LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành tốt luận văn này tôi đã được sự giúp đỡ của mọi người.
Trước tiên con xin cảm ơn bố mẹ, người luôn luôn giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất để con hoàn thành tốt việc học
tập trên giảng đường đại học. Người luôn động viên, an ủi, luôn bên con khi con cần lời khuyên hay khi con vấp ngã.

Em xin cảm ơn tất cả các Thẩy Cô trong khoa Môi Trường - Trường Đại Học Bách Khoa đã tận tình chỉ dạy, cho
em những kiến thức bổ ích trong suốt thời gian học tập. Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn Th,s Đặng Vũ Bích Hạnh đã
hướng dẫn em tận tình trong suốt quá trình thực hiện luận văn này.
Em xin cảm ơn quý Thầy Cô phản biện đã dành thời gian quan tâm đến luận văn
này.
Xin cảm ơn tập thể lớp Kỹ thuật Môi trường khóa 2002 đã cho tôi những ngày khó quên. Đặc biệt, các bạn sinh viên
cùng làm việc trong Phòng thí nghiệm Khoa Môi trường đã giúp đỡ tôi rất nhiều .


TÓM TẮT LUẬN VĂN
Hiện nay, vấn đề ô nhiễm KLN đang ngày càng cùng với sự phát triển của nền
công nghiệp hiện đại, đặc biệt là trong nước ô nhiễm. Các phương pháp xử lý KLN
bằng biện pháp hoá lý thường có chi phí cao và không xử lý hiệu quả khi nồng độ các
ion KLN ô nhiễm ở mức thấp. Đề tài này sẽ góp phần xây dựng nên một loại vật liệu
hấp phụ sinh học mới và rẻ tiền, ứng dụng để xử lý KLN trong nước, đó là nấm mốc.
Với đối tượng nghiên cứu là ion Ni 2+ và Cu2+, luận văn này đã nghiên cứu
được một số kết quả sau :
•

Thời gian thu sinh khối nấm mốc hiệu quả là 7 ngày và sinh khối
Aspergillus spp. có lượng sinh khối tăng trưởng cao nhất.

•

Giống nấm mốc có khả năng hấp phụ ion Ni 2+ và Cu2+ cao nhất trong 5

MỤC LỤC


7.4.1

vỉỉỉ
7.4.2.1


7.4.2.2


8.3.1
8.3.2.1

Nồng độ


6

8.3.2.2


DANH SÁCH BẢNG

8.3.2.3

8.3.2.4...............................................................................................................................
8.3.2.5...............................................................................................................................
8.3.2.6

8.3.2.8 Dd

8.3.2.9

Dung dịch

8.3.2.10KL

8.3.2.11

Kim loại

8.3.2.13

Kim loại nặng

8.3.2.15

Mucor hiemalis

8.3.2.17

Pénicillium citrium

M

8.3.2.19

Scanning electronic microscopy


lignorum

8.3.2.24

8.3.2.10

Chương 1: MỞ ĐẦU

8.3.2.11 Hiện nay, vấn đề ô nhiễm kim loại nặng trên thế giới nói chung và ở nước

ta nói riêng đang ngày càng gia tăng cùng với sự phát triển của nhiều ngành công nghiệp
sản xuất, gây ra những hậu quả nghiêm trọng cho môi trường và con người. Vì vậy việc
loại bỏ các thành phần kim loại nặng ra khỏi các nguồn ô nhiễm, đặc biệt là trong nước
thải công nghiệp là một trong những vấn đề quan trọng cần phải giải quyết hiện nay.
8.3.2.12 Những phương pháp hoá lý dùng để loại bỏ KLN ra khỏi nước thải như kết

tủa, đông tụ, trao đổi ion, các quá trình lọc màng và hấp phụ. Các công nghệ xử lý thông
thường như kết tủa và đông tụ thì tạo ra hiệu quả thấp và chi phí cao khi nồng độ kim loại
nằm trong khoảng từ 1 - 100 mg/1. Chi phí cao, quá trình vận hành phức tạp và hiệu quả
loại bỏ thấp của các quá trình lọc màng là sự giới hạn khi sử dụng nó để loại bỏ KLN. Hấp


