Trong nước ngầm nhiễm asen, thường đồng thời cũng nhiễm sắt(II), mangan(II). Ngoại trừ các nguồn ô nhiễm mang tính nhân tạo, dạng As tồn tại phổ biến trong nước ngầm là As(III) và As(V). Nhưng dạng As(III) thường phổ biến hơn trong các nguồn nước ngầm thiếu khí và khó xử lý hơn.
Cơ chế của quá trình oxy hóa sinh học sắt và mangan bởi vi khuẩn sắt :
– Đầu tiên, nước ngầm chứa asen, sắt và magan được đưa vào cột lọc trong một thời gian nhất định để vi sinh vật phát triển và thích nghi dần với điều kiện làm việc, cho tới khi hệ đạt trạng thái cân bằng. Khi đó Fe(II), Mn(II) trong nước ngầm được vi khuẩn sắt (IRB) oxy hóa thành Fe(III) dưới dạng FeOxkết tủa, Mn(IV) dưới dạng MnOxkết tủa trên bề mặt vật liệu lọc:
– Các dạng kết tủa oxit FeOx, MnOx (iron and manganese oxides-gọi tắt là IMOs) sẽ hấp phụ cả As(III) và As(V). Sau đó, As(III) hấp phụ vào bùn oxit sinh học nhờ hoạt tính sinh học của vi sinh vật oxy hóa thành dạng As(V). Các dạng kết tủa oxit sinh học này keo tụ và lắng trên bề mặt vật liệu lọc. Do đó, asen được loại ra khỏi nguồn nước ngầm.
Với kí hiệu M = Fe, Mn
Hệ thống lọc sinh học này sử dụng vi khuẩn bản địa trong nước ngầm có thể xử lý đồng thời cả Fe, Mn, As và NH4+. Trong số các loài vi khuẩn khác nhau trong cột lọc, vi khuẩn sắt (IRB) và vi khuẩn nitrit/nitrat hóa đóng vai trò quan trọng nhất trong hệ thống. IRB là tên gọi của các loài vi khuẩn bản địa có khả năng oxy hóa sắt và/hoặc mangan (vi khuẩn sắt-iron related bacteria (IRB)) trong nước ngầm, tạo thành các kết tủa oxit của các kim loại này. Chúng được cấy trên vật liệu lọc và phát triển, sinh trưởng trên đó cùng với một số vi sinh vật bản địa khác nhờ được cấp liên tục nước nguồn vào lớp vật liệu lọc.
Xem thêm: MICROBE LIFT: Chế phẩm Vi sinh Vật Xử lý Môi Trường
Microbe-Lift N1
Vi sinh giảm Amonia MICROBE-LIFT N1 là tổ hợp vi sinh dạng lỏng có tính chuyên hóa cao.Tổ hợp vi sinh này được thiết kế đặc biệt để thúc đẩy, thiết lập và duy trì quá trình chuyển hóa nitơ trong các hệ thống xử lý nước thải.
Cũng đồng quan điểm, nhóm tác giả Y. Fujikawa, M. Sugahara, T. Hamasaki và các cộng sự thuộc hai trường đại học Kyoto và Osaka Sangyo sau 7 năm nghiên cứu trên quy mô pilot tại Nhật Bản, đã phát triển thành công hệ thống lọc sinh học sử dụng các loài vi khuẩn bản địa để loại bỏ đồng thời cả As(III), As(V), sắt, mangan và amoni khỏi nguồn nước ngầm. Hệ thống này có thể ứng dụng tại các nhà máy xử lý nước cấp cũng như tại các hộ gia đình.
Các giai đoạn diễn ra trong chu kỳ lọc đã được nhóm tác giả sơ đồ hóa (hình 2), gồm 4 giai đoạn chính: bắt đầu, trong quá trình thích nghi, kết thúc quá trình thích nghi và rửa ngược. Các quá trình xảy ra trong mỗi giai đoạn cũng tương đồng với nghiên cứu của Ts. Phan Đỗ Hùng và cộng sự nêu ở trên.
