Bioremediation: đặc điểm, loại, ưu điểm và nhược điểm

Bioremediation là một tập hợp các công nghệ sinh học vệ sinh môi trường sử dụng khả năng trao đổi chất của vi sinh vật, nấm, thực vật và / hoặc các enzyme cô lập của chúng để loại bỏ các chất gây ô nhiễm trong đất và nước.

Các vi sinh vật (vi khuẩn và nấm) và một số thực vật có thể chuyển hóa sinh học rất nhiều hợp chất hữu cơ độc hại và gây ô nhiễm, làm cho chúng không gây hại hoặc vô hại. Họ thậm chí có thể phân hủy sinh học một số hợp chất hữu cơ thành các dạng đơn giản nhất của chúng, chẳng hạn như metan (CH ₄ ) và carbon dioxide (CO ₂ ).

Ngoài ra một số vi sinh vật và thực vật, có thể chiết xuất hoặc cố định trong môi trường ( tại chỗ) các yếu tố hóa học độc hại, như kim loại nặng. Bằng cách cố định chất độc hại trong môi trường, nó không còn có sẵn cho các sinh vật sống và do đó không ảnh hưởng đến chúng.

Do đó, việc giảm khả dụng sinh học của một chất độc hại cũng là một hình thức xử lý sinh học, mặc dù nó không bao hàm việc loại bỏ chất này khỏi môi trường.

Hiện nay có mối quan tâm khoa học và thương mại ngày càng tăng trong việc phát triển các công nghệ kinh tế với tác động môi trường thấp (hoặc "thân thiện với môi trường"), chẳng hạn như xử lý sinh học nước mặt, nước ngầm, bùn và đất bị ô nhiễm.

Đặc điểm của phản ứng sinh học

Các chất gây ô nhiễm có thể được xử lý sinh học

Trong số các chất gây ô nhiễm đã được xử lý sinh học, có kim loại nặng, chất phóng xạ, chất ô nhiễm hữu cơ độc hại, chất nổ, hợp chất hữu cơ có nguồn gốc từ dầu mỏ (hydrocarbon hydrocarbon hoặc HPAs), phenol, trong số những chất khác.

Điều kiện hóa lý trong quá trình xử lý sinh học

Do các quá trình xử lý sinh học phụ thuộc vào hoạt động của vi sinh vật và thực vật sống hoặc các enzyme cô lập của chúng, nên phải duy trì các điều kiện hóa lý thích hợp cho từng sinh vật hoặc hệ thống enzyme, để tối ưu hóa hoạt động trao đổi chất của chúng trong quá trình xử lý sinh học.

Các yếu tố phải được tối ưu hóa và duy trì trong suốt quá trình xử lý sinh học

-Nồng độ và khả dụng sinh học của chất ô nhiễm trong điều kiện môi trường: bởi vì nếu quá cao, nó có thể gây hại cho cùng các vi sinh vật có khả năng chuyển hóa sinh học chúng.

-Độ ẩm: sự sẵn có của nước là điều cần thiết cho các sinh vật sống, cũng như cho hoạt động enzyme của các chất xúc tác sinh học không có tế bào. Nói chung, độ ẩm tương đối từ 12 đến 25% phải được duy trì trong đất trải qua quá trình xử lý sinh học.

-Nhiệt độ: phải nằm trong phạm vi cho phép sự sống của các sinh vật được áp dụng và / hoặc hoạt động enzyme cần thiết.

-Các chất dinh dưỡng sinh học: cần thiết cho sự tăng trưởng và nhân lên của các vi sinh vật quan tâm. Chủ yếu là carbon, phốt pho và nitơ phải được kiểm soát, cũng như một số khoáng chất thiết yếu.

-Độ axit hoặc độ kiềm của môi trường nước hoặc pH (đo các ion H + trong môi trường).

-Oxygen có sẵn: trong hầu hết các kỹ thuật xử lý sinh học, các vi sinh vật hiếu khí được sử dụng (ví dụ như trong phân compost, biopiles và chôn lấp), và việc sục khí của chất nền là cần thiết. Tuy nhiên, vi sinh vật kỵ khí có thể được sử dụng trong các quá trình xử lý sinh học trong điều kiện phòng thí nghiệm được kiểm soát cao (sử dụng lò phản ứng sinh học).

Các loại sinh học

Trong số các công nghệ sinh học xử lý sinh học ứng dụng như sau:

Sinh học

Kích thích sinh học bao gồm sự kích thích tại chỗ của những vi sinh vật đã có trong môi trường bị ô nhiễm (vi sinh vật tự nhiên), có khả năng khử sinh chất gây ô nhiễm.

Sinh học tại chỗ đạt được bằng cách tối ưu hóa các điều kiện hóa lý cho quá trình mong muốn xảy ra, nghĩa là; độ pH, oxy, độ ẩm, nhiệt độ, trong số những người khác, và thêm các chất dinh dưỡng cần thiết.