phụ trên carbon hoạt tính cũng là một phương pháp dùng để loại bỏ KLN từ nước thải,
nhưng chi phí cao của than hoạt tính là một trong những nhược điểm của nó. Nghiên cứu
về các chất hấp phụ rẻ tiền và có thể tìm kiếm dễ dàng đang được ưu tiên trong quá trình
khảo sát một số chất có nguồn từ nông nghiệp và sinh học, các sản phẩm phụ trong công
nghiệp, là những chất hấp phụ có tiềm năng. Cấc chất hấp phụ đó bao gồm than đá
Gừdish, vỏ dừa được nghiền nhỏ, than bùn, vỏ cây, rơm, lốp cao su thải ra và tóc con
người. Cùng với những phất triển trong lĩnh vực công nghệ sinh học môi trường gần đây,
cấc nhà khoa học cũng đã nghiên cứu về cấc chất hấp phụ kim loại nặng bằng vi sinh vật


1.3 Đối tượng nghiên cứu
8.3.2.17

nặng Cu2+ và
8.3.2.18 Ni2+.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là nước giả thải của ion kim loại

1.4 Nội dung nghiên cứu
- Tổng hợp tài liệu về nghiên cứu khả năng loại bỏ KLN của vi sinh vật.
- Nghiên cứu đường cong tăng trưởng của cấc giông nấm mốc Aspergillus niger,
Aspergillus oryzae, Mucor hiemalis, Pénicillium citrium, Trichoderma lignorum để chọn
thời gian thu sinh khôi hiệu quả.
- Nghiên cứu khả năng hấp phụ ion kim loại nặng Cu 2+ và Ni2+ của cấc giống
Aspergillus niger, Aspergillus oryzae, Mucor hiemalis, Pénicillium citrium,
8.3.2.19 Trichoderma lỉgnorum để chọn lựa chủng có tiềm năng ứng dụng làm chất hấp phụ

sinh học trong xử lý ion Cu2+ và Ni2+ trong nước.
- Nghiên cứu hiệu quả của việc xử lý tế bào nấm mốc trước khi sử dụng để loại bỏ
2+

ion Cu và Ni2+ nhằm gia tăng khả năng xử lý của tế bào.
- Nghiên cứu các thông số ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ ion Cu2+ và Ni2+ trong
nước của Aspergillus spp.
-

Khảo sát khả năng ứng dụng biofilm của Aspergillus spp.

8.3.2.20 Khảo sát khả năng phát triển của Aspergillus spp. trên vật liệu

đặc trưng của nhu cầu thông thường của mọi tế bào sông đối với một vài hệ thông ổn định
KLN.
2.1.1

Tính chất hoá lý của đồng (Cu) [4]
8.3.2.24

Đồng là một chất quan trọng , là nguyên tô" vi lượng cần thiết cho

cây trồng và động vât. ở trạng thái kim loại, đồng có màu hơi đỏ, sáng bóng ánh kim, mềm
dễ dát mỏng và là một châl dẫn nhiệt, dẫn điện tốt. Công dụng chủ yếu của đồng là để sản
xuâl dây kim loại và hợp kim của nó, đồng thau và đồng thiếc. Trong thiên nhiên, đồng ở
nhiều dạng: sulfides, chat sulfate, muôi sulfate, carbonate, hợp châl khấc và còn tìm thây
đồng trong môi trường như là kim loại tự nhiên. Mức trung bình cho sự dư thừa của


8.3.2.25Cu trong sinh quyển là 70 mg/kg, trong khi những đánh giá gián tiếp cho vỏ trái đất

có khoảng 25 - 35 mg/kg. Đất của thế giới, theo tài liệu cũ, giá trị của đồng là 20mg/kg, có
bị thay đổi gần đây và được ghi lại là 30mg/kg. Đồng có liên kết với chất hữu cơ trong đất
như oxyt Fe và Mn, đất sét silicate và chất vô cơ khác.
8.3.2.26

