Luận án Tiến sĩ Sinh học: Nghiên cứu khả năng phân hủy một số thành phần hydrocarbon có trong nước thải nhiễm dầu của màng sinh học từ vi sinh vật được gắn trên vật liệu mang

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:129

Thêm vào BST

Báo xấu

27
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Sinh học "Nghiên cứu khả năng phân hủy một số thành phần hydrocarbon có trong nước thải nhiễm dầu của màng sinh học từ vi sinh vật được gắn trên vật liệu mang" được nghiên cứu nhằm chọn lọc các chủng vi sinh vật có khả năng phân hủy mạnh các thành phần hydrocarbon có trong nước thải nhiễm dầu và đánh giá khả năng xử lý của chúng khi gắn trên vật liệu mang phù hợp.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Sinh học: Nghiên cứu khả năng phân hủy một số thành phần hydrocarbon có trong nước thải nhiễm dầu của màng sinh học từ vi sinh vật được gắn trên vật liệu mang

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Đỗ Văn Tuân NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG PHÂN HỦY MỘT SỐ THÀNH PHẦN HYDROCARBON CÓ TRONG NƯỚC THẢI NHIỄM DẦU CỦA MÀNG SINH HỌC TỪ VI SINH VẬT ĐƯỢC GẮN TRÊN VẬT LIỆU MANG LUẬN ÁN TIẾN SĨ SINH HỌC Hà Nội – Năm 2022
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Đỗ Văn Tuân NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG PHÂN HỦY MỘT SỐ THÀNH PHẦN HYDROCARBON CÓ TRONG NƯỚC THẢI NHIỄM DẦU CỦA MÀNG SINH HỌC TỪ VI SINH VẬT ĐƯỢC GẮN TRÊN VẬT LIỆU MANG Chuyên ngành: Vi sinh vật học Mã sỗ: 9420107 LUẬN ÁN TIẾN SĨ SINH HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS. Lê Thị Nhi Công 2. PGS.TS. Đồng Văn Quyền Hà Nội – Năm 2022
i Lời cảm ơn Để hoàn thành luận án này, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS. Lê Thị Nhi Công, Trưởng phòng Công nghệ sinh học môi trường - Viện Công nghệ sinh học và PGS.TS. Đồng Văn Quyền, Phó Viện trưởng Viện Công nghệ sinh học - Viện Hàn lâm Khoa học & Công nghệ Việt Nam đã trực tiếp hướng dẫn, truyền đạt những kiến thức và những kinh nghiệm quý báu trong quá trình học tập và thực hiện nghiên cứu đề tài. Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành đến Ban lãnh đạo Học viện Khoa học & Công nghệ, Viện Công nghệ sinh học, các đồng chí lãnh đạo và cán bộ phòng Đào tạo - Học viện Khoa học & Công nghệ đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi được học tập và nghiên cứu. Tôi cũng chân thành cảm ơn ThS. Bùi Thị Hải Hà, phụ trách đào tạo Viện Công nghệ sinh học đã giúp đỡ tôi hoàn thành những thủ tục cần thiết trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu đề tài và bảo vệ luận án. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Ban chủ nhiệm Chương trình KH&CN trọng điểm cấp Nhà nước “Nghiên cứu tạo màng sinh học (biofilm) từ vi sinh vật dùng trong xử lý ô nhiễm dầu mỏ” đã cấp kinh phí cho đề tài mã số KC.04.21/11-15 cho nhóm nghiên cứu. Bên cạnh đó, tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới các đơn vị: phòng Thí nghiệm trọng điểm gen - Viện Công nghệ sinh học – Viện Hàn lâm Khoa học & Công nghệ Việt Nam; phòng Vi sinh vật học - Học viện Quân y 103; phòng Thí nghiệm siêu cấu trúc - Viện Vệ sinh dịch tễ trung ương; phòng Sinh thái vi sinh vật- Viện Vi sinh vật và Công nghệ sinh học – Đại học Quốc gia Hà Nội; phòng Hóa học phân tích - Viện Hóa học - Viện Hàn lâm Khoa học & Công nghệ Việt Nam đã phối hợp thực hiện một số kết quả trong luận án. Trong thời gian qua, tôi đã nhận được sự hỗ trợ và tạo điều kiện thuận lợi từ các đồng chí lãnh đạo, cán bộ phòng Công nghệ sinh học môi trường - Viện Công nghệ sinh học, Ban Giám hiệu và phòng chức năng thuộc trường Cao đẳng Sơn La, cùng với sự giúp đỡ nhiệt tình của các đồng nghiệp, nhân dịp này tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ quý báu đó. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến những người thân trong gia
