhiễm (nguồn năng = nguồn lượng) carbon chất nhận điện N, P, tử (oxy, nitrate, S, Fe, sulfate,carbonic) Vi lượng Chất ô nhiễm là nguồn carbon CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG XỬ LÝ Ô NHIỄM BẰNG PHƯƠNG PHÁP VI SINH: Biến đổi chất ô nhiễm theo cơ chế sinh lý tế bào vi khuẩn năng lượng e- esinh tổng hợp chất cho điện tử (nguồn năng lượng) Chất ô nhiễm = carbon chất nhận điện N, P, tử (nitrate, S, Fe, Sulfate,carbonic) Vi lượng Chất ô nhiễm là chất nhận điện tử CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG XỬ LÝ Ô NHIỄM BẰNG PHƯƠNG PHÁP VI SINH: Biến đổi chất ô nhiễm theo cơ chế trực tiếp Chất ô nhiễm bị biến đổi Chất ô nhiễm năng lượng e- esinh tổng hợp chất cho electron (nguồn năng lượng) carbon N, P, S, Fe, etc. Chất ô nhiễm không tham gia vào quá trình trao đổi chất nhưng bị biến đổi bên trong tế bào vi khuẩn chất nhận electron (khí oxygen, nitrate, sulfate, khí carbonic) CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG XỬ LÝ Ô NHIỄM BẰNG PHƯƠNG PHÁP VI SINH: Biến đổi chất ô nhiễm theo cơ chế gián tiếp năng lượng e- esinh tổng hợp chất cho electron (nguồn năng lượng) carbon N, P, S, Fe, etc. Chất ô nhiễm Sự biến đổi chất ô nhiễm xảy ra hoàn toàn bên ngoài tế bào vi khuẩn chất nhận electron (khí oxygen, nitrate, sulfate, khí carbonic) Chất ô nhiễm bị biến đổi CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG CHẤT Ô NHIỄM LÀ NGUỒN CACBON Đá nhiễm dầu Cơ chế đồng hoá Đá đã sạch dầu CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG CHẤT Ô NHIỄM LÀ CHẤT NHẬN ĐIỆN TỬ Quá trình khử nitrát kị khí: NO3- + 2e- + 2H+ NO2- + H2O N2 VD: Paracoccus species, Pseudomonas stutzeri, Pseudomonas aeruginosa, and Rhodobacter sphaeroides … Quá trình khử sulphat kị khí : Acetat+ 3H+ SO42- 2H2O+ H2S + 2CO2 VD: Desulfovibrionaceae , Desulfobacteriaceae, Desulfobulbusaceae … Cơ chế sinh lý CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG CHẤT Ô NHIỄM BỊ BIẾN ĐỔI TRỰC TIẾP Môi trường Tế bào vi sinh vật CO Cl Cl Cl O H Oxít carbon HCOOH Cl TCE H oxygenase (toluene, phenol, methane, ammonia, isoprene, propane…) Cl Cl TCE epoxide Formic axít Cl2HC-COOH dichloroacetate OHC-COOH glyoxylate CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG ÔXY HOÁ KHỬ LÀ PHẢN ỨNG CƠ SỞ -0,5 0 0,5 (volts) O2 ® H2O Khử CT ® CF PCE ® TCE DCB ® MCB NO3 ® NO2 DCE ® VC SO4 ® H2S CO2 ® CH4 Ferredoxin ® ox Oxi hoá NADH ® NAD -50 0 +50 Năng lượng giải phóng (kJ/mol electron vận chuyển) CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG VAI TRÒ CỦA ÔXY VÀ CHẤT THAY THẾ ÔXY Vai trò của ôxy trong phân hủy Hiếu khí : 1. Chất nhận điện tử cuối của quá trình hô hấp 2. oxy hóa chất ô nhiễm trực tiếp Vai trò của chất thay thế ôxy trong phân hủy Kị khí : 1. Chất nhận điện tử cuối của quá trình hô hấp là: Ion/ hợp chất (NO3, SO4, Fe(III), Mn(IV), CO2, 2. Tham gia biến dạng chất ô nhiễm (khử) CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG ÔXY HOÁ TRỰC TIẾP CHẤT Ô NHIỄM OH COOH COOH OH benzene catechol O2 O2 NH3 NH2OH O2 CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG KHỬ BIẾN ĐỔI CHẤT Ô NHIỄM TRONG ĐIỀU KIỆN KỊ KHÍ CH3 COOH COOH COOH H2O + 4e- NH4+ + NO2- H2O + 4e- ANAMMOX N2 + 2H2O CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG KHỬ HALOGEN DO VI SINH VẬTKỊ KHÍ tetrachloroethene (PCE) Cl Cl Cl Cl Desulfitobacterium strain PCE1 2[H] HCl trichloroethene (TCE) Cl Cl Cl H 2[H] HCl cis-1,2-dichloroethene (cis-1,2-DCE) Cl Cl H H Dehalospirillum multivorans Dehalobacter restrictus Desulfitobacterium strain PCE-S Desulfitobacterium strain TCE1 Desulfitobacterium strain Y51 Desulforomonas chloroethenica 2[H] HCl vinyl chloride (VC) Cl H H H 2[H] HCl ethene H H H H Dehalococoides ethenogenes CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG XỬ LÝ Ô NHIỄM BẰNG PHƯƠNG PHÁP VI SINH (BIOREMEDIATION) GHI NHỚ • Xác định chất ô nhiễm • Đánh giá khả năng bị phân hủy bằng vi sinh vật • Điều kiện hóa-lý-sinh nơi ô nhiễm? • Áp dụng nguyên lý : chất cho và nhận điện tử • Sử dụng quá trình hiếu khí? kị khí? Hoặc cả 2 quá trình? • Điều kiện cần thiết cho vi sinh vật phát triển? • Chọn kỹ thuật được sử dụng • Xác định điều kiện ảnh hưởng • Phương pháp theo dõi, đánh giá hiệu quả xử lý ? CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG XỬ LÝ Ô NHIỄM BẰNG PHƯƠNG PHÁP VI SINH (BIOREMEDIATION) Công nghệ CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG BIOREMEDIATION: CÁC DẠNG CÔNG NGHỆ XỬ LÝ • Kích hoạt (Biostimualation)- thêm chất dinh dưỡng và oxy • Tăng cường (Bioaugmentation)-Thêm vi sinh vật • Theo dõi quá trình làm sạch tự nhiên (Bioattenuation) CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG XỬ LÝ Ô NHIỄM BẰNG PHƯƠNG PHÁP VI SINH (BIOREMEDIATION) XỬ LÝ ĐẤT Ô NHIỄM CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG XỬ LÝ Ô NHIỄM ĐẤT : CÁC KỸ THUẬT ỨNG DỤNG Xử lý bên ngoài vị trí ô nhiễm (ex- situ) Xử lý tại vị trí ô nhiễm (in- situ) Bùn nhão (Bio-slurry) Cung cấp không khí (Bioventing) Trải trên đất (Land treatment) Đánh đống ủ (Biopiles) Mỗi kỹ thuật được sử dụng công nghệ: Biostimualation, Bioaugmentation) CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG XỬ LÝ Ô NHIỄM ĐẤT : Kỹ thuật Bùn nhão Sàng đất hạt thô Bể trộn bùn/ rửa đất Bể- 1 Trộn Bể-2 Bể-3 Sàng hạt mịn Tạo bùn Thêm: -Nước -Dinh dưỡng -chất tạo bọt, Chất ổn định Bể phản ứng Bể tách nước Cung cấp khí công nghệ: Biostimualation, Bioaugmentation