Luận văn Nghiên cứu khả năng xử lý kim loại trong nước bằng polyme sinh học (biopolymer) tách từ bùn thải sinh học

ÙN THẢI SINH HỌC LÊ THỊ CHUNG CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG MÃ SỐ: 60440301 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. NGUYỄN VIẾT HOÀNG Hà Nội, Năm 2018 MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU ....................................................................................... 6 MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ......................... 4 1.1. Kim loại – nguồn gốc phát sinh và mức độ ảnh hưởng ............................. 4 1.1.1. Nguồn gốc phát sinh kim loại ..................................................................... 4 1.1.2. Mức độ ảnh hưởng của kim loại ................................................................. 4 1.2. Vài nét về kim loại đồng ............................................................................... 5 1.2.1. Giới thiệu chung kim loại đồng .................................................................. 5 1.2.2. Nguồn gốc phát sinh.................................................................................... 6 1.2.3. Các phương pháp xử lý kim loại đồng ........................................................ 8 1.3. Tổng quan về EPS ....................................................................................... 11 1.3.1. Khái niệm chung về EPS .......................................................................... 11 1.3.2. Đặc điểm thành phần hóa học của EPS ..................................................... 11 1.3.3. Một số tính chất chính của EPS ................................................................ 12 1.3.4. Các phương pháp tách EPS ....................................................................... 14 1.3.5. Ứng dụng của EPS trong xử lý kim loại ................................................... 18 CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 20 2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ................................................................... 20 2.2. Vật liệu thí nghiệm ........................................................................................... 20 2.2.1. Bùn thải ....................................................................................................... 20 2.2.2. Nước thải ..................................................................................................... 20 2.3. Thực nghiệm ..................................................................................................... 20 2.3.1. Quy trình vận hành thiết bị pilot xử lý nước thải sinh hoạt để lấy sinh khối tách EPS ................................................................................................................ 20 2.3.2. Phương pháp tách thu EPS từ bùn thải sinh học nuôi cấy .......................... 21 2.4. Đánh giá các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu quả xử lý ion kim loại Cu2+ của polymer ngoại bào ................................................................................................... 24 2.4.1. Đánh giá ảnh hưởng của pH ........................................................................ 24 2.4.3. Đánh giá ảnh hưởng của nồng độ EPS ........................................................ 25 2.5. Phương pháp phân tích ................................................................................... 25 2.5.1. Xác định khối lượng EPS thu được ............................................................. 25 2.5.2. Phân tích hàm lượng protein, polysaccharide và acid nucleic trong polymer ngoại bào ............................................................................................................... 