Sinh hóa

Việc xác định sinh học ngụ ý sự gia tăng số lượng vi sinh vật quan tâm (tốt nhất là autochthonous), nhờ vào việc bổ sung chế phẩm của chúng được nuôi cấy trong phòng thí nghiệm.

Sau đó, một khi các vi sinh vật được quan tâm tại chỗ, các điều kiện hóa lý phải được tối ưu hóa (như trong phản ứng sinh học), để thúc đẩy hoạt động phân hủy của vi sinh vật.

Đối với việc áp dụng phương pháp sinh học, cần xem xét chi phí nuôi cấy vi sinh vật trong lò phản ứng sinh học trong phòng thí nghiệm.

Cả sinh học và định lượng sinh học có thể được kết hợp với tất cả các công nghệ sinh học khác được mô tả dưới đây.

Ủ phân

Phân trộn bao gồm trộn vật liệu bị ô nhiễm với đất không bị nhiễm bẩn bổ sung các chất và chất dinh dưỡng cải thiện thực vật hoặc động vật. Hỗn hợp này tạo thành hình nón cao tới 3 m, tách biệt với nhau.

Sự oxy hóa của các lớp dưới của hình nón nên được kiểm soát, thông qua việc loại bỏ thường xuyên từ nơi này sang nơi khác bằng máy móc. Các điều kiện tối ưu về độ ẩm, nhiệt độ, pH, chất dinh dưỡng, trong số những thứ khác cũng phải được duy trì.

Sinh học

Kỹ thuật xử lý sinh học với biopiles giống như kỹ thuật ủ phân được mô tả ở trên, ngoại trừ:

Sự vắng mặt của các chất cải thiện nguồn gốc thực vật hoặc động vật.
Việc loại bỏ sục khí bằng cách di chuyển từ nơi này sang nơi khác.

Các biopiles vẫn được cố định ở cùng một vị trí, được sục khí trong các lớp bên trong của chúng thông qua một hệ thống đường ống, có chi phí lắp đặt, vận hành và bảo trì phải được xem xét từ giai đoạn thiết kế của hệ thống.

Bãi chôn lấp

Công nghệ sinh học gọi là "chôn lấp" (dịch từ tiếng Anh: chạm khắc trên trái đất), bao gồm trộn vật liệu bị ô nhiễm (bùn hoặc trầm tích) với 30 cm đất không bị nhiễm bẩn đầu tiên của một vùng đất rộng lớn.

Trong những centimet đầu tiên của đất, sự thoái hóa của các chất gây ô nhiễm được ưa chuộng nhờ sục khí và trộn. Đối với công việc này, máy móc nông nghiệp được sử dụng, chẳng hạn như máy cày.

Nhược điểm chính của việc chôn lấp là nó nhất thiết đòi hỏi phải có những vùng đất rộng lớn, có thể được sử dụng để sản xuất lương thực.

Phytoremediation

Phytoremediation, còn được gọi là xử lý sinh học được hỗ trợ bởi các vi sinh vật và thực vật, là một tập hợp các công nghệ sinh học dựa trên việc sử dụng thực vật và vi sinh vật để loại bỏ, hạn chế hoặc giảm độc tính của các chất gây ô nhiễm trong bề mặt hoặc nước ngầm, bùn và đất.

Trong quá trình phân hủy phytoremediation, trích xuất và / hoặc ổn định (giảm khả dụng sinh học) của chất gây ô nhiễm có thể xảy ra. Các quá trình này phụ thuộc vào sự tương tác giữa thực vật và vi sinh vật sống rất gần với rễ của chúng, trong một khu vực được gọi là rhizosphere .

Phytoremediation đã đặc biệt thành công trong việc loại bỏ kim loại nặng và các chất phóng xạ từ đất và nước mặt hoặc nước ngầm (hoặc rhizofiltration của nước bị ô nhiễm).

Trong trường hợp này, thực vật tích lũy kim loại của môi trường trong mô của chúng và sau đó chúng được thu hoạch và đốt trong điều kiện được kiểm soát, để chất ô nhiễm đi từ phân tán trong môi trường, tập trung ở dạng tro.

Tro thu được có thể được xử lý để thu hồi kim loại (nếu đó là lợi ích kinh tế), hoặc chúng có thể bị bỏ rơi ở những nơi xử lý chất thải cuối cùng.

Một bất lợi của phytoremediation là thiếu kiến thức chuyên sâu về các tương tác xảy ra giữa các sinh vật liên quan (thực vật, vi khuẩn và có thể cả nấm bệnh nấm).

Mặt khác, các điều kiện môi trường phải được duy trì đáp ứng nhu cầu của tất cả các cơ quan được áp dụng.

