Xử lý KLN nhờ vi tảo

[chumanhdang]

LÂM NGỌC TUẤN

Đại học Đà Lạt

1. Đặt vấn đề.

Số lượng ngày càng tăng của kim loại nặng trong môi trường là nguyên nhân gây nhiễm độc đối với đất, không khí và nước. Việc loại trừ các thành phần chứa kim loại nặng độc ra khỏi các nguồn nước, đặc biệt là nước thải công nghiệp là mục tiêu môi trường quan trọng bậc nhất phải giải quyết hiện nay.

Đã có nhiều giải pháp được đưa ra nhằm loại bỏ kim loại nặng trong nước thải trước khi thải ra môi trường. Bên cạnh các phương pháp hóa - lý với những ưu thế không thể phủ nhận được người ta đã bắt đầu nghiên cứu sử dụng các biện pháp sinh học vì nhiều loài sinh vật có khả năng hấp thu kim loại nặng. Xử lý kim loại nặng dựa trên hiện tượng hấp thu sinh học (biosorption) có thể là một giải pháp công nghệ của tương lai. Trong số các sinh vật có khả năng đóng vai trò là chất hấp thu sinh học (biosorbent) thì các loài tảo được đặc biệt chú ý. Rất nhiều trong số đó là các loài tảo có kích thước hiển vi hay còn gọi là vi tảo (microalgae).

2. Vài nét về ô nhiễm kim loại nặng trong nước thải và các phương pháp xử lý.

a. Ô nhiễm kim loại nặng trong nước thải công nghiệp.

Hầu hết các kim loại nặng như Pb, Hg, Cd, As, Cu, Zn, Fe, Cr, Co, Mn, Se, Mo... tồn tại trong nước ở dạng ion. Chúng phát sinh từ nhiều nguồn khác nhau, trong đó chủ yếu là từ các hoạt động công nghiệp.

Khác với các chất thải hữu cơ có thể tự phân hủy trong đa số trường hợp, các kim loại nặng khi đã phóng thích vào môi trường thì sẽ tồn tại lâu dài. Chúng tích tụ vào các mô sống qua chuỗi thức ăn mà ở đó con người là mắt xích cuối cùng.

Quá trình này bắt đầu với những nồng độ rất thấp của các kim loại nặng tồn tại trong nước hoặc cặn lắng, rồi sau đó được tích tụ nhanh trong các động vật và thực vật sống trong nước. Tiếp đến là các động vật khác sử dụng các thực vật và động vật này làm thức ăn, dẫn đến nồng độ các kim loại nặng được tích lũy trong cơ thể sinh vật trở nên cao hơn. Cuối cùng ở sinh vật cao nhất trong chuỗi thức ăn, nồng độ kim loại sẽ đủ lớn để gây ra độc hại. Con người, xét theo quan điểm sinh thái, thường có vị trí cuối cùng trong chuỗi thức ăn, vì thế họ vừa là thủ phạm vừa là nạn nhân của ô nhiễm kim loại nặng.

Nguồn ô nhiễm kim loại nặng từ các hoạt động công nghiệp là hết sức phong phú: công nghiệp hóa chất, khai khoáng, gia công và chế biến kim loại, công nghiệp pin và ắc qui, công nghiệp thuộc da...

Tác động của kim loại nặng tới môi trường nước có thể theo các hướng sau:

- Độc hại đối với cá và các sinh vật thủy sinh khác.

- Tác động xấu tới chất lượng hệ thống cống rãnh.

- ảnh hưởng xấu tới quá trình xử lý sinh học.

- Làm ô nhiễm nước mặt và nước ngầm.

Cho đến nay, độc tính của nhiều kim loại nặng đối với môi trường và con người được biết khá chi tiết. Trong số đó Pb, Cr, Cd, As, Hg, Cu, Ni,... là những kim loại nặng vô cùng độc hại. Các tác động và cơ chế gây độc của nhiều kim loại nặng đối với cơ thể người và động vật cũng đã được tìm ra, tuy nhiên nhân loại đã phải trả một giá khá đắt để có được nhận thức này. Bệnh Minamata ở Nhật Bản, câu chuyện về loài chim scopa ở Thụy Điển, vụ ô nhiễm Cadmi ở Cộng Hòa Liên Bang Đức những năm 70..., là những ký ức đau buồn liên quan tới sự thiếu hiểu biết của chúng ta đối với việc sử dụng và quản lý các hợp chất chứa các kim loại nặng độc hại.