Microbe-Lift IND
Vi sinh xử lý nước thải MICROBE-LIFT IND là sản phẩm côt lõi của dòng sản phẩm vi sinh môi trường, chứa quần thể vi sinh được nuôi cấy dạng lỏng hoạt động mạnh gấp 5 đến 10 lần vi sinh thông thường. Chuyên dùng giảm BOD, COD, TSS cho nước thải đa ngành như: công nghiệp, sinh hoạt, đô thị, ngành cao su, ngành dệt nhuộm…
Bên cạnh đó, cơ chế loại bỏ As(III) đã được nhóm tác giả nghiên cứu (2008) bằng thí nghiệm hấp phụ: lấy một lượng oxit sắt có nguồn gốc sinh học (bùn sinh học: Fe 31%, Mn 2%), nước ngầm nhân tạo và As (III) cho vào cốc thí nghiệm lớn. Sau những khoảng thời gian xác định: 0,5 giờ, 2 giờ, 4 giờ và 12 giờ thì lấy một lượng bùn sinh học ra lọc. Phần oxit sinh học hấp phụ As(III) đem đi phân tích bằng phương pháp quang phổ hấp phụ tia X để xác định dạng As hấp phụ trên các IMO được tạo thành bởi vi sinh vật, còn phần nước lọc thì phân tích tổng nồng độ As và As(III).
Microbe-Lift OC-IND
Vi sinh xử lý mùi hôi MICROBE-LIFT OC-IND là tập hợp các chủng vi sinh có khả năng kiểm soát hầu hết các khí gây mùi ; đóng vai trò như các tấm màng đa phân tử (giống khối xốp) để cô lập và cố định phản ứng tạo mùi gây ra bởi các phản ứng sinh học => giúp ngăn cản mùi thoát ra.
Kết quả phân tích quang phổ hấp phụ tia X (hình 3) cho thấy, sau khoảng thời gian 0,5 giờ và 2giờ thì đường đồ thị ứng với đường chuẩn As(III). Nhưng khi cường độ hấp phụ tia X tăng dần, sau khoảng thời gian 4giờ thì đường đồ thị dần chuyển sang đường chuẩn As(V). Và sau 12 giờ thì đường đồ thì chuyển hẳn ứng với đường chuẩn As(V). Như vậy, ban đầu As(III) trong nước ngầm được các IMO hấp phụ dưới dạng As(III) nguyên dạng, sau đó sẽ bị oxy hóa dần dần thành As(V) nhờ hoạt tính sinh học của vi khuẩn sắt.
Microbe-Lift SA
Vi sinh giảm bùn MICROBE-LIFT SA là một quần thể vi sinh có độ hoạt tính cao, hoạt động như một chất gia tốc được thiết kế đặc biệt để đẩy nhanh quá trình oxy hóa sinh học các hợp chất khó phân hủy nhằm làm giảm thể tích bùn trong hệ thống xử lý nước thải, ao hồ, đầm chứa
Hệ thiết bị này có thể sử dụng để xử lý đồng thời sắt, mangan, asen (III), asen (IV) và amôni trong nước mà không cần phải thêm quá trình tiền sục khí, tiền oxy hóa. Hơn nữa, chính bản thân vật liệu lọc là các hạt Kemrazit cũng có khả năng hấp phụ asen. Chính vì vậy, Asen đã được loại bỏ ra khỏi nước ngầm sau quá trình lọc. Hệ thống được rửa lọc ngược định kỳ nên có thể khắc phục tắc bởi các kết tủa IMOs, các cặn bẩn và duy trì đảm bảo tốc độ lọc.
Hàm lượng sắt và mangan trong nước ngầm Việt Nam khá cao, vì vậy rất phù hợp để ứng dụng phương pháp này. Tuy nhiên, hệ thống thiết bị này cần nghiên cứu tìm ra điều kiện và chế độ vận hành tối ưu để đạt được hiệu suất xử lý asen cao nhất.
Vi khuẩn oxy hóa sắt và mangan:
Từ lâu một số loài vi khuẩn đã được công nhận về khả năng oxy hóa sắt, mangan trong cấu trúc bên ngoài tế bào (thành và vỏ tế bào vi khuẩn). Để oxy hóa sắt, mangan thì phương pháp này đã sử dụng các loài vi khuẩn này và chúng được gọi là vi khuẩn sắt (iron related bacteria-gọi tắt là IRB). IRB là tên gọi của các loài vi khuẩn có khả năng oxy hóa sắt (Fe) và/hoặc mangan (Mn) hòa tan tạo thành các kết tủa oxit của các kim loại này. Những kết tủa oxit này lưu lại trên bề mặt vật liệu lọc và có khả năng hấp phụ, loại bỏ asen trong nước ngầm.