ii đình, những người bạn thân thiết đã luôn bên cạnh động viên và khích lệ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Tôi xin chân thành cảm ơn! Nghiên cứu sinh Đỗ Văn Tuân
iii Lời cam đoan Tôi xin cam đoan: Đây là công trình nghiên cứu của tôi và một số kết quả cùng cộng tác với các cộng sự khác; Các số liệu và kết quả trình bày trong luận án là trung thực, một phần đã được công bố trên các tạp chí khoa học chuyên ngành với sự đồng ý và cho phép của các đồng tác giả; Phần còn lại chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả Đỗ Văn Tuân
iv MỤC LỤC MỞ ĐẦU…………………………………………………………………….. 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN………………………………………………... 3 1.1. Tổng quan về nước thải nhiễm dầu……………………………….. 3 1.1.1. Nguồn phát sinh của nước thải nhiễm dầu…………………………... 3 1.1.2. Đặc tính của nước thải nhiễm dầu…………………………………… 4 1.1.3. Tác hại của nước thải nhiễm dầu……………………………………. 5 1.2. Một số công nghệ ứng dụng trong xử lý nước thải nhiễm dầu….. 6 1.2.1. Tuyển nổi……………………………………………………………. 6 1.2.2. Công nghệ lọc màng………………………………………………… 7 1.2.3. Công nghệ oxy hóa nâng cao………………………………………... 9 1.3. Màng sinh học và ứng dụng trong xử lý ô nhiễm dầu…………… 10 1.3.1. Sự hình thành và cấu trúc biofilm........................................................ 11 1.3.2. Vai trò của biofilm đối với vi sinh vật................................................. 13 1.3.3. Ứng dụng của biofilm trong xử lý ô nhiễm dầu…………………….. 14 CHƯƠNG 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU............... 24 2.1. Vật liệu nghiên cứu………………………………………………… 24 2.1.1. Nguyên liệu………………………………………………………….. 24 2.1.2. Hóa chất, môi trường nuôi cấy………………………………………. 25 2.1.3. Vật liệu mang vi sinh………………………………………………... 26 2.1.4. Thiết bị nghiên cứu………………………………………………….. 27 2.2. Phương pháp nghiên cứu………………………………………….. 28 2.2.1. Nhóm phương pháp nghiên cứu vi sinh vật…………………………. 28 2.2.2. Nhóm phương pháp phân tích hóa học……………………………… 31 2.2.3. Đánh giá khả năng hình thành biofilm vi sinh vật trên vật liệu mang…………………………………………………………………. 33 2.2.4. Đánh giá khả năng phân hủy dầu DO và hydrocarbon thơm của biofilm vi sinh vật trên vật liệu mang……………………………….. 35 2.2.5. Đánh giá khả năng phân hủy các thành phần hydrocarbon trong nước thải nhiễm dầu của biofilm vi sinh vật trên vật liệu mang ở quy mô 50 lít…………………………………………… ……………….. 35 2.2.6. Đánh giá khả năng phân hủy các thành phần hydrocarbon trong nước thải nhiễm dầu của biofilm hỗn hợp chủng vi sinh vật trên vật
v liệu mang ở quy mô 300 lít………………………………………….. 36 2.2.7. Đánh giá khả năng phân hủy các thành phần hydrocarbon trong nước thải nhiễm dầu của biofilm hỗn hợp chủng vi sinh vật trên vật liệu mang ở quy mô 20m3…………………………………………… 40 2.2.8. Phương pháp xử lý số liệu…………………………………………... 42 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU………………………………….. 43 3.1. Khả năng tạo biofilm của các chủng vi sinh vật………………….. 43 3.2. Tính đối kháng của các chủng vi sinh vật………………………… 44 3.3. Khả năng tạo biofilm của các chủng vi sinh vật trên vật liệu mang………………………………………………………………… 45 3.4. Khả năng phân hủy dầu DO và hydrocarbon thơm của biofilm vi sinh vật trên vật liệu mang………………………........................ 49 3.4.1. Khả năng phân hủy dầu DO và hydrocarbon thơm của biofilm vi sinh vật trên vật liệu mang mút xốp…………………………………. 49 3.4.2. Khả năng phân hủy dầu DO và hydrocarbon thơm của biofilm vi sinh vật trên vật liệu mang cellulose………………………………… 50 3.4.3. Khả năng phân hủy dầu DO và hydrocarbon thơm của biofilm vi sinh vật trên vật liệu mang xơ dừa…………………………………... 51 3.4.4. Khả năng phân hủy dầu DO và hydrocarbon thơm của biofilm vi sinh vật trên vật liệu mang sỏi nhẹ…………………………………... 52 3.5. Khả năng phân hủy các thành phần hydrocarbon trong nước thải nhiễm dầu của biofilm vi sinh vật trên vật liệu mang………………… 53 3.5.1. Chất lượng nước thải nhiễm dầu…………………………………….. 53 3.5.2. Khả năng phân hủy các thành phần hydrocarbon trong nước thải nhiễm dầu của biofilm vi sinh vật trên vật liệu mang ở quy mô 50 lít…………………………………………………………………….. 55 3.5.3. Khả năng phân hủy các thành phần hydrocarbon trong nước thải nhiễm dầu của biofilm vi sinh vật trên vật liệu mang ở hệ thống 300 lít…………………………………………………………………….. 62 3.5.4. Khả năng phân hủy các thành phần hydrocarbon trong nước thải nhiễm dầu của biofilm vi sinh vật trên vật liệu mang ở hệ thống 20m3……………………………………………………..................... 68 3.6. Định tên và con đường chuyển hoá sec-hexylbenzene của Trichosporon sp. B1………………………………………………….. 72