Cu (II) được sắp đặt với 4 phân tử nước trong mặt phẳng XY và 2

oxy silicate, đối xứng theo trục z thẳng góc với một lớp silicate. Nếu có nhiều lớp của phân
tử nước của màng thủy hóa chiếm xen kẽ với khu vực của Cu hectorite, [Cu(IỈ20)6]2+ trong
dung dịch H2O, từ đó, Cu2+ sẽ qui thành ion [Cu(IỈ20)6]2+ và Cu sẽ được sử dụng trong sự
nghiên cứu “yếu tố ngoài” của trạng thái hóa trị. Trong môi trường đất, chúng ta cần quan
tâm đến nồng độ thấp của Cu, với xấp xỉ trung bình 24 - 25 mg/kg trong phần vỏ trái đất và

6

7

7

3.10~7M .Mối liên hệ này có được đối với nồng độ ion [Cu+] trong phản ứng mà ion Cu+
thiếu cân đối.
8.3.2.28

ÌO^" ở 25°c
1

2Cu+(aq) -> Cu +(aq) + Cu(s) K=
2


8.3.2.29

Nồng độ Cu trong dung dịch hòa tan là 10~ - 10~ M, có râ"t ít ion
2

3

Cu+ . Sau đó, trong cuộc thảo luận về tính châ"t vật lý và hóa học của Cu trong những môi
trường khác nhau, dùng năng lượng tụ do của các ion đơn lan truyền trong các dung môi
khác nhau, Parker kết luận rằng, ion Cu 2+ , [Cu(H20)6]2+ là loại Cu thích hợp nhất cho các
nghiên cứu về đất. Tuy nhiên, ở vùng đất bị ngập lụt có thể tạo ion Cu + và trong một số
trường hợp Cu° có thế nhiệt động hơn là Cu 2+. Chalcopyrite có số lượng nhiều hơn chất
khoáng Cu, nó được tìm thấy nhiều trong đá và tập trung thành một lượng Cu lớn nhất ở

8.3.2.33

Ô nhiễm là sự phóng thích của cấc chất hoấ học, vật lý, sinh học và

chất phóng xạ ngoài môi trường. Hiện nay vấn đề ô nhiễm môi trường đang là mối quan
tâm hàng đầu của toàn nhân loại. Ô nhiễm môi trường có thể là hậu quả của cấc hoạt động


tự nhiên như hoạt động núi lửa, thiên tai lũ lụt,... hoặc cấc hoạt động do con người thực
hiện trong công nghiệp, giao thông và trong sinh hoạt, một trong những tác nhân gây ô
nhiễm môi trường đang được chú ý là các kim loại nặng.
2.2.1

Từ các hoạt động công nghiệp
8.3.2.34Trong các nguồn gây ô nhiễm kim loại nặng thì hoạt động công nghiệp là

nguồn gây ô nhiễm nhiều nhất. Có thể kể đến một vài ngành công nghiệp tiêu biểu như:
công nghiệp thuộc da, sành sứ, hóa chất, thuốc trừ sâu, luyện kim gây ô nhiễm asen; công
nghiệp luyện kim, lọc dầu, khai khoáng, mạ kim loại, ống dẫn nước gây ô nhiễm cadimi;
công nghiệp nhuộm len, mạ, thuộc da, sản xuất đồ gốm, sản xuất chất nổ gây ô nhiễm crôm;
công nghiệp mỏ, than đá, sản xuất ắc quy, xăng, điện tử gây ô nhiễm chì; công nghiệp sản
xuất pin, đèn huỳng quang, nhiệt kế gây ô nhiễm thủy ngân... Chính điều này làm cho môi
trường gần các khu công nghiệp có hàm lượng kim loại nặng tương đối cao. Theo kết quả
quan trắc và phân tích môi trường, hàm lượng đồng, chì, cadimic và coban ở trong nguồn
nước gần các thị trấn và trung tâm công nghiệp lớn nhiều hơn so với mức bình thường.
2.2.2

Từ các hoạt động công nghiệp khai thác kim loại
2.2.2.1 Chu trình kim loại công nghiệp
8.3.2.35Ô nhiễm KLN cũng có nguồn gốc từ sản xuất công nghiệp và khai thác mỏ.


nấu kim loại thường bị ô nhiễm. Một số trường hợp được biết rõ là các lò nấu nickel - đồng
ở Subury (Whitby và Hutchinson, 1974...) , xưởng đúc đồng ở Gusum, Thụy Điển (Tyler ,
1984) và lò nấu chì - kẽm ở Avenmouth, Anh (Hutton, 1984).
8.3.2.39