Microbe-Lift DGTT
Vi sinh xử lý dầu mỡ MICROBE-LIFT DGTT là một chủng vi sinh được nuôi cấy dạng lỏng => có hoạt tính cao . Chủng vi sinh này được thiết kế đặc biệt để phân hủy nhanh chóng các chất béo, dầu, và mỡ trong các hệ thống nước thải, bao gồm tất cả các bể bẫy mỡ, hố chứa chất thải, đường ống chất thải…
Chúng thường được tìm thấy trong nước có nồng độ sắt và mangan tương đối cao (nồng độ sắt lớn hơn 1 ppm, mangan với nồng độ thấp hơn sắt 10 lần). IRB sống khá phổ biến trong đất, các lớp trầm tích và các thủy vực tự nhiên. Có ba nhóm chính, bao gồm: Gallionella, IRB có vỏ bọc và IRB dị dưỡng.
Lehimas và cộng sự (2001) đã ứng dụng hệ thống sinh học sử dụng IRB để loại bỏ asen bằng cách lọc nước ngầm bổ sung muối natri asenit qua thiết bị lọc cát. Kết quả nghiên cứu cho thấy, As(III) có thể được loại bỏ khi có mặt Fe2+ trong nước nguồn và bị oxy hóa sinh học trong thiết bị lọc. Katsoy-iannis và Zouboulis (2004) cho rằng quá trình oxy hóa As(III) được xúc tác bởi IRB, dẫn tới loại bỏ As tổng số. Tuy nhiên, kết quả phân tích quang phổ hấp phụ nguyên tử X-ray nhằm xác định dạng As hấp phụ trên các IMOs được tạo thành bởi vi sinh vật cho thấy, As(III) trong nước ngầm được hấp phụ dưới dạng As(III) và sau đó dần dần bị oxy hóa thành As(V) nhờ hoạt tính sinh học (Yoko Fujikawa và cộng sự 2008) [27](hình3).
Các loài vi khuẩn sắt (IRB) này có khả năng tự dưỡng, phát triển trong nguồn nước ngầm và trên bề mặt của các vật liệu lọc. Tốc độ quá trình oxy hóa của vi khuẩn cao hơn rất nhiều so với quá trình oxy hóa bằng các phương pháp hóa lý bình thường. Hơn nữa, vi khuẩn có thể thực hiện được quá trình oxy hóa ở những điều kiện mà các phương pháp hóa lý khó có thể làm được. Khu vực xảy ra quá trình oxy hóa sinh học loại bỏ sắt và mangan thể hiện trong đồ thị pH-Eh
IRB phân bố rất rộng rãi hầu như mọi nơi trong đất, trầm tích và các vùng nước khác nhau trong tự nhiên. Hoạt động ở điều kiện là khoảng nhiệt độ 30 C, pH trong khoảng gần trung tính và/hoặc hơi kiềm, môi trường giàu oxy trong các hợp chất, thậm chí là thiếu oxy thì một số loài IRB vẫn có thể phát triển được.
Trong nghiên cứu của Winogradesky, ông quan sát thấy các vi khuẩn dạng sợi Leptothrix ochracea, phát triển mạnh trong môi trường giàu Fe mà không cần bổ sung chất dinh dưỡng hữu cơ. Ông là người đầu tiên đặt ra khái niệm “vi khuẩn sắt (IRB).
Các vi khuẩn sắt cổ điển như: Gallionella, Sphaerotilus, Leptothrix và Clonothrix đã được mô tả, nghiên cứu từ thế kỷ 19. Sau này chúng được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu, tìm ra thêm nhiều loại vi khuẩn sắt có khả năng oxy hóa sắt và mangan: Cladothrix, Crenothrix, Metallogenium, Siderocapsaceae, Pedomicrobium, Hyphomicrobium… Nhưng việc để phân loại chúng thì đã có rất nhiều tranh cãi. Theo Pringsheim thì hình thức của các vi khuẩn sắt có thể thay đổi theo các điều kiện khác nhau của môi trường, theo quan sát của ông trong nghiên cứu thì IRB gồm 2 loài: S. Natans (chủ yếu cố định sắt và oxy hóa chúng thành dạng hợp chất oxit sắt) và Discophorus S. (cố định mangan oxy hóa chúng thành các dạng oxit hợp chất mangan).
Theo ngiên cứu của nhóm tác giả Y. Fujikawa, M. Sugahara, T. Hamasaki và các cộng sự, 2008 thì vi sinh vật bản địa có trong cột lọc bao gồm: vi sinh vật oxy hóa sắt, nitrit/nitrat hóa và oxy hóa mangan,…. Như các loài:
ỹ M07A73 (3) -Geothrix fermentans [U41563], 90%
ỹ M07A35-Geothrix fermentans [U41563], 93%
ỹ M07A103 (2)-Geothrix fermentans [U41563], 98%
ỹ M07A55-Geobacter sp. Ply1 [EF527233], 98%
ỹ M07A45 (2)-Geobacter argillaceus [DQ145534], 97%
ỹ M07A82 -Geobacter argillaceus [DQ145534], 97%
ỹ M07A51-Geobacter hephaestius [AY737507], 93%
ỹ M07A71 (2)-Nitrobacter winogradskyi [L35506], 100%
ỹ M07A125-Gallionella ferruginea subsp. Capsiferriformans [DQ386262],98%
ỹ M07A23-Thiobacillus sp. ML2-16 [DQ145970], 98%
ỹ M07A46-Leptothrix mobilis [X97071], 97%
ỹ M07A7 (6)-Leptothrix discophora [L33975],97%
Các yếu tố ảnh hưởng
pH và nồng độ oxy
Phương pháp xử lý sinh học sử dụng vi khuẩn sắt này thì cần tìm các điều kiện lý hóa thích hợp. Trong đó pH và nồng độ oxy là những thông số quan trọng, có ảnh hưởng tới các quá trình xảy ra, đặc biệt nhạy cảm với các loài vi khuẩn.
pH có ảnh hưởng rấtlớn đến các quá trình trao đổi chất của vi khuẩn, vì hoạt lực của enzym phụ thuộc vào pH của môi trường. Các vi khuẩn khác nhau thì sẽ có dải pH tối ưu khác nhau, trong dải pH tối ưu này vi khuẩn sắt sẽ hoạt động quá trình oxy hóa hiệu quả nhất.
Quá trình oxy hóa sinh học sắt, mangan có thể xảy ra ở cả trong môi trường giàu oxy hoặc nồng độ oxy thấp. Do một số loài vi khuẩn sắt có thể oxy hóa sắt, mangan ở điều kiện nồng độ oxy thấp. Nhưng nồng độ oxy thích hợp sẽ thúc đẩy mạnh quá trình oxy hóa Fe, Mn. Đạt được một lượng sinh khối kết tủa oxyt sắt, mangan ổn định, đảm bảo hiệu quả xử lý asen cao nhất.
Nhiệt độ và các chất độc hại
Nhiệt độ là một yếu tố có ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động chuyển hóa của vi sinh vật. Tốc độ tăng trưởng tế bào tăng khi tăng nhiệt độ, tuy nhiên nếu nhiệt độ quá cao sẽ làm giảm hoạt tính của vi sinh vật, gây ức chế hoạt động và có khi gây chết vi sinh vật. Cũng như các loài vi sinh vật khác thì các loài vi khuẩn sắt có phạm vi nhiệt độ hoạt động tối ưu khác nhau. Ở nhiệt độ thích hợp thì chúng sẽ hoạt động cho hiệu quả lớn nhất.
Nồng độ ion phosphate (PO43-) trong nước cao có thể làm giảm việc loại bỏ asen. Nếu các hợp chất độc hại như kẽm, sulfua hydro, HgCl2,…sẽ ức chế quá trình oxy hóa Mn, Fe,As và giảm hiệu quả xử lý asen.
Nồng độ sắt
Nồng độ sắt, yếu tố cần thiết cho hoạt động của vi khuẩn sắt, có thể chỉ cần điều chỉnh theo nồng độ ban đầu của asen. Vì sắt thường có trong nước ngầm cùng với thạch tín, vì vậy cần đảm bảo lượng sắt đủ để xử lý asen tốt hơn. Sắt sunlfat là một hóa chất tương đối rẻ tiền, có thể thêm vào để tăng nồng độ sắt. Tuy nhiên, trong nước ngầm chứa nồng độ lớn sắt do đó không phải bổ sung thêm hóa chất vào hệ thống này .
Tốc độ lọc
Tốc độ lọc tối ưu sẽ phụ thuộc vào nồng độ ban đầu của sắt. Một khi nồng độ ban đầu này được xác định, cùng với áp dụng một thiết kế được thành lập sử dụng cho quá trình oxy hóa sắt, mangan nhờ vi khuẩn sắt (IRB) thì sẽ đạt được tốc độ lọc tối ưu.
Leave a Reply