vi 3.6.1 Khả năng hình thành biofilm của chủng B1……………………………. 72 3.6.2 Kết quả định danh chủng B1…………………………………………… 73 3.6.3 Sự phân hủy sec-hexylbenzene của chủng Trichosporon asahii B1... 74 3.6.4 Con đường phân hủy sec-hexylbenzene của chủng Trichosporon asahii B1.............................................................................................. 78 CHƯƠNG 4. BÀN LUẬN KẾT QUẢ……………………………………... 82 4.1. Khả năng tạo biofilm của các chủng vi sinh vật trên vật liệu mang………………………………………………………………… 82 4.2. Khả năng phân hủy các thành phần hydrocarbon trong nước thải nhiễm dầu của biofilm vi sinh vật trên vật liệu mang………………………………………………………………… 84 4.3. Con đường chuyển hoá sec-hexylbenzene của Trichosporon asahii B1…………………………………………………………….. 88 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ……………………………………………… 90 NHỮNG CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN LUẬN ÁN…………………………………………………………………… 91 TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………….. 93 PHỤ LỤC
vii BẢNG CHỮ VIẾT TẮT Chữ Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt viết tắt Assocciation of Southeast Asian Hiệp hội các quốc gia Đông ASEAN Nations Nam Á BAF Biological aerated filter Công nghệ lọc hiếu khí CFU Colony forming unit Đơn vị hình thành khuẩn lạc MPN Most probable number Số lượng có thể nhất DAF Dissolved air flotation Tuyển nổi áp lực DO Diesel oil Dầu diesel EPS Extracellular polymeric substance Mạng lưới các chất ngoại bào GC Gas chromatography Sắc ký khí Gas chromatography Mass GCMS Sắc ký khí ghép nối khối phổ spectrometry h Hour Giờ HKTS Hiếu khí tổng số High performance liquid HPLC Sắc ký lỏng hiệu năng cao chromatography The international Tanker Owners Hiệp hội các tàu chở dầu Quốc ITOPF Pllution Federation Limited tế Công nghệ biofilm chuyển MBBR Moving bed biofilm rector động MBR Membrane bioreactors Màng lọc sinh học Cơ quan quản lý khí quyển và NOAA National Oceanic and Atmospheric đại dương Mỹ PAH Polycyclic aromatic hydrocarbon Hydrocacbon vòng thơm QCVN Quy chuẩn Việt Nam RBC Rotating biological contactor Hệ thống đĩa quay sinh học Công nghệ tấm bùn kỵ khí UASB Upflow anaerobic sludge blanket ngược dòng
viii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Nồng độ dầu trong một số loại nước thải…………………….. 4 Bảng 2.1 Các chủng vi sinh vật phần hủy dầu sử dụng…………………. 24 Bảng 2.2 Thành phần môi trường sử dụng trong nghiên cứu…………… 25 Bảng 2.3 Các loại vật liệu mang………………………………………… 26 Bảng 2.4 Các thiết bị được sử dụng trong luận án..................................... 27 Bảng 3.1 Khả năng tạo biofilm của hỗn hợp chủng vi sinh vật trên vật liệu mang……………………………………………………… 45 Bảng 3.2 Cấu trúc của vật liệu mang trước và sau khi tạo biofilm trên kính hiển vi điện tử quét………………………………………. 46 Bảng 3.3 Kết quả phân tích các chỉ tiêu thử nghiệm nước thải ở kho xăng dầu Đỗ Xá- Thường Tín- Hà Nội……………………….. 54 Bảng 3.4 Biến động mật độ vi sinh trên vật liệu mang xốp mút trong quá trình xử lý………………………………………………… 56 Bảng 3.5 Khả năng phân hủy phenol và PAH trong nước thải nhiễm dầu của biofilm trên vật liệu mang mút xốp………………………. 56 Bảng 3.6 Biến động mật độ vi sinh trên vật liệu mang cellulose trong quá trình xử lý………………………………………………… 57 Bảng 3.7 Khả năng phân hủy phenol và PAH trong nước thải nhiễm dầu của biofilm trên vật liệu mang cellulose……………………… 58 Bảng 3.8 Khả năng phân hủy phenol và PAH trong nước thải nhiễm dầu của biofilm trên vật liệu mang xơ dừa………………………… 59 Bảng 3.9 Biến động mật độ vi sinh trên vật liệu mang xơ dừa trong quá trình xử lý……………………………………………………... 