[chumanhdang]

b. Xử lý ô nhiễm kim loại nặng bằng các phýõng pháp hóa lý.

Bằng con ðýờng xử lý hóa học ngýời ta có thể loại trừ kim loại nặng ra khỏi nýớc thải. Với các nguồn nýớc thải công nghiệp có nồng ðộ kim loại nặng cao và pH cực ðoan thì việc xử lý chúng bằng các phýõng pháp hóa lý là rất ýu thế.

Các phýõng pháp hóa lý thýờng ðýợc sử dụng là:

- Phýõng pháp bay hõi.

- Phýõng pháp kết tủa hóa học.

- Phýõng pháp trao ðổi ion.

- Phýõng pháp hấp phụ.

- Kỹ thuật màng.

- Phýõng pháp ðiện hóa.

Khi nồng ðộ kim loại trong nýớc thải cao, khối lýợng nýớc thải không quá lớn thì các phýõng pháp xử lý hóa-lý tỏ ra rất hiệu quả. Tuy nhiên, nýớc thải sau khi ðýợc xử lý vẫn còn một lýợng kim loại nặng nhất ðịnh. Ðiều này không phải là không nguy hiểm ðối với môi trýờng. Ðiều quan trọng là phýõng thức xử lý hóa lý có thể không hiệu quả hoặc quá ðắt khi nồng ðộ khởi ðầu của kim loại nặng trong nýớc thải chỉ khoảng 10-100 mg/lít. Và nhý vậy, trong những ðiều kiện mà phýõng pháp xử lý hóa lý tỏ ra quá ðắt và quá phức tạp thì các biện pháp sinh học có cõ hội thay thế một cách thành công.

c. Xử lý ô nhiễm kim loại nặng bằng các phýõng pháp sinh học.

Cõ sở của phýõng pháp này là hiện týợng nhiều loài sinh vật (thực vật thủy sinh, tảo, nấm, vi khuẩn...) có khả nãng giữ lại trên bề mặt hoặc thu nhận vào bên trong các tế bào của cõ thể chúng các kim loại nặng tồn tại trong ðất và nýớc (hiện týợng hấp thu sinh học-biosorption).

Các phýõng pháp sinh học ðể xử lý kim loại nặng bao gồm:

- Sử dụng các vi sinh vật kỵ khí và hiếu khí.

- Sử dụng thực vật thủy sinh.

- Sử dụng các vật liệu sinh học.

3. Khả nãng sử dụng vi tảo ðể xử lý kim loại nặng trong nýớc thải.

a. Những ýu thế:

Ngýời ta ðã phát hiện rằng nhiều loại sinh khối có thể hấp thu (sorption) kim loại nặng trong nýớc, trong số ðó có sinh khối vi tảo. Các nghiên cứu ðã chỉ ra rằng việc sử dụng sinh khối sống và chết của các loại vi tảo ðể hấp thu kim loại nặng có những ýu thế ðặc biệt:

- Nhiều loại vi tảo có khả nãng thu nhận kim loại nặng ở mức ðộ cao, nồng ðộ kim loại nặng tích lũy bên trong các cấu trúc tế bào của chúng có thể cao gấp hàng nghìn lần nồng ðộ trong tự nhiên.

- Diện tích bề mặt riêng của sinh khối vi tảo vô cùng lớn làm cho chúng rất hiệu quả trong việc loại trừ và tái thu hồi kim loại nặng trong nýớc thải.

- Sự hấp thu sinh học các ion kim loại nhờ tảo tốt hõn so với sự kết tủa hóa học ở khả nãng thích nghi với sự thay ðổi pH và nồng ðộ kim loại nặng; tốt hõn phýõng pháp trao ðổi ion và thẩm thấu ngýợc ở khả nãng nhạy cảm với sự hiện diện của chất rắn lõ lửng, các chất hữu cõ, và sự hiện diện của các kim loại khác.