Đất, bùn đã xử lý CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG XỬ LÝ Ô NHIỄM ĐẤT : Kỹ thuật trải đất Hệ thống tưới Lớp đất ô nhiễm Lớp cát Đường thoát nước Lớp vật liệu đá, sỏi hoặc xây xi măng công nghệ: Biostimualation, Bioaugmentation CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG XỬ LÝ Ô NHIỄM ĐẤT : Kỹ thuật trải đất CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG XỬ LÝ Ô NHIỄM ĐẤT : Kỹ thuật trải đất có che mái Mái che chống mưa Lớp đất ô nhiễm chứa dinh dưỡng, vi sinh Lớp chống thấm dưới đáy Đường thoát nước, dịch xử lý Vật liệu rắn tăng thoáng khí công nghệ: Biostimualation, Bioaugmentation CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG XỬ LÝ Ô NHIỄM ĐẤT : Kỹ thuật trải đất có che mái+ hệ thống xử lý khí Mái che chống thoát khí Hệ thống xử lý khí (chất ô nhiễm bay hơi) Hệ thống tưới Đất ô nhiễm Đường thoát nước công nghệ: Biostimualation, Bioaugmentation CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG XỬ LÝ Ô NHIỄM ĐẤT : Kỹ thuật đống ủ Bao phủ bằng lớp nhựa PE monitoring Đất ô nhiễm Lấy mẫu point sample Bao phủ bằng line lớp nhựa PE knockout tank valve HD PE clean soil lớp base liner nhựa Đường cấp PE khí liquid pump storage tank stack activated blower charcoal drums brass or PVC valve (to header) smooth PVC lớp nhựa PE NOT TO SCALE FRONT VIEW Nhìn mặt trước ống nhựa, đục lỗ cấp khí pea gravel mound Đất ô nhiễm ống nhựa, cấp khí SIDE VIEW Nhìn mặt sau CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG XỬ LÝ Ô NHIỄM ĐẤT : Kỹ thuật đống ủ CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG XỬ LÝ Ô NHIỄM ĐẤT : Kỹ thuật cấp khí (Bioventing) Ventilateur Tách khí Giếng mở khí vào Giếng hút Puits khíd’extraction vào Séparateur d’eau Tách nước Traitement deskhí gaz Xử lý Eautách Nước Đất không ô nhiễm Đất ô nhiễm CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG XỬ LÝ Ô NHIỄM BẰNG PHƯƠNG PHÁP VI SINH (BIOREMEDIATION) XỬ LÝ NƯỚC Ô NHIỄM CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG XỬ LÝ Ô NHIỄM NƯỚC: CÁC KỸ THUẬT ỨNG DỤNG Xử lý bên ngoài vị trí ô nhiễm (ex- situ) Xử lý tại vị trí ô nhiễm (in- situ) Bơm hút và xử lý (Pum and treat) Theo dõi làm sạch tự nhiên (Bio-attenuation) Mỗi kỹ thuật được sử dụng một trong 3 công nghệ: Biostimualation, Bioaugmentation) hoặc Bio-attenuation Thổi khí (Biosparging) Be bờ nhặn dòng (Biobarriers) CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG Nước ngầm: ô nhiễm dạng LNAPL (Light nonaqueous phase liquid) LNAPL CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG Chất ô nhiễm dạng LNAPL (Light non-aqueous phase liquid) CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG Nước ngầm: ô nhiễm dạng DNAPL (Dense non-aqueous phase liquid) Chất ô nhiễm Lắng cặn DNAPL Hòa tan trong nước Hướng chảy cùa nước ngầm Bay hơi Lớp sét Lớp đá CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG Chất ô nhiễm dạng DNAPL (Dense non-aqueous phase liquid) CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG XỬ LÝ Ô NHIỄM NƯỚC NGẦM: Kỹ thuật theo dõi quá trình tự làm sạch (Natural attenuation) Giếng Vùng ô quan nhiễm nặng trắc ô nhất nhiễm bắt đầu (gốc) Giếng quan trắc di động theo vùng biên lan tỏa Hướng vùng ô nhiễm lan truyền Đường biên vùng ô nhiễm Giếng quan trắc Điểm láy mẫu đất Giếng quan trắc di động theo trục giữa vùng lan tỏa Nồng độ giảm dần của chất ô nhiễm hòa tan CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG XỬ LÝ Ô NHIỄM NƯỚC NGẦM: Kỹ thuật theo dõi quá trình tự làm sạch (Natural attenuation) Phân hủy sinh học Hấp thụ/ hấp phụ Natural Attenuation Bay hơi Phân tán, hòa tan Phân hủy hóa học Tìm hiểu các quá trình xảy ra trước khi quyết định kỹ thuật sử dụng tiếp theo CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG XỬ LÝ Ô NHIỄM NƯỚC NGẦM: Kỹ thuật theo bơm lên rồi xử lý (Pump-treat) Hơi thoát Kiểm tra chất lượng khí Ống dẫn nước sạch quay vòng Bể xử lý Nguồn thải Giếng cấp lại Hướng nước chảy Giếng bơm lên Mực nước ngầm CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG XỬ LÝ Ô NHIỄM NƯỚC NGẦM: Kỹ thuật bơm lên rồi xử lý (Pump-treat) CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG XỬ LÝ Ô NHIỄM NƯỚC NGẦM: Kỹ thuật thổi khí (Biosparging) Giếng bơm ép Giếng bơm hút Vùng nước chưa bão hòa chất ô nhiễm Vi sinh vật Vùng ô nhiễm Vùng nước bão hòa chất ô nhiễm CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG XỬ LÝ Ô NHIỄM NƯỚC NGẦM: Kỹ thuật bơm dinh dưỡng (Bioenhancement) Giếng bơm hút Bể trộn dinh dưỡng Bơm đẩy Mực nước Đưa thêm dinh dưỡng Giới hạn vùng xử lý Giếng bơm ép CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG XỬ LÝ Ô NHIỄM NƯỚC NGẦM: Kỹ thuật be bờ (Biobarrier) Chất ô nhiễm lan toả Tao bờ chặn chất ô nhiễm- cho hoá chất, chất dinh dưỡng hay vi sinh Đào hào sâu Nước chứa CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG XỬ LÝ Ô NHIỄM NƯỚC NGẦM: Kỹ thuật be bờ (Biobarrier) CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG XỬ LÝ Ô NHIỄM NƯỚC NGẦM: Dùng chất nhả oxy, hydro ORC =Chất nhả ôxy MgO2 + H2O ® ½O2 + Mg(OH)2 HRC =Chất nhả hydro Polylactate + H2O ® lactate ® H2 + acetate Oxi hóa: BTEX alcohols ketones MTBE vinyl chloride Khử: PCE, TCE, nitrate chromium Perchlorate Thuốc nổ CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG XỬ LÝ Ô NHIỄM NƯỚC NGẦM: Dùng chất nhả oxy, hydro Trộn Bột Dạng nhão CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG XỬ LÝ Ô NHIỄM NƯỚC NGẦM: Bơm ép chất nhả ôxy CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG XỬ LÝ Ô NHIỄM NƯỚC NGẦM: Bơm ép chất nhả hydro CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG XỬ LÝ Ô NHIỄM NƯỚC NGẦM: phối hợp các kỹ thuật Bơm ORC Vùng xử lý Ex-situ Bơm dinh dưỡng Vùng ô nhiễm cần xử lý In-situ Xử lý Natural annuation Bơm HRC Vi sinh vật phía trên lớp nước Vùng chặn lan tỏa CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG Xử lý ô nhiễm bằng phương pháp vi sinh (BIOREMEDIATION) Những yếu tố ảnh hưởng CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG NHỮNG YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG 1. 