59 Bảng 3.10 Biến động mật độ vi sinh trên vật liệu mang sỏi nhẹ trong quá trình xử lý……………………………………………………... 60 Bảng 3.11 Khả năng phân hủy phenol và PAH trong nước thải nhiễm dầu của biofilm trên vật liệu mang sỏi nhẹ………………………... 60 Bảng 3.12 Khả năng phân hủy phenol và PAH trong nước thải nhiễm dầu của biofilm trên vật liệu xơ dừa ở hệ thống 300 lít/mẻ……….. 63 Bảng 3.13 Chất lượng nước thải nhiễm dầu tại kho xăng dầu Đỗ Xá……. 68
ix Bảng 3.14 Chất lượng nước thải nhiễm dầu đầu vào cho xử lý sinh học… 69 Bảng 3.15 Biến động mật độ vi sinh trên vật liệu mang trong quá trình xử lý………………………………………………………………. 70 Bảng 3.16 Hiệu quả xử lý các thành phần phenol và PAH của hệ thống 20m3…………………………………………………………… 71 Bảng 3.17 Chất lượng nước thải đầu ra…………………………………... 72 Bảng 3.18 Kết quả phân loại bằng Kit chuẩn sinh hóa API 20 C AUX của chủng B1........................................................................................... 73 Bảng 3.19 Cấu trúc hóa học của các sản phẩm trung gian.......................... 76
x DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Quá trình hình thành Biofilm………………………………. 11 Hình 1.2 Cấu trúc biofilm…………………………………………….. 12 Hình 1.3 Các hệ thống lọc Biofilm tầng tĩnh…………………………. 16 Hình 1.4 Hệ thống đĩa quay sinh học RBC…………………………… 16 Hình 1.5 Hệ thống xử lý nước thải nhiễm dầu áp dụng kỹ thuật biofilm tầng tĩnh…………………………………………….. 17 Hình 1.6 Hệ thống xử lý nước thải bằng kỹ thuật biofilm chuyển động MBBR…………………………………………………. 19 Hình 1.7 Một số loại vật liệu mang sử dụng trong hệ thống biofilm chuyển động MBBR………………………………………… 19 Hình 2.1 Nước thải nhiễm dầu tại kho xăng dầu Đỗ Xá……………… 24 Hình 2.2 Sơ đồ các bước thí nghiệm thực hiện trong luận án………… 28 Hình 2.3 Cấu tạo của mô hình thí nghiệm dung tích 50 lít..................... 34 Hình 2.4 Mô hình thí nghiệm dung tích 50 lít………………………… 36 Hình 2.5 Mô hình thí nghiệm đối chứng dung tích 50 lít……………... 36 Hình 2.6 Cấu tạo hệ thống xử lý 300 lít/ngày………………………… 38 Hình 2.7 Sơ đồ bố trí hệ thống module vật liệu mang, đĩa phân phối khí trong bể xử lý……………………………………………. 39 Hình 2.8 Mô hình xử lý 20m3/mẻ……………………………………... 40 Hình 2.9 Cấu tạo khung module (a) và module vật liệu mang (b)…… 41 Hình 3.1 Khả năng tạo biofilm của các chủng vi sinh vật……………. 43 Hình 3.2 Tính đối kháng của các chủng vi sinh vật lựa chọn………… 44 Hình 3.3 Mô hình tạo màng sinh học trên vật liệu mang (a); Hình ảnh biofilm bám trên vật liệu mang xơ dừa (b)………………….. 46 Hình 3.4 Khả năng phân hủy dầu DO của biofilm vi sinh vật trên vật liệu mang mút xốp…………………………………………... 49 Hình 3.5 Khả năng phân hủy phenol và hydrocarbon thơm của 50 biofilm vi sinh vật trên vật liệu mang mút xốp sau 7 ngày…. Hình 3.6 Khả năng phân hủy dầu DO của biofilm vi sinh vật trên vật liệu mang cellulose………………………………………….. 51
xi Hình 3.7 Khả năng phân hủy phenol và hydrocarbon thơm của biofilm vi sinh vật trên vật liệu mang cellulose sau 7 ngày… 51 Hình 3.8 Khả năng phân hủy dầu DO của biofilm vi sinh vật trên vật liệu mang xơ dừa……………………………………………. 52 Hình 3.9 Khả năng phân hủy phenol và hydrocarbon thơm của biofilm vi sinh vật trên vật liệu mang xơ dừa sau 7 ngày…… 52 Hình 3.10 Khả năng phân hủy dầu DO của biofilm vi sinh vật trên vật liệu mang sỏi nhẹ……………………………………………. 53 Hình 3.11 Khả năng phân hủy phenol và hydrocarbon thơm của biofilm vi sinh vật trên vật liệu mang sỏi nhẹ sau 7 ngày…... 53 Hình 3.12 Khả năng xử lý dầu tổng số của biofilm vi sinh vật trên vật liệu mang mút xốp…………………………………………... 55 Hình 3.13 Khả năng xử lý dầu tổng số của biofilm vi sinh vật trên vật liệu mang cellulose………………………………………….. 57 Hình 3.14 Khả năng xử lý dầu tổng số của biofilm vi sinh vật trên vật liệu mang xơ dừa……………………………………………. 58 Hình 3.15 Khả năng xử lý dầu tổng số của biofilm vi sinh vật trên vật liệu mang sỏi nhẹ……………………………………………. 60 Hình 3.16 Khả năng phân hủy dầu tổng số của biofilm hỗn hợp chủng vi sinh vật trên các vật liệu mang…………………………… 61 Hình 3.17 Khả năng phân hủy các thành phần phenol sau 7 ngày của biofilm vi sinh vật trên các vật liệu mang………………….. 62 Hình 3.18 Khả năng phân hủy dầu tổng số của biofilm vi sinh vật trên vật liệu mang xơ dừa ở hệ thống 300 lít/mẻ………………… 63 Hình 3.19 Module vật liệu mang (a), hệ thống 300 lít (b), nhân sinh khối tạo biofilm trên vật liệu mang xơ dừa (c) và biofilm trên vật liệu mang xơ dừa (d)……………………………….. 64 Hình 3.20 Kết quả sắc ký GC mẫu nước thải trong hệ thống 300 lít….. 65 Hình 3.21 Khả năng phân hủy các thành phần n –alkane của biofilm vi sinh vật trên vật liệu mang xơ dừa ở quy mô 300 lít……….. 65 Hình 3.22 Sắc ký đồ về khả năng phân hủy phenol sau 0, 5, 7 và 14
xii ngày xử lý................................................................................ 66 Hình 3.23 Sắc ký đồ về khả năng phân hủy PAH sau 0, 5, 7 và 14 ngày xử lý......................................................................................... 67 Hình 3.24 Khả năng phân hủy các thành phần dầu có trong nước thải nhiễm dầu của màng sinh học trên vật liệu mang xơ dừa ở quy mô 300 lít………………………………………………. 67 Hình 3.25 Hệ thống xử lý sinh học 20m3 ……………………………… 69 Hình 3.26 Khả năng phân hủy dầu tổng số của biofilm hỗn hợp chủng vi sinh vật trên vật liệu mang ở quy mô 20m3……………… 70 Hình 3.27 Cấu trúc của vật liệu mang ở mô hình 20 m3 trước (a) và sau khi tạo biofilm trên kính hiển vi điện tử quét (b)…………… 71 Hình 3.28 Biofilm của chủng B1 hình thành trên ống effendorf…………... 72 Hình 3.29 Hình thái khuẩn lạc và hình thái tế bào của chủng B1............ 73 Hình 3.30 Cây phát sinh chủng loại của chủng B1…………………….. 74 Hình 3.31 Sắc ký đồ của các sản phẩm trung gian tạo thành trong quá trình chuyển hóa của sec-hexylbenzene bởi màng sinh học do chủng B1 sau 48 giờ........................................................... 75 Hình 3.32 Động học các chất trung gian chuyển hóa sec-hexylbenznen bởi chủng nấm men Trichosporon asahii B1.......................... 80 Hình 3.33 Dự đoán con đường phân hủy của sec-hexylbenzene bởi T. 81 asahii B1.
1 MỞ ĐẦU Hiện nay, cùng với sự phát triển của nền công nghiệp trên toàn thế giới, tình hình ô nhiễm môi trường cũng gia tăng đến mức báo động, ở các nước đang phát triển trong đó có Việt Nam thì môi trường ô nhiễm ở mức độ nghiêm trọng hơn nhiều lần so với các nước phát triển. Nguyên nhân của vấn đề này là do nền công nghiệp mới phát triển, chưa có sự quy hoạch tổng thể, điều kiện kinh tế của nhiều doanh nghiệp còn khó khăn hoặc chi phí xử lý môi trường còn ảnh hưởng nhiều đến lợi nhuận, nên hầu như chất thải công nghiệp của nhiều nhà máy chưa được xử lý mà thải thẳng ra môi trường. Một trong những nguồn thải phổ biến đó chính là nước thải nhiễm dầu, không riêng gì các hoạt động khai thác, vận chuyển dầu, kể cả các hoạt động của các động cơ, máy móc sử dụng nguồn năng lượng từ dầu, các hoạt động sục rửa, các vụ rò rỉ, tràn dầu cũng gây nên ô nhiễm nguồn nước do nhiễm dầu. Nước nhiễm dầu làm thay đổi tính chất hóa lý của nước, tăng độ nhớt, giảm lượng oxy hòa tan ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường và sinh vật sống. Cho tới nay, đã có nhiều biện pháp xử lý nước thải nhiễm dầu hiệu quả như phương pháp hóa học (sử dụng các chất phân tán, chất nhũ hóa, chất làm đông), phương pháp vật lý (lập hàng rào nổi và hớt váng, lau bằng vật liệu hấp thụ, loại bỏ cơ khí, tẩy rửa dầu, đốt cháy in-situ), nhưng hầu hết hoặc có chi phí cao, vận hành phức tạp không phù hợp với những nước có điều kiện kinh tế khó khăn, hoặc loại bỏ được dầu nhưng lại gây tác động xấu tới môi trường và hệ sinh thái. Trong những năm gần đây, ngày càng có nhiều những công bố về khả năng phân huỷ các hợp chất hữu cơ khó phân hủy trong nước thải nhiễm dầu của các tác nhân vi sinh vật, đặc biệt là các nhóm vi sinh vật có khả năng tạo màng sinh học (biofilm). Màng sinh học được tạo thành từ tập hợp các nhóm vi sinh vật liên kết với nhau bởi chất nền polymer với thành phần chủ yếu là polysaccharide và protein do chính chúng tạo ra. Màng sinh học của các vi sinh vật được hình thành một cách tự nhiên ở bề mặt giữa chất lỏng và không khí hoặc trên bề mặt chất rắn. Tại đây các nhóm vi sinh vật bám dính và sống cộng sinh với nhau tạo nên một kết cấu có khả năng phân giải nhanh và triệt để các hợp chất hữu cơ trong nước. Màng sinh học đã được nghiên cứu và ứng dụng ở một số nước trên thế giới trong xử lý nước thải, trong đó có xử lý nước thải nhiễm dầu mang lại hiệu quả khả
2 quan với chi phí thấp. Tuy nhiên, ở Việt Nam những nghiên cứu về khả năng tạo màng của các nhóm vi sinh vật, cũng như đánh giá khả năng phân giải các thành phần hydrocarbon của các nhóm vi sinh vật này trên nước thải nhiễm dầu còn chưa nhiều, việc ứng dụng lại càng hạn chế hơn. Xuất phát từ cơ sở đó chúng tôi đề xuất tiến hành nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu khả năng phân hủy một số thành phần hydrocarbon có trong nước thải nhiễm dầu của màng sinh học từ vi sinh vật được gắn trên vật liệu mang” nhằm chọn lọc các chủng vi sinh vật có khả năng phân hủy mạnh các thành phần hydrocarbon có trong nước thải nhiễm dầu và đánh giá khả năng xử lý của chúng khi gắn trên vật liệu mang phù hợp. Mục tiêu của Đề tài: Chọn lọc các chủng vi sinh vật tạo có khả năng phân hủy mạnh các thành phần hydrocarbon có trong nước thải nhiễm dầu và tìm được vật liệu mang phù hợp để gắn các chủng đó nhằm đánh giá được hiệu quả phân hủy một số thành phần hydrocarbon có trong nước thải nhiễm dầu Nội dung nghiên cứu: (1). Chọn lọc các chủng vi sinh vật vừa có khả năng tạo màng sinh học vừa có khả năng phân hủy tốt các thành phần hydrocarbon trong nước thải nhiễm dầu. (2). Lựa chọn chất mang và thử nghiệm gắn các chủng vi sinh vật đó lên một số loại vật liệu mang rẻ tiền, sẵn có tại Việt Nam. (3). Thử nghiệm đánh giá khả năng phân hủy các thành phần hợp chất có trong nước thải nhiễm dầu ở các mô hình 50 lít để chọn loại vật liệu mang thích hợp nhất. (4). Thử nghiệm nhằm đánh giá khả năng phân hủy các thành phần hợp chất có trong nước thải nhiễm dầu với vật liệu mang trong mô hình 300 lít. (5). Ứng dụng thử nghiệm tại mô hình xử lý nước thải nhiễm dầu tại kho xăng dầu Đỗ Xá, Hà Nội. (6). Nghiên cứu con đường phân hủy sec-hexylbenzene của chủng nấm men Trichosporon sp. B1 Những đóng góp mới của luận án: (1). Là công trình đầu tiên tại Việt Nam đánh giá được khả năng tạo biofilm của các chủng vi sinh vật phân hủy dầu trên các vật liệu mang: xơ dừa, mút xốp, sỏi nhẹ, cellulose và ứng dụng trong xử lý nước thải nhiễm dầu. (2). Lần đầu tiên đề xuất được con đường giải định về sự phân hủy sec- hexylbenzene của chủng nấm men Trichosporon asahii B1 phân lập tại Việt Nam.
3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về nước thải nhiễm dầu 1.1.1. Nguồn phát sinh của nước thải nhiễm dầu Hiện tượng nước bị nhiễm dầu đang ngày càng trở nên phổ biến ở các quốc gia, ngoài các nguyên nhân khách quan không thường xuyên do hiện tượng tràn dầu tự nhiên thì các hoạt động sản xuất của con người cũng thường xuyên thải ra môi trường một lượng lớn nước thải nhiễm dầu. Các nguồn phát sinh nước thải nhiễm dầu khá đang dạng, trong đó có 3 lĩnh vực hoạt động và phát sinh chính nước thải nhiễm dầu, bao gồm: Các nguồn phát sinh nước thải nhiễm dầu tại các cửa hàng kinh doanh xăng dầu: hoạt động kinh doanh của các kho xăng dầu thường bao gồm các công đoạn nhập khẩu, tồn trữ trong kho xăng dầu, vận chuyển, phân phối tới người tiêu dùng thông qua mạng lưới cửa hàng. Thực tế trong quá trình vận hành, khai thác các cửa hàng, kho xăng phát sinh một lượng không nhỏ nước thải nhiễm dầu thông qua các hoạt