26 2.5.3. Đo phổ hồng ngoại ...................................................................................... 26 2.5.4. Phân tích xác định Cu2+ bằng phương pháp phổ hấp phụ nguyên tử AAS theo TCVN 6193: 1996 ......................................................................................... 26 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ......................................................... 27 3.1. Thành phần, đặc tính của EPS tách từ bùn thải bằng các phương pháp khác nhau ................................................................................................................. 27 3.1.1. Hàm lượng EPS ........................................................................................... 27 3.1.2. Thành phần hóa học của EPS thu được ...................................................... 29 3.2. Kết quả phân tích phổ hồng ngoại .................................................................. 34 3.3. Hiệu quả xử lý Cu2+ của EPS tách bằng các phương pháp khác nhau ....... 37 3.4. Thử nghiệm đánh giá khả năng xử lý ion kim loại Cu2+ của EPS ............... 39 3.4.1. Ảnh hưởng của pH đến hiệu quả xử lý ....................................................... 39 3.4.2. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng đến hiệu quả xử lý .............................. 40 3.4.3. Ảnh hưởng của nồng độ EPS tới hiệu quả xử lý ......................................... 42 3.5. Kết quả thử nghiệm xử lý ion kim loại Cu2+ của EPS đối với mẫu nước thải thực tế ............................................................................................................... 43 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 46 1. Kết luận ............................................................................................................ 46 2. Kiến nghị .......................................................................................................... 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 48 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 2.1. Quy trình tách EPS theo các phương pháp khác nhau .............................. 22 Hình 3.1. So sánh thành phần hóa học của EPS được tách bằng các phương pháp khác nhau (PN, PS và AN là hàm lượng protein, polysaccharide và acid nucleic) .. 31 Hình 3.2. Mối quan hệ giữa hiệu suất xử lý kim loại với hàm lượng Protein .......... 33 Hình 3.3. Mối quan hệ giữa hiệu suất xử lý kim loại với hàm lượng Polysaccharide .... 34 Hình 3.4. Mối quan hệ giữa hiệu suất xử lý kim loại với hàm lượng Nucleic acid .. 34 Hình 3.5. Phổ IR của EPS được tách bằng các phương pháp khác nhau .................. 36 Hình 3.6. Thể hiện hiệu quả xử lý kim loại Cu2+ của EPS thô và EPS tinh tách bằng các phương pháp khác nhau ...................................................................................... 37 Hình 3.7. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ Cu(II) của EPS .... 40 Hình 3.8. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng thời gian đến khả năng hấp phụ Cu(II) của EPS ............................................................................................................................ 41 Hình 3.9. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng nồng độ EPS đến khả năng hấp phụ Cu(II) .. 43 Hình 3.10. Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng nồng độ của EPS đến khả năng hấp phụ Cu(II) ......................................................................................................................... 44 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Hàm lượng một số kim loại nặng trong nước thải một số làng nghề tái chế .. 