2. 3. Khả năng biến đổi chất ô nhiễm của vi sinh vật: chủng loại, số lượng, hoạt tính... « Bioavailability »: chất ô nhiễm ở dạng có khả năng được vi sinh vật tiếp nhận và biến đổi Yếu tố hóa –lý môi trường ảnh hưởng đến khả năng biến đổi chất ô nhiễm bằng vi sinh vật pH Nhiệt độ Độ ẩm Độ muối Chất nhận điện tử Dinh dưỡng Ôxy Độc tính 4. Kỹ thuật xử lý sẽ được ứng dụng CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG PHÂN NHÓM VI SINH VẬT THEO pH THÍCH NGHI pH Extreme alkalophiles 14 “Alkaliphiles” ưa pH 9 – 12, thường dùng để: -Làm sạch fim X-quang -công nghiệp thực phẩm, dược -Xử lý nướcthải -Xử lý ô nhiễm dầu.. alkalophiles Neutrophiles 7 Acidophiles Extreme acidophiles 0 “Neu trophiles” ưa pH 5.5–8, nhóm chiếm đa số trong sinh thái “Acidophiles” ưa pH 1 – 5 có, thường được dùng để: -Thu hồi kim loại năng từ nước thải hầm mỏ - Giảm lưu hùynh (S) trong than đá. -Một vài loài có thể có thể sử dụng axít hữu cơ, dung môi CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG Tốc độ sinh trưởng NHIỆT ĐỘ & SINH TRƯỞNG CỦA VI SINH VẬT tốc độ tối ưu tốc độ tăng tuyến tính Chịu đựng tối đa Tế bào đông đặc, phản ứng sinh hóa diễn ra cưc kỳ chậm, VSV không sinh trưởng Nhiệt độ Protein bị biến tính, tế bào bị phá hủy, thủy phân tế bào chất CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG PHÂN NHÓM VI SINH VẬT THEO NHIỆT ĐỘ THÍCH NGHI Thermophiles Hyper thermophiles Extreme thermophiles Mesophiles 60O 39O Psyrophiles 4O 88O 106O CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG PHÂN NHÓM VI SINH VẬT THEO ĐỘ MUỐI (NaCL) THÍCH NGHI Ưa muối Hoàn toàn không ưa muối Chịu muối Ưa nồng độ muối cao CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG KHẢ NĂNG CHỊU HẠN CỦA VI SINH VẬT aw: là hoạt tính nước của của môi trường áp suất hơi của dung dịch/đất Aw = áp suất hơi của nước tinh khiết Vi sinh vật Pseudomonas fluorescens Salmonella newport Staphylococcus aureus Aspergillus amstelodami aw 0.96 0.95 0.86 0.70 “Xerophile” là nhưngx vi sinh vật có khả năng chịu hạn rất cao CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG « BIOAVAILABILITY » CỦA CHẤT Ô NHIỄM Vi sinh bị cố định Chất ô nhiễm bị hấp phụ Chất ô nhiễm tiếp cận vi sinh vật như thế nào? « Bioavailability » : dạng tồn tại của chất ô nhiễm để vi sinh vật có thể tiếp cận, tiếp nhận và biến đổi CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG « BIOAVAILABILITY » PHỤ THUỘC TÍNH KỊ NƯỚC CỦA CÁC DẠNG VẬT CHẤT ĐẤT Chất hữu cơ (OM) Vi sinh vật ORGANIC MATTER BACTERIA Đất sét PORE WATER OM QUARTZ Concentration Kị nước High cao CLAY CELL WALL Low Chất ô nhiễm dẽ dàng liên kết với các dạng chất chất hữu cơ CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG « BIOAVAILABILITY » PHỤ THUỘC KHẢ of nonpolar chemicals NĂNGAbsorption BỊ HẤP PHỤ CỦA CHẤT Ô NHIỄM to organic matter trong bùn và đất PAHs log Kom 5 4 3 ll llll l lll llll l l l l llll l ll l l l l lllll l ll 2 1 various Nhiều loạisoils mẫu bùn orvàsediments tested đất Diclorophenyl CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG « BIOAVAILABILITY » PHỤ THUỘC « TUỔI » CỦA CHẤT Ô NHIỄM NGOÀI MÔI TRƯỜNG Chất ô nhiễm Hạt đất Ô nhiễm vừa xảy ra Ô nhiễm sau một thời gian CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG Tăng cường Bioavailabilility bằng chất hoạt động bề mặt sinh học (biosurfactant) Biosurfactants Attachment to substrate Chất ô nhiễm bị nhũ hóa Chất ô nhiễm bị bao chặt trong đất Spec. activity Specific affinity concentration Giảm ái lực với đất CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG Tương tác vi sinh vật & bề mặt hạt đất Bacteria-surface interactions Vi sinh bơi Transport tới Vi Initial sinh adhesion tiếp xúc Tổng hợp Polymer chất keo synthesis Tạo màng Biofilm vi sinh formation Bề mặt hạt đất CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG Khả năng chuyển động của vi sinh vật trong kheBacterial rỗng behavior in porous media Tế bào phân Cell division chia Liên kết Clogging Rời ra Release Tế bàotiếp xúc với Adhesion Desorption bề mặt CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG Chuyển động của vi sinh vật trong môi trường Chuyển động nhanh Chuyển động chậm • Vi khuẩn ưa nước • Có bề mặt mang điện tích lớn • Kích thước tế bào nhỏ • Đất lẩn nhiều cát • Đất có pH kiềm • Môi trường có nồng độ ion thấp • Độ ẩm cao, bão hòa nước •Vi khuẩn kị nước • Có bề mặt mang điện tích nhỏ •Kích thước tế bào lớn •Đất lẩn nhiều sét •Đất có pH axit •Môi trường có nồng độ ion cao •Độ ẩm thấp CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG Xử lý ô nhiễm đất bằng thực vật (PHYTOREMEDIATION) CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG XỬ LÝ Ô NHIỄM BẰNG THỰC VẬT NỘI DUNG n Ô nhiễm đất- rủi ro sinh thái n Ô nhiễm kim loại nặng: nguyên lý, cơ chế n Chất ô nhiễm hữu cơ: nguyên lý, cơ chế n Kỹ thuật trồng cây:ứng dụng, ưu nhược điểm, điều kiện thành công CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG Ô nhiễm đất: rủi ro sinh thái Không khí ĐẤT ô nhiễm Rủi ro!!! Thực vật Thực vật Nước ngầm Động vật CON NGƯỜI CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG XỬ LÝ Ô NHIỄM BẰNG THỰC VẬT Ô nhiễm Kim loại nặng CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG Các dạng kim loại trong đất Trong dịch đất Hấp phụ yếu trong đất Tổng Hợp chất với carbonát Hợp chất với oxít Fe, oxít Mn Hợp chất với chất hữu cơ Hợp chất với sulphít Trong cấu trúc khoáng vật Dạng ion tự do Dạng phức với ion vô cơ Dạng phức /chalat với hợp chất cơ CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG Cơ chế Kim loại nặng tích lũy trong trong tế bào thực vật Các loại chất tạo phức với chất ô nhiễm: nGSH: glutathione nMT: metallothioneins nNA: nicotianamine nOA: organic acids nPC: phytochelatins Thành tế bào OA NA OA Dịch bào OA NA Hấp thụ GSH GSH GSH Không bào CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG XỬ LÝ Ô NHIỄM BẰNG THỰC VẬT Kim loại nặng chỉ chuyển từ dạng này sang dạng khác Vận chuyển lên trên Rễ hấp thu Thu hoạch Giải hấp từ đất Tích tụ trong rễ Cố định trở lại trong đất CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG Các loài thực vật siêu hấp thu kim loại mg/g trọng lương khô Tấn/ha/năm CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG XỬ LÝ Ô NHIỄM BẰNG THỰC VẬT Ô nhiễm chất hữu cơ CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG Dạng của chất ô nhiễm hữu cơ trong đất Dạng hạt Dạng màng bao Dạng hấp phụ Dạng hấp thu Dạng hạt lỏng giữa hạt đất Dạng hạt liên kết với chất rắn khác CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG Hợp chất hữu cơ có khả năng xử lý bằng thực vật Log Kow Cơ chế <1.0 Có khả năng hấp thụ và chuyển dạng 1.0 -3.5 Có khả năng hấp thụ, chuyển dạng, bay hơi > 3.5 Chỉ có khả năng lưu trong đất Log Kow: thước đo độ kị nước của chất hữu cơ (tỉ số giữa hàm lượng phân bố chất hữu cơ trong pha octanol đối với pha nước CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG Khả năng di động của chất hữu cơ trong thực vật Di động tối ưu trong mạch libe Di động trong mạch gỗ và mạch libe Chỉ di động trong mạch gỗ Không di động CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG Các quá trình chính xảy ra với chất ô nhiễm hữu cơ trong đất Các quá trình vận chuyển (không biến đổi) Các quá trình biến đổi 1. Bay hơi 1. Phân huỷ bởi vi khuẩn 2. Ngấm xuống đất 2. Chuyển hoá trong thực vật 3. Hấp thu/giải hấp 3. Thuỷ phân hoá học 4. Hấp thu bởi thực vật 4. Quang phân huỷ CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG Cơ chế chất hữu cơ biến đổi trong trong tế bào thực vật Các loại chất tạo phức với chất ô nhiễm: nGSH: Glutathione nGlu:Glucose Không bào Hấp thụ Dịch bào Glu GSH Enzim phân hủy Glu Glu GSH GSH Thành tế bào Glu CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG Cấu trúc tương tự giữa: chất bài tiết từ rễ, chất tương tác giữa cây và loài sinh vật khác (allelochemicals) và chất ô nhiễm Chất bài tiết từ rễ Chất ô nhiễm allelochemicals CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG CẤU TẠO LÁ CÂY Lá cây được cấu tạo cho quan tổng hợp, trao đổi khí, giảm mất nước, vận chuyển nước và chất đường Lớp cutin Lớp biểu bì trên Tế bào thịt lá Bó mạch Mạch gỗ Mạch libe Lớp biểu bì dưới Khí khổng Tế bào thịt lá Tế bào kèm CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG CẤU TẠO MẠCH GỖ CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG CẤU TẠO RỄ CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG XỬ LÝ Ô NHIỄM BẰNG THỰC VẬT 1 7 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Từ không khí vào lá cây (dạng khí – dạng hạt) Bay hơi từ đất và đi vào lá cây Các hạt đất dính vào thân và lá cây (bắn lên do nước mưa) Hấp thu cân bằng giữa các hạt đất và dịch đất Vận chuyển từ đất vào rễ cây Vận chuyển trong hệ thống mạch Vận chuyển từ chồi sang quả 5 thông qua dịch libe 2 6 3 4 CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG VẬN CHUYỂN QUA LÁ CÂY • Bám trên bề mặt lớp cutin • Hoà tan các chất ô nhiễm dạng khí thông qua khí khổng • Vận chuyển qua tế bào vào mạch gỗ CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG VẬN CHUYỂN QUA RỄ VÀO MẠCH GỖ Con đường bên ngoài tế bào Con đường Khung caspary xuyên bào Con đường bên ngoài tế bào Mạch gỗ Con đường xuyên bào Lông hút Biểu bì Vỏ Biểu bì trong Lõi Khung caspary Biểu bì trong CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG XỬ LÝ Ô NHIỄM BẰNG THỰC VẬT Công nghệ xử lý CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG XỬ LÝ Ô NHIỄM BẰNG THỰC VẬT: Công nghệ xử lý 1. Chuyển dạng (Phyto-transformation) 2. Xử lý bằng vùng rễ (Rhizosphere Bioremediation) 3. Cố định (Phyto-stabilization) 4. Chiết (Phyto-extraction) 5. Lọc bằng rễ (Rhizo-filtration) 6. Bay hơi (Phyto-volatilization) CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG CÔNG NGHỆ CHUYỂN DẠNG CHẤT Ô NHIỄM (PHYTO-TRANSFORMATION) Môi trường • Chât ô nhiễm • Thực vật • Ứng dụng • Nước ngầm •Nước thải •Đất ô nhiễm Chlorinated aliphatics (TCE), MTBE •Chất thải giàu amoni •(TNT, RDX, HMX, perchlorate) •Dinh dưỡng (nitrat, ammoni, phosphate) •Thuốc trừ cỏ Thực vật nước ngầm (cây thuộc họ liễu, gồm cây dương, liễu, dương châu Mỹ) •Các loại cỏ (lúa mạch đen, cỏ đuôi trâu, lúa miến, cây