Lò phản ứng sinh học

Các phản ứng sinh học là các thùng chứa có kích thước đáng kể, cho phép duy trì các điều kiện hóa lý rất được kiểm soát trong môi trường nuôi cấy nước, với mục đích ủng hộ một quá trình sinh học quan tâm.

Trong lò phản ứng sinh học, vi sinh vật và nấm có thể được phát triển trên quy mô lớn và trong phòng thí nghiệm và sau đó được áp dụng trong các quá trình sinh hóa tại chỗ. Các vi sinh vật cũng có thể được nuôi cấy để thu được các enzyme làm suy giảm các chất gây ô nhiễm.

Lò phản ứng sinh học được sử dụng trong các quá trình xử lý sinh học ngoại vi, khi chất nền bị ô nhiễm được trộn với môi trường nuôi cấy vi sinh vật, tạo điều kiện cho sự xuống cấp của chất gây ô nhiễm.

Các vi sinh vật phát triển trong lò phản ứng sinh học thậm chí có thể yếm khí, trong trường hợp môi trường nuôi cấy nước phải thiếu oxy hòa tan.

Trong số các công nghệ sinh học xử lý sinh học, việc sử dụng các phản ứng sinh học tương đối tốn kém, do bảo trì thiết bị và các yêu cầu đối với nuôi cấy vi sinh vật.

Vi mô

Micorremediation đề cập đến việc sử dụng các vi sinh vật nấm (nấm vi mô) trong các quá trình xử lý sinh học của một chất gây ô nhiễm độc hại.

Cần xem xét rằng việc trồng nấm vi mô thường phức tạp hơn vi khuẩn và do đó chi phí cao hơn. Ngoài ra, nấm phát triển và sinh sản chậm hơn vi khuẩn, với quá trình xử lý sinh học được hỗ trợ bởi nấm là một quá trình chậm hơn.

Xử lý sinh học so với các công nghệ vật lý và hóa học thông thường

-Cung cấp

Công nghệ sinh học xử lý sinh học là kinh tế và thân thiện với môi trường hơn nhiều so với các công nghệ vệ sinh môi trường hóa học và vật lý được áp dụng theo quy ước.

Điều này có nghĩa là việc áp dụng xử lý sinh học có tác động môi trường thấp hơn so với thực hành hóa lý thông thường.

Mặt khác, trong số các vi sinh vật được áp dụng trong các quá trình xử lý sinh học, một số vi khuẩn có thể tiếp tục khoáng hóa các hợp chất gây ô nhiễm, đảm bảo sự biến mất của chúng khỏi môi trường, một điều khó đạt được trong một bước với các quá trình hóa lý thông thường.

-Những nhược điểm và khía cạnh cần xem xét

Năng lực trao đổi chất của vi sinh vật tồn tại trong tự nhiên

Do chỉ có 1% vi sinh vật tồn tại trong tự nhiên đã được phân lập, nên hạn chế xử lý sinh học chính xác là xác định vi sinh vật có khả năng phân hủy sinh học một chất gây ô nhiễm cụ thể.

Sự thiếu hiểu biết của hệ thống ứng dụng

Mặt khác, phản ứng sinh học hoạt động với một hệ thống phức tạp gồm hai hoặc nhiều sinh vật sống, thường không được biết đến hoàn toàn.

Một số vi sinh vật được nghiên cứu đã chuyển hóa sinh học các hợp chất gây ô nhiễm thành các sản phẩm phụ độc hại hơn. Vì lý do này, trước đây cần nghiên cứu trong phòng thí nghiệm các sinh vật sinh học và các tương tác sâu của chúng.

Ngoài ra, các thử nghiệm thí điểm quy mô nhỏ (tại hiện trường) phải được thực hiện trước khi áp dụng đại trà, và cuối cùng các quy trình xử lý sinh học tại chỗ phải được giám sát để đảm bảo vệ sinh môi trường xảy ra chính xác.

Phép ngoại suy kết quả thu được trong phòng thí nghiệm

Do sự phức tạp cao của các hệ thống sinh học, kết quả thu được ở quy mô nhỏ trong phòng thí nghiệm không phải lúc nào cũng có thể được ngoại suy cho các quy trình trong lĩnh vực này.

Đặc điểm của từng quá trình xử lý sinh học

Mỗi quy trình xử lý sinh học bao gồm một thiết kế thí nghiệm cụ thể, theo các điều kiện cụ thể của khu vực bị ô nhiễm, loại chất gây ô nhiễm cần xử lý và các sinh vật được áp dụng.

Do đó, điều cần thiết là các quá trình này được chỉ đạo bởi các nhóm chuyên gia liên ngành, trong số đó phải là nhà sinh học, nhà hóa học, kỹ sư, trong số những người khác.

Việc duy trì các điều kiện hóa lý môi trường để tạo thuận lợi cho sự tăng trưởng và hoạt động trao đổi chất quan tâm, ngụ ý một nhiệm vụ lâu dài trong quá trình xử lý sinh học.