7 Bảng 1.2. Thành phần hóa học của EPS .................................................................. 12 Bảng 1.3. Các phương pháp tách EPS ..................................................................... 16 Bảng 3.1. Kết quả phân tích khối lượng, thành phần hóa học của EPS được tách bằng các phương pháp khác nhau ............................................................................ 27 Bảng 3.2. So sánh kết quả khối lượng EPS tách được với các nghiên cứu khác ...... 29 Bảng 3.3. Kết quả khảo sát ảnh hưởng pH đến khả năng hấp phụ của Cu(II) .......... 39 Bảng 3.4. Kết quả khảo sát ảnh hưởng thời gian đến khả năng hấp phụ Cu(II) của EPS ............................................................................................................................ 41 LỜI CẢM ƠN Trong khoảng thời gian tham gia nghiên cứu về chuyên đề: được tiếp xúc với các phương pháp với giúp em củng cố và nâng cao được kiến thức, kỹ năng nghề nghiệp làm hành trang cho em bước đi trên con đường tương lai. Qua đây em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến: Ban giám hiệu trường cùng các thầy cô trong khoa Môi trường – Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội đã tạo cho em một môi trường học tập tích cực, đã giảng dạy và truyền đạt cho em hành trang kiến thức vô cùng quý báu. Phòng Giải pháp Công nghệ Cải thiện Môi trường – Viện Công nghệ Môi trường – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, là nơi em công tác và trực tiếp tham gia nghiên cứu, hoàn thiện luận văn tốt nghiệp của mình. TS. Nguyễn Viết Hoàng người đã tận tình hưỡng dẫn, chỉ bảo và giúp đỡ em trong quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp. Kính chúc TS. Nguyễn Viết Hoàng công tác tốt, dồi dào sức khỏe và tiếp tục thực hiện sứ mệnh cao đẹp của mình là truyền đạt kiên thức cho thế hệ mai sau. TS. Mai Văn Tiến – giảng viên bộ môn Công nghệ Môi trường – Khoa Môi trường – Trường Đại học Tài Nguyên và Môi trường Hà Nội, người đã dành nhiều công sức, thời gian với sự tâm huyết để giúp đỡ em hoàn thiện luận văn tốt nghiệp. Sau cùng em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình đã luôn động viên và là chỗ dựa vững chắc cho em trong suốt quá trình học tập và làm việc. Hà Nội, tháng 7 năm 1018 Sinh viên Lê Thị Chung LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng luận văn này là thành quả của bản thân tôi trong suốt thời gian làm luận văn vừa qua. Các tài liệu, số liệu, kết quả được sử dụng trong luận văn là chính xác, khoa học và đúng với quá trình nghiên cứu của bản thân tôi tại phòng thí nghiệm – Phòng Giải pháp Công nghệ Cải thiện Môi trường – Viện Công nghệ Môi trường. Những kết luận và kiến nghị được đưa ra sau quá trình nghiên cứu là không sao chép của tác giả nào. Cuối cùng tôi xin cam đoan rằng luận văn là hoàn toàn trung thực, chính xác và khoa học. Hà Nội, tháng 7 năm 1018 Sinh viên Lê Thị Chung 1 MỞ ĐẦU Môi trường và ô nhiễm môi trường hiện đang là vấn đề được cả thế giới quan tâm. Bên cạnh sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp, nông nghiệp, du lịch có tác động tích cực cho sự phát triển kinh tế - xã hội, thì sự phát triển này cũng là nguyên nhân chính làm cho môi trường xung quanh chúng ta ngày càng trở nên ô nhiễm nặng hơn. Ô nhiễm kim loại nặng nói chung và ô nhiễm đồng nói riêng vào nguồn nước chủ yếu là do nước thải từ hoạt động của các nhà máy khai thác khoáng sản, nhà máy mạ điện, nhà máy cơ khí, nhà máy sản xuất pin, ắc quy và gốm sứ, chưa qua xử lý hoặc xử lý chưa triệt để thải ra môi trường. Ô nhiễm kim loại nặng trong nước là nguyên nhân gây ra sự phá vỡ nhiều quá trình chuyển hóa và cân bằng sinh thái do độc tính và khả năng tích lũy của chúng. Khác với hầu hết các chất gây