thóc) •Cây họ đậu (cỏ ba lá, cỏ linh lăng, đâu đũa) Xử lýTCE, dinh dưỡng trong nước ngầm •Thực nghiệm trên chất thải giàu amoni CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG CÔNG NGHỆ XỬ LÝ BẰNG VÙNG RỄ (RHIZOSPHERE BIOREMEDIATION) Đất •Bùn lắng Môi trường • Chât ô nhiễm • Thực vật • Ứng dụng Hợp chất hữu cơ có khả năng phân huỷ sinh học (BTEX, TPH, PAHs, PCBs, thuốc bảo vệ thực vật) Cỏ có rễ sợi (lúa mì, cỏ đuôi trâu, lúa mạch đen) •Cây sản xuất các hợp chất phenol (dâu tằm, táo, dâu cam vàng) •Thực vật ưa nước ngầm Xử lý TPH, BTEX, PAH, PCP •Đang ở dạng nghiên cứu (PCBs, thuốc bảo vệ thực vật) • CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG CÔNG NGHỆ CỐ ĐỊNH CHẤT Ô NHIỄM (PHYTO-STABILIZATION) Môi trường Chât ô nhiễm • Đất Kim loại nặng (Pb, Cd, Zn, As, Cu, Cr, Se, U) •Hợp chất hữu cơ kị nước, PCBs • Dùng các thực vật ưa nước ngầm để kiểm soát nguồn nước •Dùng các loại cỏ có rễ sợi để kiểm soát xói mòn Thực vật • Ứng dụng • Xử lý giảm độ độc trong đất CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG CÔNG NGHỆ CHIẾT ĐẤT(PHYTO-EXTRACTION) Đất •Đất ô nhiễm chất thải công nghiệp Môi trường • Chât ô nhiễm • Thực vật • Ứng dụng • Kim loại nặng (Pb, Cd, Zn, Ni, Cu) Cải bẹ xanh (Brassica juncea) •Hướng dương (Helianthus spp.) •Thlaspi caerulescens Xử lý ô nhiễm mức độ nhẹ (Pb, Cd, Zn Ni ) CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG CÔNG NGHỆ LỌC BẰNG RỄ (RHIZO-FILTRATION) Môi trường • Chât ô nhiễm • Thực vật • Ứng dụng • Nước thải Pb, Cd, Zn, Ni, Cu •Chất phóng xạ •Hợp Chất hữu cơ kị nước •Chất nổ (RDX) Thuỷ thực vật: •Thực vật nổi •Thực vật ngập nước Ứng dụng trên mô hình bãi ngập CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG CÔNG NGHỆ BAY HƠI QUA LÁ CÂY (PHYTO-VOLATILIZATION) Đất •Bùn lắng Môi trường • Chât ô nhiễm • Thực vật • Ứng dụng • Se, As, Hg •Hợp Chất hữu cơ kị nước bay hơi (VOCs) Cải bẹ xanh (Brassica juncea) •Cây ngập nước •Thực vật ưa nước ngầm Đang ở mức thực nghiệp pilot CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG CÁC PHƯƠNG PHÁP HẬU XỬ LÝ Kỹ thuật Thuận lợi Khó khăn Composting Giảm thể tích và hàm Tốn thời gian lượng nước Đòi hỏi thiết bị đặc biệt Sản phẩm cuối vẫn là chất độc hại Đóng rắn Giảm thể tích Thu hồi kim loại Đòi hỏi thiết bị đặc biệt Sản phẩm cuối vẫn là chất độc hạI Nhiệt phân Giảm thể tích một cách đáng kể Sử dụng sản phẩm (khí nhiệt phân Sản phẩm cuối vẫn là chất độc hạI CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG XỬ LÝ Ô NHIỄM BẰNG THỰC VẬT Kỹ thuật trồng cây CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG Bãi lọc ngập nước Lọc nước Các kỹ thuật xử lý bằng trồng cây xử lý nước ngầm xử lý đất ô nhiễm xử lý khí CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG XỬ LÝ Ô NHIỄM BẰNGfor THỰC VẬT: Constructed Wetland Wastewater Kỹ thuật bãi lọc ngập nước Treatment Nutrients Dinh dưỡng Nướcvào Inffluent Saída Outlet Equalization basin Nước thải Industrial công discharge nghiệp Inlet Effluent sampling point Lấy mẫu phân tích Pilot beds 10 9 8 7 6 5 Bed 4 Bãi Bed 3lọc Bed 2 Bed 1 1-4 4 3 2 1 Effluent Nước ra CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG XỬ LÝ Ô NHIỄM BẰNG THỰC VẬT: Kỹ thuật bãi lọc ngập nước CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG XỬ LÝ Ô NHIỄM BẰNG THỰC VẬT: Kỹ thuật bãi lọc ngập nước 10000 1000 ppm NO3 in NO3 out 100 CODin CODout 10 1 ul /J 13 l Ju 3/ un /J 23 un /J 13 n Ju 3/ ay /M 24 Kết quả: loại 90% Nitrát và COD ! CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG XỬ LÝ Ô NHIỄM BẰNG THỰC VẬT: Kỹ thuật bãi lọc ngập nước Concentration (ppm) 1000 100 ANLin MNBin ANLef 10 MNBef 1 -O 17 ct ay ug -A 28 l Ju 9- -M 20 ar eb -M 31 F 9- Loại > 90% hợp chất thơm CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG XỬ LÝ Ô NHIỄM BẰNG THỰC VẬT: Kỹ thuật trồng cây xử lý nước ngầm •1999 •Argonne East, USA •Chất ô nhiễm: KLN, chất phóng xạ, dung môichứa Clo •1996 •Fort Worth, Texas USA •Chất ô nhiễm:TCE •Độ sâu 6 - 10 feet CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG XỬ LÝ Ô NHIỄM BẰNG THỰC VẬT: Kỹ thuật trồng cây xử lý nước ngầm 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 Trồng cây xử lý 1987 1988 1990 1994 1996 Alachlor Antrazin Metachlor •Địa điểm: Oconee, Illinois, UAS •Chất ô nhiễm: Nitrat, Ammoni & TBVTV •Độ sâu 6 - 10 feet Metribuzin CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG XỬ LÝ Ô NHIỄM BẰNG THỰC VẬT: Đánh giá CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG XỬ LÝ Ô NHIỄM BẰNG THỰC VẬT: ƯU ĐIỂM n n n n n n n Dùng ánh sáng mặt trời Xử lý tại chỗ Được chấp nhận rộng rãi Chi phí thấp: 10-20% so với các phương pháp truyền thống Ít chất thải thứ cấp hơn Không có mùi hôi thối Đất sau xử lý có thể tiếp tục sử dụng CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG XỬ LÝ Ô NHIỄM BẰNG THỰC VẬT: NHƯỢC ĐIỂM n n n n n n n n Sinh khối giới hạn Chỉ giới hạn cho tầng đất nông, nước chảy và nước ngầm Tích luỹ nhiều chất ô nhiễm độc hại sẽ gây độc cho cây Khả năng hấp thụ sinh học và độc tính của các sản phẩm phân huỷ chưa được xác định Chậm hơn các phương pháp truyền thống Chỉ thích hợp với các chất ô nhiễm ưa nước Chất ô nhiễm có khả năng đi vào chuỗi thực phẩm thông qua động vật ăn cây cỏ Các chất ô nhiễm có khả năng ngấm sâu hơn vào nước ngầm theo rễ sâu CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG So sánh chi phí xử lý kim loại nặng ô nhiễm trong đất