Các báo cáo này cũng kết luận rằng, tổng lượng bụi chứa kim loại

thải ra ngoài khí quyển từ những lò nấu kim loại gần Sudbury trung bình là l,89xl04 tấn/năm
vào giữa những năm 1973 và 1981, bao gồm 4.2xl0 tấn/năm bụi sắt, 6.7xl02/năm vụi đồng;
3

5.0xl0 tấn/năm bụi nickel; 2.0xl0 tấn/năm bụi chì và khoảng 50% lượng bụi arsenic (Chan
2

2

và Lusis, 1985). Nhìn chung, có khoảng 50% lượng bụi phát tán từ các lò nấu kim loại
không đi xa được (Chan và Lusis, 1985). Tỉ lệ lắng đọng đặc biệt lổn ở những nơi gần
nguồn chính và chúng cũng giảm theo cấp sô" mũ, theo khoảng cách tăng.
8.3.2.40

Mức độ lắng đọng trong khí quyển song song với mức độ ô nhiễm

môi trường đâ"t. Điều này được minh chứng bằng hàm lượng nickel và đồng ở những vùng
đâ"t rừng cắt ngang lò nâu kim loại Cu ở Cliff. Hàm lượng nickel và đồng lổn đến 4900
ppm mỗi châ"t, hiện diện ở đâ"t rừng ngay sất lò nâu, cùng với nhiều hơn 370 ppm Ni và
260 ppm Cu trong tấn lá cây ( Freedman và Hutchinson, 1980). Khả năng liên kết kim loại
lơn của đâ"t hữu cơ rừng là cấc kim loại lắng sâu xuống đâ"t. Nông độ kim loại trong đâ"t
không bị ô nhiễm nhỏ hơn nhiều, bởi vì khả năng chứa cation trao đổi của đâ"t bị giới hạn.

nghiệp và hạt giống. Bùn cống rãnh là một sản phẩm phụ của quá trình xử lý nước thải đô
thị. Bùn công rãnh là thứ đất được ưa chuộng do nhiều chấy hữu cơ và chứa hàm lượng
đấng kể dưỡng chất đa lượng như nitrogen và phosphorus. Chẳng hạn, 5.6xl0 tấn/năm sản
6

phẩm bùn công ở Mỹ, khoảng 42% được dùng cho đất trại; 5.9xl0 tấn/năm sản phẩm bùn
6

công ở Tây Âu (Brown và Jacobson, 1970). Bùn công được dùng ở hầu hết cấc nước công
nghiệp, nơi việc xử lý chất thải là thường xuyên.
8.3.2.45 Không may là bùn thải từ công nghiệp có chứa lượng lổn cấc

chất độc. Nồng độ của cấc nguyên tô" trong nước công ở nhiều
nước công nghiệp chứng tỏ rằng hàm lượng kim loại trong nước
công thay đổi khủng khiếp. Sự thay đổi to lổn này phản ánh sự
khấc biệt về bản châ"t của cấc nguồn thải công nghiệp với cấc hệ
thông nước thải riêng biệt. Sự đa dạng của cấc nguyên tô" cadimi,


đồng, nickel và kẽm là nguyên nhân chắc chắn gây nên độc tính
vật lý khi bùn công được dùng cho đâ"t canh tấc.

2.2.3 Từ các chất trừ sâu vô


8.3.2.46

2.3 Các tác động của việc ô nhiễm KLN

8.3.2.47Sự ô nhiễm KLN sẽ gây ảnh hưởng xấu đến môi trường sinh thái và con


hấp. Tấc hại của việc nhiễm độc bởi nikel có thể gây ra cấc triệu chứng như nhức đầu,
choáng váng, dị ứng trên da. Nếu tích luỹ nikel trong cơ thể với nồng độ cao có thể dẫn đến
ung thư gan, ung thư tuyến tiền liệt, rối loạn tim mạch, những khiếm khuyết khi sinh con...
[35].