ô nhiễm khác, đồng không phân hủy sinh học và không trải qua một chu kỳ sinh thái, sinh học chung [2]. Việc sử dụng nguồn nước có chứa đồng và hợp chất của nó gây ảnh hưởng tới toàn bộ các cơ quan và hệ cơ quan của con người. Nhiễm độc kim loại nặng thường gây ra những tổn thương đặc biệt trong hệ thống tạo máu, hệ tim mạch, hệ thần kinh và hệ tiêu hóa. Đặc biệt đối với trẻ em ngay cả với hàm lượng kim loại nặng rất nhỏ cũng ảnh hưởng đến sức khỏe, dẫn đến những rối loạn về phát triển trí tuệ và thể lực, các rối loạn thần kinh tâm lý, giảm tổng hợp hemen và thiếu máu, giảm vitamin D trong máu và tăng ngưỡng tiếp nhận âm thanh. Nghiên cứu và tìm ra các giải pháp kết hợp với công tác quản lý nhằm giảm thiểu ô nhiễm kim loại nặng đặc biệt trong nguồn nước là việc làm cần thiết và thu hút được sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học trong nước và quốc tế. Hiện nay có nhiều phương pháp để xử lý ion kim loại như phương pháp kết tủa hóa học; phương pháp trao đổi ion; phương pháp đông tụ, keo tụ và hấp thụ. Đáng lưu ý hơn cả là phương pháp hấp phụ và trao đổi ion: một trong những biện pháp hiệu quả trong xử lý nước khi so sánh với các phương pháp xử lý khác do lợi thế dễ thực hiện, không phát sinh chất độc hại trong suốt quá trình xử lý và gần như loại bỏ được tất cả các chất ô nhiễm trong nước. Bùn thải sinh học (BTSH) của các hệ thống xử lý nước thải (XLNT) có chứa lượng lớn hợp chất polymer sinh học (EPS - Extracellular polymeric substances). 2 EPS liên kết với tế bào vi sinh vật (VSV) thông qua các tương tác phức tạp để tạo thành một cấu trúc mạng lưới rộng lớn. EPS là chất có phân tử lượng lớn được sinh tổng hợp bởi VSV [2]. Các công trình nghiên cứu gần đây cho thấy EPS là một vật liệu tiềm năng để xử lý kim loại trong nước thải xi mạ [70]. Khả năng hấp phụ sinh học của EPS (chủ yếu là heteropolysaccharides và lipids) được cho là do EPS có khối lượng phân tử cao và chứa nhiều nhóm chức khác nhau (ví dụ amino, carboxyl, hydroxyl, phosphate v.v). EPS đạt hiệu quả cao trong việc xử lý ion kim loại Cu2+. Xuất phát từ những lý do trên, đề tài “Nghiên cứu khả năng xử lý kim loại trong nước bằng polyme sinh học (biopolymer) tách từ bùn thải sinh học” được thực hiện nhằm mục đích tách phần polymer sinh học có trong bùn thải và sử dụng chúng với vai trò làm vật liệu để hấp phụ, xử lý kim loại Cu trong nước thải. 1. Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu xây dựng được quy trình tách bio-polymer từ bùn thải sinh học - Đánh giá khả năng ứng dụng xử lý ion kim loại Cu2+ trong nước thải xi mạ bằng bio-polymer tách được. 2. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu lựa chọn và xây dựng quy trình tách bio-polymer từ bùn thải sinh học - Phân tích đặc trưng cấu trúc tính chất của bio-polymer thu tách được - Thử nghiệm đánh giá khả năng xử lý ion kim loại Cu2+ trong nước và nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng tới quá trình xử lý. 3. Những đóng góp mới của đề tài Kết quả của đề tài nghiên cứu nhằm xác định được một phương pháp tách phù hợp để tách polymer sinh học có trong bùn thải cho hiệu quả xử lý Cu tốt. Kết quả này sẽ tạo các bước đi đầu để tái sử dụng các phần vật chất có ích trong bùn thải (dạng chất thải đang phải đưa đi xử lý) và đưa ra được một loại vật liệu hấp phụ kim loại có tính thân thiện môi trường. 