- Có khả nãng xử lý với một thể tích lớn nýớc thải với tốc ðộ nhanh.

- Có tính chọn lọc cao nên nồng ðộ kim loại nặng còn lại sau xử lý sinh học có thể chỉ còn thấp hõn 1ppm trong nhiều trýờng hợp.

- Hệ thống xử lý sinh học không cần các thiết bị hóa chất ðắt tiền, dễ vận hành, phù hợp với các ðiều kiện hóa lý khác nhau nên giá thành thấp (chỉ bằng khoảng 1/10 giá thành của phýõng pháp trao ðổi ion).

- Trong hoạt ðộng quang hợp của mình, vi tảo còn thu nhận một lýợng lớn khí CO2, các muối dinh dýỡng, có tác dụng làm giảm hiệu ứng nhà kính, ngãn ngừa và khắc phục tình trạng phì dýỡng (eutrophication) của môi trýờng nýớc.

Chính vì thế vi tảo có thể là một lựa chọn ðõn giản và hiệu quả ðể loại trừ kim loại nặng trong nýớc thải công nghiệp.

b. Những thách thức.

- Thách thức lớn nhất ðối với việc sử dụng vi tảo ðể loại trừ kim loại nặng trong nýớc thải là khả nãng hấp thu kim loại nặng của các loài tảo khác nhau là rất khác nhau. Trong số hàng ngàn loài vi tảo ðã ðýợc phân loại thì mới chỉ có rất ít loài ðýợc nghiên cứu về khả nãng thu nhận kim loại nặng của chúng. Việc tìm kiếm, chọn lọc những chủng, loài tảo có khả nãng hấp thu mạnh mẽ kim loại nặng là một nhiệm vụ to lớn của các nhà nghiên cứu hiện nay. Trạng thái của sinh khối tảo, cách thức tiền xử lý sinh khối trýớc khi ðem hấp thu kim loại nặng cũng có những ảnh hýởng quan trọng tới nãng lực hấp thu. Vì lý do thýõng mại, các chủng tảo có khả nãng hấp thu kim loại nặng cao và phýõng pháp tiền xử lý sinh khối thýờng không ðýợc công bố.

- Do kích thức nhỏ nên việc thu hồi sinh khối vi tảo từ môi trýờng xử lý là khá khó khãn. Hiện ðây vẫn là một công ðoạn tốn kém nhất. Giải pháp cho vấn ðề này có thể là sử dụng các tế bào vi tảo ðýợc cố ðịnh trong các chất mang nhý silicagel, polyacrylamide, polyvinyl, polyurethane, agar, alginat, carrageenan, chitosan... Rất nhiều nghiên cứu hiện ðang triển khai theo hýớng này.

- Các nguồn nýớc thải có chứa kim loại nặng trong nhiều trýờng hợp còn chứa nhiều thành phần hóa học khác có ðộc tính cao với các sinh vật sống vì vậy cần phải tiến hành xử lý sõ bộ trýớc khi ðýa tảo vào ðể xử lý kim loại nặng. Có thể nói rằng vi tảo chỉ thực hiện một số công ðoạn trong quá trình xử lý nýớc thải, chủ yếu là tham gia vào giai ðoạn xử lý cấp II và cấp III.

[chumanhdang]

c. Những hướng nghiên cứu chính và những thành tựu.

Sự thu hút kim loại nặng bởi tảo đã được tập trung nghiên cứu trong những thập niên gần đây. Các nghiên cứu chính về vấn đề này hiện nay là:

- Phân lập và chọn lọc các chủng, loài vi tảo có khả năng hấp thu kim loại nặng.

- Nghiên cứu cơ chế hấp thu và chuyển hóa kim loại nặng của vi tảo.

- Nghiên cứu động học của quá trình hấp thu kim loại nặng ở tảo trong những điều kiện khác nhau.

- Nghiên cứu xây dựng các quy trình công nghệ xử lý kim loại nặng bằng vi tảo.

Người ta đã phát hiện ra khả năng hấp thu kim loại nặng của các loài tảo thuộc chi Chlorella, Stichococcus, Anabaena, Aphanocapsa, Nostoc... Khả năng hấp thu kim loại nặng của một số loài vi tảo là vô cùng lớn.