động như súc rửa bể chứa định kỳ, xả nước đáy bể, vệ sinh định kỳ kho bãi và máy móc, thiết bị và nước mưa trên khu vực [1]. Nguồn phát sinh từ hoạt động khai thác, chế biến dầu: Nước thải nhiễm dầu chiếm đến 98% lượng chất thải từ hoạt động khai thác dầu. Việc sử dụng nước làm mát hệ thống khoan, nước dằn, nước rửa và hoạt động vệ sinh, súc rửa tàu dầu thường xuyên gây phát sinh một lượng lớn nước thải nhiễm dầu [2]. Trong quá trình chế biến dầu mỏ, lượng nước thải nhiễm dầu được thải ra gấp 0,4-1,6 lần lượng dầu thô được chế biến, ước tính 5,3 triệu m3 nước thải nhiễm dầu được tạo thải ra mỗi ngày trên toàn cầu gây nên những áp lực về việc xử lý nước thải cũng như nguy cơ ô nhiễm môi trường [3]. Chỉ tính riêng lưu vực Campos, bang Rio de Janeiro, Brazil hoạt động khai thác dầu đã tạo ra 150m3/h nước thải nhiễm dầu. Tại Mỹ các mỏ khai thác dầu trên đất liền hàng năm tạo ra 33 triệu thùng nước thải nhiễm dầu và con số ước tính tại vùng biển Bắc là 90 triệu m3 nước thải nhiễm dầu được tạo ra hàng năm [4]. Ngoài ra nước thải nhiễm dầu còn phát sinh từ nước mưa tại những vị trí đường ống dẫn dầu bị rò rỉ, các sự cố vận chuyển dầu cũng như hoạt động của các garage ô tô, bảo dưỡng máy bay, bảo quản gỗ, sản xuất sơn và gia công hoàn thiện
4 kim loại [1]. Đặc trưng của nước thải nhiễm dầu của các nguyên nhân này là chứa nhiều tạp chất, nguồn phát sinh không thường xuyên và thường không được xử lý trước khi đổ ra môi trường. 1.1.2. Đặc tính của nước thải nhiễm dầu Nước thải nhiễm dầu chứa thành phần chính là các hydrocarbons trong dầu, ngoài ra còn có rác, cặn lắng, … Tùy thuộc vào nguồn phát sinh mà sự đa dạng về thành phần cũng như hàm lượng các chất trong nước thải nhiễm dầu có sự khác nhau [1, 5]. Bảng 1.1. Nồng độ dầu trong một số loại nước thải [1] Nguồn phát sinh Nồng độ dầu (mg/l) Khai thác, lọc dầu 20-4000 Gia công và hoàn thiện kim loại 100-20000 Sản xuất sơn 1000-2000 Nước vệ sinh đáy tàu 30-2000 Rửa xe 50-2000 Bảo dưỡng máy bay 500-1500 Bảo quản gỗ 50-1500 Dầu tồn tại trong nước ở ba dạng cơ bản là dạng tự do, dạng nhũ tương và dạng hòa tan. Ở dạng tự do các hạt dầu nổi trên bề mặt nước do trọng lượng riêng của dầu thấp, dạng này có thể dễ dàng loại bỏ bớt bằng các biện pháp vật lý như thấm hút, gạt dầu, … Trong nước thải nhiễm dầu, phần lớn các thành phần dầu ở dạng hòa tan và dạng phân tán (nhũ tương) [5]. Nhũ tương là trạng thái tồn tại phổ biến của dầu trong nước, các hạt nhũ tương dầu có kích thước hạt rất nhỏ từ 2- 100µm, có độ ổn định và phân tán tốt trong môi trường nước, việc xử lý và loại bỏ các thành phần nhũ tương dầu là một trở ngại lớn đối với các phương pháp vật lý như hiện nay [1]. Thành phần hydrocarbon trong dầu chủ yếu là dạng ít tan hoặc không hòa tan trong nước, tuy nhiên tùy vào các điều kiện khác nhau của nguồn phát sinh nước thải, thành phần trong nước thải mà hàm lượng hydrocarbon hòa tan trong nước thải có khác nhau. Khả năng hòa tan của các hydrocarbon trong dầu phụ thuộc vào các điều kiện nhiệt độ, áp suất, pH và cả các thành phần hữu cơ hòa tan trong nước (DOM). Khả năng hòa tan của các n-alkan và các isopropenoid giảm đi 50-99% khi
5 loại bỏ các thành phần hữu cơ hòa tan trong nước, các độ hòa tan của hydrocarbon thơm không bị ảnh hưởng bởi DOM. Sự có mặt của acid fulvic trong nước làm tăng khả năng hòa tan của dầu lên tới trên 2 lần. Nguyên lý hòa tan của các hydrocarbon trong nước được chứng minh là do sự liên kết với các phân tử monome dạng humic tạo thành dạng micelle [6]. Các alkane (C10- C21), hydrocarbon thơm và hydrocarbon đa vòng rất phổ biến trong nước thải nhiễm dầu [7]. Phenol và các hợp chất hydrocarbon đa vòng như benzene, toluene và ethyl benzene hàm lượng có thể lên đến 234 mg/l. Đây là những hợp chất đặc biệt nguy hại với môi trường và hệ sinh thái, có khả năng tồn tại lâu dài và khó phân hủy trong tự nhiên [8, 9]. Các thành phần nitơ và lưu huỳnh trong nước thải nhiễm dầu được thể hiện thông qua hàm lượng amonia và hydrosunphide (H2S), những hàm lượng này chủ yếu có nguồn gốc từ dầu và phụ thuộc vào loại dầu bị lẫn vào trong nước thải. Hàm lượng chất rắn hòa tan trong nước thải nhiễm dầu thường ở mức cao, nồng độ ở mức trên 1000mg/l. Các thông số COD, BOD có trong nước thải nhiễm dầu trong nhiều công bố cũng đều ở mức cao gấp nhiều lần so với quy định tiêu chuẩn nước thải [10, 11, 12]. 