3 4. Cấu trúc của luận văn Luận văn gồm 3 chương, 55 trang, 11 hình, 7 bảng. Mở đầu: Tóm tắt nội dung và tính cấp thiết của luận văn Chương 1: Tổng quan về các vấn đề nghiên cứu (13 trang) Chương 2: Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu (8 trang) Chương 3: Kết quả và thảo luận (20 trang) 4 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Kim loại – nguồn gốc phát sinh và mức độ ảnh hưởng 1.1.1. Nguồn gốc phát sinh kim loại Trong tự nhiên kim loại tồn tại trong ba môi trường: môi trường không khí, môi trường nước và môi trường đất. Trong môi trường nước thì kim loại tồn tại dưới dạng ion hoặc phức chất. Trong ba môi trường thì môi trường nước là môi trường có khả năng phát tán kim loại nặng đi xa nhất và rộng nhất. Trong những điều kiện thích hợp kim loại nặng trong môi trường nước có thể phat tán vào trong môi trường đất hoặc môi trường khí. Kim loại nặng trong nước làm ô nhiễm cây trồng khi các cây trồng này được tưới bằng nguồn nước có chứa kim loại nặng hoặc đất trồng cây bị ô nhiễm bởi nguồn nước có chứa kim loại nặng chảy qua. Do đó kim loại nặng trong môi trường nước có thể đi vào cơ thể con người thông qua con đường ăn hoặc uống. Các quá trình sản xuất công nghiệp, quá trình khai khoáng, quá trình tinh chế quặng, kim loại, sản xuất kim loại thành phẩm là các nguồn chính gây ô nhiễm kim loại nặng trong môi trường nước. Thêm vào đó, các hợp chất của kim loại nặng được sử dụng rộng rại trong các ngành công nghiệp khác khư quá trình tạo màu và nhuộm, ở các sản phẩm thuộc da, cao su, dệt, giấy, luyện kim, mạ điện và nhiều ngành kháccũng là nguồn đáng kể gây ô nhiễm kim loại nặng. Khác biệt so với nước thải ngành côn nghiệp, nước thải sinh hoạt thường có chứa trong đó một lượng kim loại nhất định bởi quá trình tiếp xúc lâu dài với Cu, Zn hoặc Pb trong đường ống hoặc bề chứa. 1.1.2. Mức độ ảnh hưởng của kim loại Các kim loại nặng có nồng độ vi lượng là các nguyên tố dinh dưỡng cần thiết cho sự phát triển bình thường của con người. Tuy nhiên nếu như vượt quá hàm lượng cho phép chúng lại gây ra các tác động hết sức nguy hại tới sức khỏe con người. 5 Các kim loại nặng xâm nhập vào cơ thể thông qua các chu trình thức ăn. Khi đó, chúng sẽ tác động đến các quá trình sinh hóa và trong nhiều trường hợp dẫn đén những hậu quả nghiêm trọng về mặt sinh hóa. Các kim loại nặng có ái lực lớn với các nhóm -SH, -SCH3 của các nhóm enzim trong cơ thể. Vì thế các enzim bị mất hoạt tính, cản trở quá trình tổng hợp protein của cơ thể. 1.2. Vài nét về kim loại đồng 1.2.1. Giới thiệu chung kim loại đồng Kim loại nặng là những kim loại có tỷ trọng lớn hơn 5g/cm3, bao gồm một số kim loại như: As, Hg, Cu, Cr, Cd, Co, Pb, Zn, Sb, MnMột vài kim loại trong số này có thể cần thiết cho cơ thể sống khi chúng ở một hàm lượng nhất định như Zn, Cu, Fe,tuy nhiên khi ở một lượng lớn hơn nó sẽ trở nên độc hại. Trong các kim loại nặng, Cu2+ được coi là chất độc hại hoặc rất độc hại đối với các động vật sống dưới nước hoặc rất nhiều các loài thực vật. Trong môi trường nước thì kim loại đồng có thể được liệt xếp thứ ba về độ độc hại sau Hg, Cd. Mặc dù, sự sắp xếp này chỉ là tương đối và các vị trí của các nguyên tố này trong chuỗi sẽ rất khác nhau phụ thuộc vào từng loài, từng điều kiện và đặc điểm môi trường. Đồng có độc tính cao đối với hầu hết các thực vật thủy sinh, ở nồng độ thấp 0,1 mg/L, nó đã gây ra ức chế không cho các loài thực vật này phát triển. Ngoài ra đồng còn có khả năng làm mất muối bởi vậy làm giảm khả năng thẩm thấu của tế bào. Đối với độc tính của đồng lên thực vật thủy sinh thì đồng chỉ đứng sau thủy ngân. Đối với các loài cá nước ngọt thì đồng cũng gần như là kim loại có độc tính cao nhất chỉ sau thủy ngân. Ngưỡng độc của đồng là LC50 = 0,017 - 1 mg/L, tùy thuộc vào điều kiện môi trường và từng loài. Đồng ít độc hơn đối với các loài cá biển vì khả năngtạo phức cao của đồng đối với các muối có trong nước biển, các phức này có thể là các phức kết tủa hoặc các phức được tạo ra này ít nguy hiểm hơn. Đối với con người thì đồng không quá độc bởi sự kết hợp trung gian của đồng giữa các axit mạnh