Về cơ chế hấp thu kim loại nặng, các nghiên cứu cho thấy:

Hấp thu kim loại nặng bởi tế bào tảo là một quá trình phức tạp. Có nhiều cơ chế loại các kim loại nặng ra khỏi dung dịch. Khả năng và cơ chế hấp thu có thể thay đổi rất nhiều ở các cơ thể khác nhau.

Nhìn chung quá trình hấp thu kim loại ở vi sinh vật được coi là gồm hai pha:

- Pha thứ nhất được gọi là sự hấp phụ sinh học. Sự hấp thu sinh học các kim loại nặng có thể được biểu diễn bằng các đường đẳng nhiệt Freundlich hoặc Langmuir thể hiện một mối tương quan theo cân bằng tuyến tính giữa nồng độ kim loại nặng trong dung dịch và nồng độ kim loại nặng liên kết với bề mặt tế bào. ở tảo có nhiều vị trí liên kết tiềm tàng nằm trên thành tế bào và các khuôn ngoại bào do chúng được cấu tạo từ polysaccharid, celluose, acid uronic và các protein. Cả hai loại liên kết ion và cộng hóa trị đều tham gia vào việc hấp thu sinh học lên các protein và các polysaccharid quan trọng. Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng hấp thu sinh học có thể bị ảnh hưởng của các cation khác, bởi pH, bởi mật độ tế bào.

Tuy nhiên, độc tính và sự chết của tế bào có thể dẫn đến sự hấp thu nội bào không đặc hiệu. Tỷ lệ hấp thu sinh học trên hấp thu toàn phần và năng lực hấp thu có thể dao động giữa các loài tảo rất khác nhau. ở Ankistrodesmus braunii và Chlorella vulgaris, sự liên kết Cd lên thành tế bào có thể chiếm tới 80% hấp thu toàn phần. Tuy nhiên ở Eremosphaera viridis sự hấp thu nội bào lại chiếm phần lớn trong hấp thu toàn phần.

- Pha thứ hai được gọi là sự tích tụ sinh học (bioaccumulation) hay hấp thu nội bào. Sự hấp thu nội bào ở tảo rất mẫn cảm với sự thiếu ánh sáng. Sau hấp thu nội bào, nồng độ kim loại nặng trong nội bào có thể lớn hơn vài nghìn lần so với bên ngoài. Vì thế lượng kim loại nặng tích lũy được nhờ vận chuyển tích cực có thể vượt hơn rất nhiều so với lượng hấp thu nhờ quá trình lý hóa. Tốc độ hấp thu nội bào có thể bị ảnh hưởng bởi trạng thái sinh lý của tế bào cũng như bản chất và thành phần của môi trường dinh dưỡng. Một số trường hợp chủng tảo đề kháng hấp thu ion kim loại ít hơn so với các chủng mẫn cảm. Tuy nhiên một số chủng khác, sau khi đã hấp thu một lượng lớn kim loại nặng vẫn sinh trưởng tốt.

Như đã trình bày ở trên, do kích thước nhỏ bé nên việc thu hồi sinh khối tảo trong nước thải sau khi xử lý là khá khó khăn. Để khắc phục điều này người ta dùng kỹ thuật cố định tế bào tảo (immobilized cells). Tế bào tảo được đưa vào trong các loại chất mang khác nhau, sao cho tế bào tảo vẫn sống trong chất mang và không thay đổi nhiều về trạng thái sinh lý. Việc sử dụng tế bào tảo cố định (immobilized cells) có những thuận lợi rõ ràng: thu hồi sinh khối tảo dễ dàng; thu hồi kim loại nặng từ sinh khối tảo và chất hấp phụ có thể được tái sử dụng nhiều lần; có thể dễ dàng tạo các cột hấp phụ từ tảo đã cố định.

Đã có nhiều nghiên cứu thông báo kết quả về khả năng cố định các tế bào vi tảo lên các chất mang khác nhau. Có nghiên cứu cho thấy sau khi cố định tế bào tảo Chlorella vulgaris lên chất mang là alginate, phức hợp này có khả năng hấp thu Cu nhanh chóng (với hơn 90% ion đồng trong dung dịch được hấp phụ trong vòng 3 giờ).