1.1.3. Tác hại của nước thải nhiễm dầu Nước thải nhiễm dầu không chỉ gây nên những tác hại nghiêm trọng tới môi trường, mà còn tác động mạnh mẽ tới hệ sinh vật, sức khỏe con người cũng như kinh tế và xã hội. Nước thải nhiễm dầu làm thay đổi tính chất hóa lý của nước, lớp dầu nổi trên mặt nước làm giảm oxygen hòa tan dẫn đến giảm khả năng tự làm sạch của nước. Lớp dầu cũng ngăn cản sự bốc hơi nước làm suy giảm lượng mưa, ảnh hướng đến khí hậu khu vực. Các thành phần cặn dầu lắng xuống là nguyên nhân gây nên ô nhiễm đất [13]. Nước ô nhiễm dầu có ảnh hưởng nghiêm trọng đến hầu hết các sinh vật sinh sống, hoạt động trong khu vực đặc biệt là sinh vật phù du, ấu trùng cá và các sinh vật ở dưới đất có nước nhiễm dầu đều bị ảnh hưởng một cách mạnh mẽ. Lớp dầu nổi trên mặt nước làm giảm ánh sáng ảnh hưởng đến sự quang hợp của nhóm sinh vật quang tự dưỡng gây biến động đến các chuỗi thức ăn, mất cân bằng hệ sinh thái. Đặc biệt trong dầu còn chứa các hợp chất hydrocarbon thơm như: toluene, benzene, phenol, … là những chất có độc tính cao với sinh vật và con người, tác động trực
6 tiếp đến khả năng trao đổi chất của sinh vật, làm giảm khả năng sinh trưởng, phát triển hoặc khiến cho sinh vật dưới nước bị chết. Hơn nữa các hợp chất này có thể được tích lũy trong cơ thể sinh vật, khi trở thành thực phẩm lại là nguyên nhân gây độc cho con người [14, 15]. Khi hàm lượng dầu trong nước cao hơn 0,2 mg/l thì nước sẽ có mùi hôi, không thể dùng cho ăn uống, với hàm lượng 0,1 - 0,5 mg/l sẽ làm giảm năng suất và chất lượng cá. Dầu có thể xâm nhập vào sinh vật thông qua một số con đường như tiếp xúc vật lý, tiêu hóa, hấp thụ hay thông qua chuỗi thức ăn. Các hợp chất dễ bay hơi có trong dầu mỏ như benzene, toluene có thể dễ dàng hấp thụ qua da hoặc màng tế bào thực vật và gây độc cho cơ thể sinh vật. Ở sinh vật phù du - Daphnia magna sẽ mất định hướng khi bị nhiễm dầu thô ở nồng độ 2 ppm sau 48h tiếp xúc [13]. Không chỉ vậy, nước ô nhiễm dầu là nguyên nhân gây nên thiệt hại kinh tế đặc biệt là ngành khai thác, nuôi trồng thủy, hải sản và du lịch. Để xử lý hậu quả của ô nhiễm, việc đầu tư công nghệ xử lý đỏi hỏi tốn kém nhiều chi phí, hơn nữa tình trạng ô nhiễm thường xảy ra trên diện rộng với lượng nước nhiễm dầu rất lớn, công tác xử lý khắc phục hậu quả tốn nhiều thời gian và tiền bạc [16]. 1.2. Một số công nghệ ứng dụng trong xử lý nước thải nhiễm dầu 1.2.1. Tuyển nổi Tuyển nổi là công nghệ được sử dụng rất phổ biến trong xử lý nước thải trên thế giới và cả ở Việt Nam giai đoạn hiện nay. Tuyển nổi là quá trình tách các chất lơ lửng, chất hoạt tính bề mặt, dầu mỡ, … trong nước thải bằng bọt khí trên nguyên tắc lợi dụng sự chênh lệch giữa khối lượng riêng của hạt và pha lỏng để tách hạt rắn ra. Trong quá trình tuyển nổi các phân tử chất bẩn được dính kết với bề mặt phân chia giữa khí và nước và được chuyển động lên trên mặt nước [17]. Công nghệ tuyển nổi có nhiều dạng khác nhau dựa vào phương thức tạo bọt khí trong chất lỏng, bao gồm: Tuyển nổi cơ học, tuyển nổi hóa học, tuyển nổi sinh học, tuyển nổi điện hóa và tuyển nổi áp lực (Disolved air flotation - DAF). Tuyển nổi áp lực được dùng phổ biến trong xử lý nước thải và nước thải nhiễm dầu bởi khả năng tạo ra các bọt khí có kích thước nhỏ (40-70 µm) và dễ dàng phân phối đều trong toàn bộ khối lượng nước cần xử lý. Các dạng tuyển nổi khác hầu như không được sử dụng trong xử lý nước thải nhiễm dầu. Tuyển nổi áp lực DAF được ứng dụng phổ biến trong xử lý nước thải nhiễm