và axit yếu. Cũng không có bằng chứng nào chứng tỏ đồng là chất gây ung thư cho con người. Tuy nhiên cũng như các kim loại nặng khác, khi 6 ở nồng độ cao, đồng có thể tích luỹ vào các bộ phận trong cơ thể như gan, thận... và gây tổn thương đối với các cơ quan này. 1.2.2. Nguồn gốc phát sinh  Nước thải sinh hoạt và chăn nuôi Sự tồn tại của Cu2+ ở trong nước thải sinh hoạt do các tác nhân trong các mỹ phẩm dùng để trang điểm, rửa mặt.... Một vài hóa chất được sử dụng trong nông nghiệp cũng làm gia tăng ô nhiễm Cu2+ như: Cu được thêm vào thức ăn cho lợn và được bài tiết ra môi trường. Nhìn chung, nước thải sinh hoạt và hoạt động chăn nuôi chứa hàm lượng Cu không cao, do lượng sự dụng ít và khi phát thải vào môi trường, Cu có thể bị kết tủa bởi các tác nhân khác trong môi trường như OH, CO3 v.v.  Hoạt động sản xuất công nghiệp Hoạt động sản xuất công nghiệp phát sinh lượng lớn Cu với nồng độ cao. Các quá trình sản xuất công nghiệp chủ yếu phát thải lượng Cu lớn vào môi trường gồm quá trình khai khoáng, quá trình tinh chế quặng, kim loại, sản xuất kim loại thành phẩm, mạ bản mạch v.v. Ngoài ra, các hợp chất của Cu được sử dụng rộng rãi trong các nghành công nghiệp khác như quá trình tạo màu và nhuộm, ở các sản phẩm của thuộc da, cao su, dệt, giấy, luyện kim, mạ điện và nhiều ngành khác... cũng là nguồn đáng kể gây ô nhiễm kim loại đồng. Đồng trong nước thải thường tồn tại dưới các dạng: các muối Cu2+ như CuCl2, CuSO4... hoặc tồn tại dưới dạng các muối phức như phức với NaOH tạo ra Na2[Cu(OH)4]. Trong các hoạt động công nghiệp, hoạt động xi mạ có thể được coi là một trong các hoạt động chính phát sinh Cu, đặc biệt là hoạt động mạ, rửa bản mạch điện tử PCB. Nước thải từ quá trình xi mạ có thành phần đa dạng về nồng độ và pH, biến đổi rộng từ 2-3 đến 10-11. Đặc trưng chung của nước thải ngành xi mạ là chứa hàm lượng cao các muối vô cơ và kim loại nặng. Tùy theo kim loại của lớp mạ mà nguồn ô nhiễm có thể là Cu, Zn, Cr, Ni, và cũng tùy thuộc vào các loại muối kim loại được sử dụng mà nước thải có chứa các độc tố như xianua, sunfat, amoni, cromat, Các chất hữu cơ có ít trong nước thải xi mạ, phần chủ yếu là chất tạo 7 bông, chất hoạt động bề mặtnên BOD thấp. Đối tượng xử lý chính là các ion vô cơ mà đặc biệt là các muối kim loại nặng như Cu, Ni, Cr, Fe,  Nước thải của làng nghề tái chế kim loại Hoạt động của các làng nghề cũng là một nguồn phát sinh đáng lưu ý. Các làng nghề hiện tại thường hoạt động ở quy mô bán công nghiệp và ít có sự quản lý nghiêm ngặt về môi trường dẫn tới chất thải phát sinh không được xử lý triệt để. Các cơ sở tái chế kim loại còn có thể nằm xen kẽ trong khu dân cư nên các chất thải trong quá trình sản xuất gây ảnh hưởng trực tiếp đến cộng đồng, làm suy giảm chất lượng cuộc sống của người dân. Tỷ lệ người mắc bệnh ở các làng nghề đang có xu hướng tăng. Tuổi thọ cũng giảm đi, thấp hơn 10 năm so với tuổi thọ trung bình toàn quốc.Tỷ lệ người mắc bệnh thần kinh, phổi, hô hấp, ngoài da, điếc và ung thư chiếm tới 60% tại các làng nghề sản xuất kim loại, tái chế phế thải. Kết quả nghiên cứu về hàm lượng một số kim loại nặng trong nước mặt của một số làng nghề thu được cho thấy tình trạng báo động. Bảng 1.1. Hàm lượng một số kim loại nặng trong nước thải một số làng nghề tái chế STT Nơi lấy mẫu Cr2+ (g/L) Fe (g/L) Pb2+ (g/L) Cu2+ (g/L) Zn2+ (g/L) Al3+ (g/L) 1 Chỉ Đạo – Bắc Ninh 0,04 0,4 0,35 0,1 0,6 - 2 Vân Chàng – Nam Định 63 12 0,9 1,5 8,7 10,4 3 Phước Kiều – Quảng Ninh 0,2 7,6 0,6 1,5 1,8 2,1 4 Xuân Tiến – Nam Định 0,8 0,3 0,44 3,1 2,15 0,32 (Nguồn: Đề tài KC 08-09 về môi trường – làng nghề) Ô nhiễm từ các làng nghề tái chế thuộc mức độ ô nhiễm nặng. Do việc thu gom và thải bỏ bừa bãi, nên ảnh hưởng đến môi trường