Nhiều nghiên cứu đã phát hiện thấy sự tăng cường khả năng hấp thu kim loại nặng của sinh khối vi tảo thông qua quá trình xử lý sinh khối như hấp sinh khối trong autoclave ở 121oC trong vòng 15 phút, hay đem sinh khối sấy ở 80oC trong vòng 72 giờ, hoặc sử dụng sinh khối tảo đã đông khô có khả năng hấp phụ kim loại nặng cao hơn sinh khối tươi.

Một thành tựu có sức động viên to lớn với tất cả những ai kỳ vọng vào khả năng hấp thu kim loại nặng bằng sinh khối vi tảo là sự có mặt của các chế phẩm AlgaSORB (và AMT - BIOCLAIM. AlgaSORB (là sinh khối tảo Chlorella vulgaris (sản phẩm của Bio-recovery Systems Inc., New Mexico). Cột chứa AlgaSORB (để xử lý nước thải chứa kim loại nặng (có nồng độ 1-100 mg/lít) có năng suất xử lý tới 380 lít/phút. Chế phẩm AMT - BIOCLAIM có khả năng loại tới 99% các kim loại Pb, Cu, Zn, Cd từ dung dịch.

[chumanhdang]

4. Tình hình nghiên cứu sử dụng vi tảo để xử lý kim loại nặng ở Việt Nam.

ở Việt Nam hiện nay, quy mô và mức độ ô nhiễm kim loại nặng trong nước thải công nghiệp đang gia tăng với tốc độ đáng lo ngại. Việc áp dụng các biệp pháp hóa - lý như đã nêu thường có giá thành cao, khiến nhiều hoạt động công nghiệp vẫn tiếp tục thải nước thải chứa kim loại nặng vào môi trường .

Các điều tra cho thấy các nhà máy ô tô, sản xuất pin và ắc qui, nhà máy thuộc da, các xí nghiệp mạ thải nước thải chứa các kim loại nặng nguy hiểm như Ni, Cr, Fe, Hg, Cu, Pb... Vì vậy nghiên cứu sử dụng vi tảo để loại trừ kim loại nặng trong nước thải công nghiệp ở nước ta là một hướng công nghệ đáng được quan tâm. Tuy nhiên đây là một lĩnh vực còn rất mới mẻ ở Việt Nam. Đã có một vài công trình nghiên cứu liên quan đến lĩnh vực này đạt được một số kết quả trong việc sử dụng chất hấp thu sinh học để xử lý ô nhiễm Cr, Ni, và Pb trong nước thải công nghiệp.

Thử nghiệm cố định tế bào tảo Chlorella pyrenoidosa và Spirulina platensis trên các chất mang khác, xây dựng được phương pháp cố định tế bào vi tảo (Chlorella va Spirulina) trên các chất mang khác nhau như polyurethane, agar và carageenan. Tế bào tảo sau khi cố định vẫn có khả năng hoạt động sống bình thường trong một thời gian dài. Sự hấp thu kim loại nặng phụ thuộc trạng thái của tảo: khi đói dinh dưỡng có khả năng hấp thu cao hơn.

Như vậy triển vọng sử dụng sinh khối vi tảo (sống hay chết, tự do hay cố định) vào việc loại trừ kim loại nặng trong nước thải là to lớn. Tuy nhiên việc sử dụng sinh khối vi tảo để loại trừ kim loại nặng trong nước thải sẽ không thể tách rời hoàn toàn với các phương pháp xử lý khác. Việc sử dụng loại vi tảo nào để loại trừ một kim loại nặng nào đó, điều kiện thực hiện quá trình hấp thu sinh học, dạng thức sinh khối đem sử dụng là những vấn đề cần được nghiên cứu thật sâu sắc và toàn diện.