Trồng cây (Phytoremediation) 25 - 100 Nung nóng 40 - 600 Rửa đất 50 - 150 Điện phân 50 - 300 Đóng rắn/ Làm ổn định 75 - 205 Chiết rửa đất tại chỗ 75 - 210 Chôn lấp 100 - 500 Hòa tan/ chiết bằng axít 150 - 400 Nhiệt giải hấp 150 - 500 Nhiệt xử lý 200 - 450 CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG So sánh chi phí xử lý chất ô nhiễm hữu cơ trong đất Trồng cây (Phytoremediation) Xử lý tại chỗ bằng pp vi sinh 10 - 35 50 - 150 Trộn không khí 20 - 220 Rửa đất 80 - 200 Nung nhiệt trực tiếp 120 - 300 Đóng rắn/ Làm ổn định 240 - 340 Chiết bằng dung môi 360 - 440 Đốt 200 - 1500 CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG XỬ LÝ Ô NHIỄM BẰNG THỰC VẬT Yếu tố và điều kiện thành công CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG CHUYỂN DẠNG (PHYTO-TRANSFORMATION) Cơ sở lý thuyết Nhân tố quyết định Điều kiện thành công Dữ liệu cần thiết Các hợp chất hữu cơ được hấp thu và biến đổi Hấp thu bởi thực vật, chuyển hóa, bay hơi •Log Kow = 1-3.5 •Không gây độc cho thực vật •Độc tính •Con đường chuyển hóa CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG XỬ LÝ BẰNG VÙNG RỄ (RHIZOSPHERE BIOREMEDIATION) Cơ sở lý thuyết Nhân tố quyết định Điều kiện thành công Dữ liệu cần thiết Hệ rễ dày hấp thu hóa chất và kích thích vi khuẩn phát triển Vi sinh phân hủy, cần hệ rễ dày Các hợp chất có khả năng bị phân huỷ bởi vi sinh hiếu khí •Độc tính •Con đường chuyển hóa CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG CỐ ĐỊNH (PHYTO-STABILIZATION) Cơ sở lý thuyết Nhân tố quyết định Điều kiện thành công Dữ liệu cần thiết Rễ giữ đất và nước, cố định kim loại Kiểm soát nguồn nước, ổn định và cố định đất •Hệ rễ phát triển mạnh •Dùng cho các chất có thể bị cố định Khả năng làm giảm ngấm và xói mòn đất CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG CHIẾT ĐẤT(PHYTO-EXTRACTION) Cơ sở lý thuyết Nhân tố quyết định Điều kiện thành công Dữ liệu cần thiết Cây sinh trưởng khỏe, hấp thu và tích lũy các chất ô nhiễm ơ hàm lượng khá cao Khả năng sản xuất sinh khối và tích lũy chất ô nhiễm trong các bộ phận có thể thu hoạch •> 3 tấn sinh khối khô/ha.năm •> 1000 mg/kg kim loại •Xử lý đất ô nhiễm nhẹ cho đạt tiêu chuẩn Khả năng thu hồi kim loại hoặc thải bỏ an toàn CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG LỌC BẰNG RỄ (RHIZO-FILTRATION) Cơ sở lý thuyết Nhân tố quyết định Điều kiện thành công Dữ liệu cần thiết Rễ cây hấp thu và cố định các chất ô nhiễm Hấp thu/lọc qua rễ, cây có khả năng chịu ngập nước •Mật độ cây 200-1000 g/m2 •Thời gian chịu ngập nước là vài ngày Tốc độ xử lý ô nhiễm CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG Ảnh hưởng của EDTA đến hiệu quả loại KLN (thí nghiệm trong nhà kính với cây bắp, Zea mays) Hàm lượng KLN trong đất / lá (mg/kg trọng lượng khô) Xử lý Pb Zn Cd Cu Không xử lý 2.8 / 34.4 3.3 / 293 1.2 / 42.3 0.3 / 13.1 0.5 mg EDTA kg- 104 / 198 23.8 / 296 13.2 / 58.7 5.3 / 20.1 1 đất CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG Xử lý chất thải đi kèm tạo sản phẩm (BIOTREATMENT- BIOCONVERSION) CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG VÌ SAO CẦN DÙNG DẠNG NĂNG LƯỢNG SẢN XUẤT BẰNG CON ĐƯỜNG SINH HỌC (BIO-FUELS)? n n n n n n Giải pháp thay thể nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt Giảm phát thải CO2. Giảm ô nhiễm môi trường do các phương tiện giao thông Ít độc hơn các dạng năng lượng hóa thạch như xăng dầu hay diesel Nguồn cung cấp năng lượng dồi dào, giá thành kiểm soát được. Mở ra một ngành công nghiệp mới tạo thêm công ăn việc làm cho người lao động. CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG BIO-FUELS & CÁC DẠNG NĂNG LƯỢNG KHÁC CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG SINH KHỐI SẢN XUẤT BIO-FUELS: Ngũ cốc, lúa gạo, tinh bột, đường Vật liệu chứa cellulose : cỏ, ,cây, phế phẩm nông nghiệp, gỗ thừa, chất thải rắn Chất thải hữu cơ: chế biến cá, mỡ động vật… cây lấy dầu: cải dầu, đậu nành, hướng dương… Lên men (dẽ dàng) Etanol Lên men (phức tạp) Etanol Biogas Lên men Methylester diesel diesel Biogas CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG SINH KHỐI CHO SẢN XUẤT BIO-FUELS: Loại Thí dụ Cây trồng chuyên canh Rừng ngắn ngày (bạch đàn, dương) Cây dài ngày (cỏ miscanthus) Cây vụ mùa (cải dầu, mía, củ cải đường) Phế phẩm Gỗ thừa trong ngành mộc Gỗ thừa khi đốn cây Rơm rạ sau khi thu hoạch ngũ cốc Các loại phế phẩm khác từ ngành công nghiệp chế biến nông sản (mía, trà, cà phê, cao su, dầu cọ và dầu dừa) Phụ phẩm và chất thải Chất thải của các nhà máy cưa Phân bón Bùn cống Thành phần hữu cơ trong rác thải đô thị Dầu thực vật và chất béo đã qua sử dụng CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG XỬ LÝ SINH KHỐI TẠO NĂNG LƯỢNG SINH HỌC Xử lý nhiệt Xử lý Xử lý cơ sinh học học Nhiệt phân Sản phẩm Thị trường Bio-oil Hoá chất Khí hoá Fuel-gas Nhiệt Đốt Nhiệt Điện Sản phẩm của thực vật sau Phytoremediation Lên men Etanol Phân huỷ Bio-gas Xử lý cơ học Dầu ép Nhiên liệu CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG XỬ LÝ SINH KHỐI - TẠO SẢN PHẨM XỬ LÝ SINH HỌC Phương pháp Sản phẩm sơ cấp Sản phẩm thứ cấp Thuỷ phân Đường Thức ăn động vật Lên men Dung môi hữu cơ, acid, rượu Phân huỷ kỵ khí Phân huỷ hiếu khí Điện Gas MHV Hoá chất hữu cơ Sản phẩm phân huỷ Metan Phân trộn Chất ổn định đất CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG XỬ LÝ CHẤT THẢI-TẠO SẢN PHẪM Nguyên lý năng lượng, sinh khối CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG NĂNG LƯỢNG CHUYỂN HÓA TRONG QUÁ TRÌNH SINH TRƯỞNG CỦA VI SINH VẬT Hiếu khí (cần Oxy) Nhiệt (40%) DGKj (100%) Sinh khối (C,H,O,N,S) (60%) CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG NĂNG LƯỢNG CHUYỂN HÓA TRONG QUÁ TRÌNH SINH TRƯỞNG CỦA VI SINH VẬT Kị khí (không cần/cần rất ítOxy) Tạo CH4 (95%) DGKj (100%) Tạo Sinh khối Tạo Nhiệt (3-5%) CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG CƠ CHẤT CHUYỂN HÓA TRONG QUÁ TRÌNH SINH TRƯỞNG CỦA VI SINH VẬT Hiếu khí (cần Oxy) 6CO2+ 6H2O(50%) Glucose C6H12O6 +6O2 (100%) Sinh khối lớn (C,H,O,N,S) (50%) CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG CƠ CHẤT CHUYỂN HÓA TRONG QUÁ TRÌNH SINH TRƯỞNG CỦA VI SINH VẬT Kị khí (không cần/cần rất ítOxy) 3CH4+ 3 CO2 (90-95%) Glucose (100%) Sinh khối rất nhỏ (5-10%) CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG CƠ CHẤT CHUYỂN HÓA HIẾU KHÍ TRONG QUÁ TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI, CHẤT THẢI Hiếu khí (cần Oxy) CO2 (50%) Carbon trong chất thải (100%) BÙN (50%) CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG CƠ CHẤT CHUYỂN HÓA KỊ KHÍ TRONG QUÁ TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI, CHẤT THẢI Kị khí (không cần/cần rất ítOxy) Khí sinh học (CH4, H2S, CO2, NH3) (90-95%) Carbon trong chất thải (100%) Sinh khối rất nhỏ (5-10%) CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG XỬ LÝ CHẤT THẢI-TẠO SẢN PHẪM Công nghệ xử lý nước thải sinh metan (CH4) CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG SINH KHÍ METAN (CH4) n Cơ chế phản ứng kị khí: n Vi khuẩn sinh metan từ acetic axít (Acetoclastic methanogens) CO2 + 4H2 ® CH4 + 2H2O n Vi khuẩn sinh metan từ hydro (H2-utilizing methanogens) CH3COOH ® CH4 + CO 2 CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG XỬ LÝ CHẤT THẢI –SINH METAN: Nguồn nước thải, chất thải rắn n Chế biến phô mai và bơ sữa n Chế biến trái cây và rau quả n Chế biến đường n Chế biến ngũ cốc và lúa mì n Sản xuất nước uống n Nhà máy bia n Chưng cất rượu n Chế biến cá và thuỷ hải sản n Lò mổ và đóng gói thịt n Nước rỉ rác n Giấy và bột giấy n Dược n Sản xuất hoá chất CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG CÔNG NGHỆ SINH KHÍ METAN (CH4) Các phương pháp xử lý kỵ khí Trạng thái lơ lửng Bể phân huỷ khuấy trộn hoàn toàn Lai hợp Có sử dụng giá thể Giá thể cố định Tiếp xúc kị khí UASB/ lớp cố định UASB Hồ kỵ khí Giá thể bùn trôi nổi/trương nở CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG SINH KHÍ METAN (CH4): hiệu suất giảm COD Loại bể Tốc độ xử lý (kg COD m-3 day-1) Khuấy trộn hoàn toàn (CSTR) 1-2 Contact 2-5 UASB 2 - 30 Giá thể cố định 10 - 30 Giá thể trôi nổi 40 - 80 CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG SINH KHÍ METAN (CH4): Xử lý theo mẻ Cấp khí gas trở lại Nước sau xử lý Bùn hoạt tính lấy đi 15% CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG SINH KHÍ METAN (CH4): Hệ thống CSTR Khuấy cơ học Trộn băng biogas hoàn lưu CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG SINH KHÍ METAN (CH4): Bể phân huỷ khuấy trộn hoàn toàn Bể phân huỷ khuấy trộn hoàn toàn CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG SINH KHÍ METAN (CH4): Bể tiếp xúc kị khí Loại khí Nước đầu vào Nước đầu ra Bùn hoạt tính Chất rắn hoàn lưu CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG SINH KHÍ METAN (CH4): Bùn cố định Nước ra Nước ra Nước vào Nước hoàn lưu CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG SINH KHÍ METAN (CH4): Lọc kị khí (AF) Lớp bùn trôi nổi Nước vào Nước ra CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG SINH KHÍ METAN (CH4): Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) Nước ra Nước vào Ưu điểm n Kỹ thuật đơn giản, đáng tin cậy n Tiêu thụ ít năng lượng n Hiệu xuất xử lý cao trong thời gian ngắn Nhược điểm n Quá trình tạo bùn hạt tốn thời gian và khó kiểm soát n Khó xử lý khi hàm lượng chất rắn cao CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG XỬ LÝ CHẤT THẢI-TẠO SẢN PHẪM Công nghệ xử chất thải rắn sinh metan (CH4) CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG XỬ LÝ CHẤT THẢI RẮN –SINH METAN: Xử lý mẻ liên tục Sơ đồ cơ sở Nạp CTR Kết thúc Phản ứng - tạo khí metan Mẻ - 1 Mẻ - 2 Mẻ - 3 Quá trình thu khí liên tục CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG XỬ LÝ CHẤT THẢI RẮN –SINH METAN: Xử lý đẩy ống (Pluglow) liên tục Gas CTR vào CTR sau xử lý CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG XỬ LÝ CHẤT THẢI-TẠO KHÍ METAN Yếu tố ảnh hưởng CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG CÔNG NGHỆ XỬ LÝ CHẤT THẢI –SINH METAN: Yếu tố ảnh hưởng n Nguồn gốc và tính chất của nước thải n Hàm lượng chất ô nhiễm hữu cơ n Nhiệt độ nước thải n Hàm lượng chất rắn lơ lửng n Sự hiện diện của các chất độc n Tải lượng dự kiến n Ức chế do biogas và bùn lắng tạo thành n Tốc độ tạo sinh khối từ chất hữu cơ CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG CÔNG NGHỆ XỬ LÝ CHẤT THẢI –SINH METAN: Nhu cầu một số vi lượng kim loại cho Vi khuẩn kị khí CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG CÔNG NGHỆ XỬ LÝ CHẤT THẢI –SINH METAN: Vi khuẩn kị khí ức chế bởi Kim loại Ức chế trung bình Ức chế mạnh (mg/l) (mg/l) Na 3500-5500 8000 K 2500-4500 12000 Ca 2500-4500 8000 Mg 1000-1500 3000 NH4 1000-3000 3000 S2- 200 200 Kim loại Cu 0.5 (hòa tan 50-70 (tổng) Cr(6) 3.0 (hòa tan) 200-600 (tổng) Cr(3) 180-420 (tổng) Ni 2.0 (hòa tan) 30 (tồng) 1.0 (hòa tan) Zn CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG CÔNG NGHỆ XỬ LÝ CHẤT THẢI –SINH METAN: Chất hữu cơ ức chế Vi khuẩn sinh metan CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG XỬ LÝ CHẤT THẢI-TẠO KHÍ METAN Đánh giá CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG CÔNG NGHỆ XỬ LÝ CHẤT THẢI –SINH METAN: So sánh với công nghệ xử lý hiếu khí n n n Thể tích xử lý hiếu khí lớn gấp 5-10 lần Lượng sinh khối bùn chỉ chiếm 5-20 % sinh khối thu được của xử lý hiếu khí Dinh dưỡng cung cấp chỉ chiếm 5-20 % dinh dưỡng cho xử lý hiếu khí n Sinh khối bùn có thể giữ hoạt tính tới 1 năm n Không cần năng lượng để cấp khí n Hiệu suất sinh mêtan có thể lên đến 12 triệu BTU/1tấn COD phân huỷ CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG CÔNG NGHỆ XỬ LÝ CHẤT THẢI – SINH METAN: Ưu điểm n Chịu tải lượng lớn n Quá trình ổn định n Giảm chi phí n Giảm diện tích thiết kế n Giảm lượng dinh dưỡng N,P,K cung cấp n Tiết kiệm năng lượng vận hành n Giảm thiểu nhân công vận hành n Giảm khí thải đầu ra n Chống hiện tượng trào bọt của nước thải n Phân hủy được các chất hữu cơ mà không thể phân huỷ hiếu khí n Giảm độ độc của các hợp chất cơ Clo n Tiên lượng trước được quá trình xử lý CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG CÔNG NGHỆ XỬ LÝ CHẤT THẢI – SINH METAN: Nhược điểm n Giai đoạn thích nghi khá lâu n Không hiệu quả với nước thải loãng có độ kiềm cao họăc chứa nhiều đường n Hiệu quả không đủ để thải trong một số trường hợp n Đối với nướcthải loãng khó khăn để nâng nhiệt độ lên 35 oC (tối ưu) n Trong khí metan có chứa H2S và mùi hôi khác n Không thực hiện được quá trình nitrogen hoá n Một số hợp chất cơ Clo (alipatic) dễ gây đôc cho Vi khuẩn sinh metan n Ở nhiệt độ thấp tốc độ phản ứng rất chậm n Nồng độ NH4 cao (40-70 mg/l) đòi hỏi hoạt tính tối đa CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG Ví dụ: XỬ LÝ BÙN –SINH METAN ở Netherland CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG Ví dụ: XỬ LÝ NƯỚC THẢI –SINH METAN Ở ẤN ĐỘ CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG Ví dụ: ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CÁC CÔNG NGHỆ SINH METAN với nước thải cất rượu tại Ấn Độ) CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG Tạo metan từ Nước thải và bùn thải công nghiệp mia đường Nước thải Bùn nén CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG XỬ LÝ CHẤT THẢI-TẠO SẢN PHẪM CÔNG NGHỆ SINH KHÍ HYDRO(H2) CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG CÔNG NGHỆ SINH KHÍ H2: Cơ chế quang tổng hợp H+ H+ + e- Ferredoxin Hydrogenase + ATP + e- H2 Ferredoxin Nitrogenase H2 CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG CÔNG NGHỆ SINH KHÍ H2: Cơ chế lên men H+ + e- NADH Ferredoxin Hydrogenase Ferredoxin H2 NAD+ +H2 CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG Các phương pháp sản xuất H2 sinh học Quá trình Phản ứng Vi sinh vật CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG CÔNG NGHỆ SINH KHÍ H2: lên men CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG Sản xuất H2, CH4, acetate từ chất thải chứa Lactose bằng nuôi cấy hỗn hợp Clostridium + Methanothermobacter H2 Sản phẩm Metan CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG Ví dụ: Sản xuất H2, CH4, acetate từ chất thải rắn sinh hoạt A. B. Các quá trình qua 2 giai đoạn. Giai đoạn 1: vi khuẩn Thermotoga elfii phân hủy chất thải tạo H2 và axit axetic Giai đoạn 2: lên men axit axetic tạo ra khí metan CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG XỬ LÝ CHẤT THẢI-TẠO SẢN PHẪM CÔNG NGHỆ SINH ETANOL n CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG n CÔNG NGHỆ SINH ETANOL CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG CÔNG NGHỆ SINH ETANOL n n BIO-ETANOL n Hydrate hóa Ethylene (C2H4) Lên men đường Glucose (C6H12O6) Lên men CTR sinh hoạt Hãng Ford tập trung chế tạo xe sử dụng etanol. Châu Âu đặt mục tiêu thay thế 5.75 % lượng xăng dầu hiện tại bằng năng lượng sinh học vào năm 2010. CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG CÔNG NGHỆ SINH ETANOL: nguồn sinh khối Phụ phẩm nông nghiệp CTR sinh hoạt Gỗ cây ngắn ngày Cây chứa nhiều đường CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG CÔNG NGHỆ SINH ETANOL: phản ứng lên men CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG CÔNG NGHỆ SINH ETANOL: Hiệu quả chuyển hóa CHUYỂN HÓA THẤP NHẤT CAO NHẤT TRUNG BÌNH CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG CÔNG NGHỆ SINH ETANOL TỪ GỖ Gỗ: Cellulose Hemocellulose Các polysaccharides Thủy phân Glucose (đường 6 C) Xylose (đường 5 C) Nấm men Vi khuẩn Etanol CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG Ví dụ: Etanol từ chất thải công nghiệp mía đường Hawaii Sản phẩm phụ v ETANOL+ CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG CÔNG NGHỆ SINH ETANOL: các dạng công nghệ 1. Lên men đường đã có sẵn 2. Thủy phân bằng axít đặc - trung hòa-lên men 3. Phân hủy HC có Nitơ - Thủy phân-lên men 4. Phân hủy bằng hơi - thủy phân-lên men 5. Phân hủy bằng axít - lên men bằng vi sinh vật chuyển gen (MGO) CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG 3. Thủy phân bằng axít đặc - trung hòa-lên men CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG 2. Phân hủy HC có Nitơ-Thủy phân-lên men CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG n 5. Phân hủy băng axít-lên men bằng vi sinh vật chuyển gen (GMO)