sinh thái và sức khỏe người dân rất nghiêm trọng. Hầu hết các ao hồ trong các làng nghề không thể nuôi được cá, do đã tiếp nhận một lượng nước thải khá lớn từ hoạt động sản xuất với nồng độ 8 ô nhiễm cao, vượt quá khả năng tự làm sạch của môi trường và do rác thải bừa bãi gây bồi lắng và cản trở dòng chảy của nước sông hồ. 1.2.3. Các phương pháp xử lý kim loại đồng - Phương pháp kết tủa Xử lý kim loại bằng phương pháp kết tủa là phương pháp phổ biến và thông dụng nhất. Với ưu điểm là rẻ tiền, khả năng xử lý nhiều kim loại trong dòng thải cùng một lúc và hiệu quả xử lý kim loại nặng ở mức chấp nhận được thì phương pháp này đang là lựa chọn số một cho các nhà máy công nghiệp ở Việt Nam. Cu thường được kết tủa với hydroxit, trong đó, vôi là sự lựa chọn thích hợp nhất của các cơ sở do chi phí thấp và nguồn cung cấp dễ dàng. Kim loại cũng có thể được kết tủa dưới dạng muối cacbonat hoặc Sulfit. Với phương pháp kết tủa, đa số các kim loại đều cần điều kiện pH kiềm để tạo ra muối của hydroxit. Do vậy, cần tốn hóa chất để nâng pH của nước thải lên. Chi phí cho quá trình nâng pH khá cao do phần lớn các dòng thải chứa kim loại với nồng độ cao đều có pH axit như nước thải từ quá trình mạ bản mạch, xử lý bề mặt hay nước thải từ quá trình khai khoáng. Phương pháp kết tủa cũng có một nhược điểm lớn nữa là sinh nhiều bùn dạng vô cơ nguy hại. Đây là dạng bùn chỉ xử lý được bằng phương pháp đóng rắn nên về lâu dài sẽ gây tác động tiêu cực tới môi trường. - Phương pháp điện hóa Nguyên tắc của phương pháp điện hóa trong xử lý nước thải nói chung và nước thải chứa kim loại nặng nói riêng là sử dụng các quá trình oxi hóa ở anot và khử ở catot, đông tụ điện, kết tủa... khi cho dòng điện một chiều đi qua 2 cực anot và catot. Các phương pháp điện hóa chính dùng trong xử lý kim loại bao gồm: - Kết tủa điện hóa - Thẩm tách điện hóa - Đông tụ điện hóa - Trao đổi ion điện hóa Phương pháp điện hóa cho phép xử lý kim loại với hiệu suất cao, tuy nhiên, phương pháp này ít được ứng dụng trong thực tế về xử lý nước thải do chi phí vận 9 hành đắt và đầu tư tốn kém. Phương pháp được ứng dụng trong một số trường hợp đặc biệt cần thu hồi kim loại quý. - Phương pháp hấp phụ Hấp phụ là quá trình hút khí bay hơi hoặc chất hòa tan trong chất lỏng lên bề mặt chất rắn xốp gọi là quá trình hấp phụ. Phương pháp hấp phụ được ứng dụng khá phổ biến trong xử lý nước thải chứa kim loại với nồng độ thấp. Ở nồng độ cao, phương pháp này ít có tính khả thi do vật liệu hấp phụ nhanh bị bão hòa, sinh nhiều chất thải rắn cần xử lý. Hiện nay người ta đã tìm ra nhiều loại vật liệu có khả năng hấp phụ kim loại nặng như: than hoạt tính, than bùn, các loại vật liệu vô cơ như oxit sắt, oxit mangan, tro bay, xỉ than, bằng các vật liệu polyme hóa học hay polyme sinh học. Sau khi bão hòa, vật liệu có thể được hoàn nguyên, tái sinh (đối với các loại vật liệu hấp phụ có giá trị, và nhất thiết phải có kích thước đủ lớn để có thể hoàn nguyên được) và trong nhiều trường hợp có thể thu hồi những cấu tử quý. Chất hấp phụ dạng polymer: Người ta sử dụng nhiều chất polyme làm chất hấp phụ. Các chất polymer thường có các nhóm chức có khả năng hút hoặc giữ các kim loại vào trong thành phần liên kết. Chất hấp phụ sinh học: chất hấp phụ sinh học là những chất có bắt nguồn từ sinh học do vậy nó rất đa dạng và phong phú. Các chất sinh học được sử dụng để làm chất hấp phụ sinh học thường là các polymer sinh học. - Phương pháp trao đổi ion Phương pháp trao đổi ion là một trong những phương pháp phổ biến để xử lý các ion kim loại trong nước thải như Ni2+, Fe2+, Fe3+, Cu2+, Zn2+... Phương pháp này khá hiệu quả trong việc xử lý kim loại nặng đặc biệt là có thể thu hồi hiệu quả một số kim loại có giá trị. Quá