[chumanhdang]

Trên cơ sở các thông tin đã nêu chúng ta có thể hình dung sơ đồ công nghệ xử lý ô nhiễm kim loại nặng trong nước thải bằng cách sử dụng vi tảo như sau:
Nước thải sinh hoạt (1) sau khi xử lý sinh học (2) được tách bùn (3) và dùng như là môi trường để nuôi cấy tảo (4), sinh khối được tách ra (5) và đem đi xử lý nhiệt (6) hoặc đem đi cố định trong chất mang (7), sau đó sinh khối này được sử dụng như chất hấp phụ sinh học để thu nhận kim loại nặng (10).

Nước thải công nghiệp nặng có nồng độ kim loại cao và các chất độc (8) sẽ được xử lý bằng các phương pháp hóa lý trước (9) sau đó hoặc được trộn với nước thải sinh hoạt đã xử lý và tiến hành nuôi cấy các chủng tảo đã chọn lọc trong hồ nuôi tảo (10) hoặc cho tiếp xúc với chất hấp thụ sinh học làm từ sinh khối vi tảo trong bể hay cột hấp phụ (11).

Sinh khối tảo sau khi thu hồi (12) được xử lý theo chế độ xử lý bùn (13): phân giải yếm khí để tạo biogas hoặc làm khô rồi thiêu hủy nhiệt hoặc chôn lấp; còn nước thải sau xử lý sẽ thải vào nguồn tiếp nhận nước (14).

Qua sơ đồ này chúng ta thấy việc sử dụng sinh khối vi tảo đã kết hợp xử lý cả nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp chứa kim loại nặng, trong các bể nuôi tảo có sử dụng một lượng lớn khí CO2 làm nguồn carbon, phần sinh khối sau đó có thể được sử dụng để sinh năng lượng.

5. Kết luận

Vi tảo thực sự có khả năng hấp thu cao đối với các ion kim loại nặng, sử dụng chúng để xử lý nước thải ô nhiễm kim loại nặng có những ưu thế đặc biệt. Khả năng hấp thu kim loại nặng của các loài tảo là khác nhau và tùy thuộc vào loại kim loại nặng, tính chất của nước thải cũng như những biện pháp tiền xử lý sinh khối.

Sử dụng sinh khối vi tảo để loại bỏ kim loại nặng là một hướng công nghệ có nhiều tiềm năng. Tuy nhiên còn rất nhiều thách thức phải vượt qua để có thể hình thành và làm chủ được công nghệ này. Cần có nhiều sự quan tâm hơn nữa của các khoa học cũng như các nhà quản lý đối với lĩnh vực nghiên cứu đang còn mới mẻ này.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Đặng Đình Kim và cộng sự. Sử dụng các chất hấp phụ sinh học để xử lý ô nhiễm CR, Ni và Pb trong nước thải công nghiệp. Hội nghị Công nghệ Sinh học toàn quốc. Hà Nội 1998;

Đặng Đình Kim. Xử lý ô nhiễm một số kim loại nặng trong nước thải công nghiệp bằng phương pháp sinh học. Tổng luận phân tích. Trung tâm thông tin tư liệu - Trung tâm KHTN và CN quốc gia. Hà Nội 2000.

Nora F.Y. Tam, Yuk-Shan Wong, Craig. Simpson. Removal of Copper by Free and Immobilized Microalga, Chlorella vulgaris. From "Wastewater Treatment With Algae" By Yuk-Shan Wong & Nora F.Y. Tam (Eds.). Springer. Georgetown 1998;

Peter K. Robinson. Immobilized Algal Technology for Wastewater Treatment Purposes. From "Wastewater Treatment With Algae" By Yuk-Shan Wong & Nora F.Y. Tam (Eds.). Springer. Georgetown 1998;

Trần văn Nhân, Ngô Thị Nga. Giáo trình công nghệ xử lý nước thải. NXB Khoa học và Kỹ thuật. Hà Nội 1999.

Trần Văn Tựa và cộng sự. Tế bào vi tảo bất động và hoạt động trao đổi chất của chúng. Hội nghị sinh học quốc gia "Những vấn đề nghiên cứu cơ bản trong sinh học". NXB Đại học quốc gia Hà Nội 2000.

Trịnh Thị Thanh. Độc học, Môi trường và Sức khỏe con người. NXB Đại học quốc gia Hà Nội 2000