trình trao đổi ion diễn ra giữa 2 pha lỏng - rắn, giữa các ion có trong dung dịch và các ion có trong pha rắn. Thực chất phương pháp trao đổi ion cũng là một phần của phương pháp hấp phụ, nhưng là quá trình hấp phụ có kèm theo trao đổi ion giữa chất hấp phụ với ion của dung dịch. Có thể nói trao đổi ion là một quá trình trong đó các ion trên bề mặt của chất rắn trao đổi với ion có cùng điện 10 tích trong dung dịch khi tiếp xúc với nhau. Các chất này gọi là các ionit (chất trao đổi ion), chúng hoàn toàn không tan trong nước. - Phương pháp sinh học Phương pháp sinh học là một trong những phương pháp có nhiều hứa hẹn mang lại những hiệu quả tích cực cho việc xử lý kim loại đồng. Đặc biệt tại Việt Nam ngày càng có nhiều hơn các công trình nghiên cứu về ứng dụng của phương pháp sinh học trong xử lý nước thải có chứa kim loại nặng. Sở dĩ phương pháp sinh học đang ngàyđược quan tâm bởi vì nhưng ưu điểm nổi trội của nó so với các phương pháp khác như: tính gần gũi với tự nhiên, ít tạo ra các ô nhiễm thứ cấp. Nhiều các loài sinh vật trong tự nhiên đã được các nhà khoa học phát hiện và ứng dụng trong xử lý nước thải kim loại. Phương pháp hấp thu sinh học là phương pháp sử dụng các loài sinh vật trong tự nhiên hoặc các loại vật chất có nguồn gốc sinh học có khả năng giữ lại trên bề mặt hoặc thu nhận bên trong các tế bào của chúng các kim loại nặng khi đưa chúng vào môi trường nước thải có chứa kim loại nặng. Hiện nay người ta đã tìm ra nhiều loại sinh vật có khả năng hấp thu các kim loại nặng đặc biệt là các loại thực vật thủy sinh như bèo lục bình, rong đuôi chó, bèo tấm, loài tảo Chlorella sp. Nói chung, phương pháp xử lý kim loại nặng bằng phương pháp hấp thu sinh học là phương pháp còn khá mới mẻ và nhiều tiềm năng. - Hấp thu sinh học - Chuyển hóa sinh học - Bãi lọc ngập nước, thủy thực vật - Các quá trình sử dụng enzyme khác Cu là một trong những kim loại phát sinh nhiều trong hoạt động sản xuất công nghiệp và sinh hoạt. Đây cũng là kim loại nặng có tiềm năng gây ảnh hưởng tới môi trường. Hiện nay, nhiều công nghệ khác nhau đã được phát triển và ứng dụng để xử lý kim loại đồng trong đó, phương pháp kết tủa là phương pháp được sử dụng nhiều nhất. Các nghiên cứu gần đây cho thấy, EPS có khả năng ứng dụng tốt 11 để hấp phụ và xử lý nhiều kim loại khác nhau. Các tính chất chung và đặc điểm của EPS được trình bày chi tiết ở mục tiếp theo của luận văn. 1.3. Tổng quan về EPS 1.3.1. Khái niệm chung về EPS Extracellular polymeric substances (EPS) là một hỗn hợp phức tạp của các polymer ngoại bào có khối lượng phân tử từ 10 đến 30 kDa được sinh tổng hợp bởi vi sinh vật [1]. EPS là một trong những thành phần quan trọng trong quần thể vi sinh vật. Nó có tác dụng gắn kết chặt chẽ các vi khuẩn lại với nhau hình thành nên bông bùn sinh học. Ngoài ra EPS có thể sử dụng như là nguồn dinh dưỡng dự trữ cho vi khuẩn trong điều kiện môi trường nghèo dinh dưỡng [1]. Có nhiều cách phân loại EPS khác nhau, tuy nhiên EPS có thể được chia thành 2 dạng là EPS liên kết (Bound EPS) và EPS hòa tan (Soluble EPS) [2]. EPS liên kết có liên kết chặt chẽ với các tế bào, ngược lại EPS hòa tan lại có liên kết yếu với các tế bào hoặc tồn tại ở trạng thái hòa tan trong dung dịch. Trong đó, cấu trúc của EPS liên kết gồm 2 lớp [2]. Lớp bên trong là EPS liên kết mạnh (TB-EPS) và lớp bên ngoài là EPS liên kết yếu (LB-EPS). Hai lớp EPS này có thể được tách ra bằng cách ly tâm, LB-EPS sẽ nằm trong pha lỏng còn TB-EPS nằm trong pha rắn cùng với các tế bào vi sinh vật. 1.3.2. Đặc điểm thành phần hóa học của EPS EPS có thành phần hóa học rất phức tạp do thành phần của EPS phụ thuộc nhiều vào quần thể vi sinh vật, pha sinh trưởng, nguồn dinh dưỡng, điều kiện môi trường, loại