2.3.3 Tác hại của một số KLN quan trọng khác như thuỷ ngân, cadimi, asen, chì,
crôm
8.3.2.51Thuỷ ngân là một trong số các nguyên tố độc nhất đối với con người và

nhiều động vật bậc cao, nhất là tồn tại dưới dạng ion. Một trong những trường hợp gây ra
bởi độc chất của metyl thuỷ ngân tiêu biểu là bệnh Minamata ở Nhật Bản vào năm 1950,
gây tổn thất rất nặng nề về con người và môi trường tại Minamata. Tại Đức cũng có trường
hợp ngộ độc của các loài thú hoang do ăn phải lá cây có chứa metyl thuỷ ngân
[4] .
8.3.2.52Cadimi cũng là một KLN có độc tính cao với khả năng tích tụ mãn tính trong

cơ thể con người nhất. Sự tích luỹ cadimi ở thận dẫn đến phá huỷ chức năng lọc của thận.
Cadimi cũng được tích luỹ ở gan và phá huỷ gan ảnh hưởng đến khả năng bài tiết protein và
đường dư thừa trong cơ thể con người. Ngoài ra nó còn gây ra một số bệnh nguy hiểm khi
xâm nhập vào cơ thể như : tổn hại hệ thần kinh trung ương, ảnh hưởng hệ miễn dịch, gây
rối loạn cơ thể, có thể gây ảnh hưởng đến DNA và gây ung thư [35].
8.3.2.53Việc nhiễm độc chì cũng có thể dẫn đến các ảnh hưởng như : gây ra bệnh

thiếu mấu, tụt huyết ấp, tổn hại gan, não, gây vô sinh ở nam, làm giảm khả năng tiếp thu ở
trẻ...[35].
8.3.2.54Nối chung, một số KLN khi ở dạng vết thì rất cần thiết cho tế bào nhưng khi

ở nồng độ cao thì sẽ gây độc đối với con người và môi trường. Tuỳ vào từng loại kim loại


so với phân tử chất hấp phụ.
8.3.2.61Những chất hấp phụ có thể là : than hoạt tính, nhựa tổng hợp có khả năng

trao đổi ion, than nâu, than bùn, than cốc, đô lô mít...Bông cặn của những chất keo tụ
(hydroxyt của kim loại) và bùn hoạt tính từ bể aeroten cũng có khả năng hấp phụ.
8.3.2.62Than hoạt tính là chất hấp phụ thông dụng để xử lý các ion kim loại và các

chất bẩn trong nước nhưng chi phí hoàn nguyên đắt tiền nhưng lượng than sau khi hoàn
nguyên tái sử dụng không cho hiệu quả cao, do đó tạo nên chi phí xử lý đắt tiền.
3.1.2

Trao đổi ion [3]
8.3.2.63Phương pháp này được ứng dụng để xử lý nước thải khỏi các ion kim loại

nặng như : Zn, Cu, Ni, Cr, Pb, Hg, Cd, Mn...cũng như các hợp chất của asen photpho,
xyanua và các chất phóng xạ...Ngoài ra phương pháp này còn cho phép thu hồi các kim loại
có giá trị.
8.3.2.64Trao đổi ion là một quá trình trong đó các ion trên bề mặt tiếp xúc của chất

rắn trao đổi với ion có cùng điện 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. Các chất có khả
năng hút các ion dương từ dung dịch điện ly gọi là các cationit, mang tính acid. Các chất có
khả năng hút các ion âm gọi là anionit, mang tính kiềm. Nếu như các chất nào đó trao đổi
được với cả cation và anion thì được gọi là ionit lưỡng tính.


8.3.2.65Các chất trao đổi ion : các chất trao đổi ion có thể là các chất vô cơ hoặc hữu

cơ, có nguồn gốc tự nhiên hay tổng hợp nhân tạo.


3.1.3

Các quá trình tách bằng màng [3]
3.1.3.1 Thẩm thấu ngược (màng RO)
8.3.2.69Thẩm thấu ngược là quá trình di chuyển của cấc phân tử nước từ dung dịch

đậm đặc qua màng bấn thấm sang dung dịch loãng, dưới tấc dụng của ấp lực lổn hơn sự
chênh lệch ấp suất thẩm thấu của hai dung dịch đó. Màng bấn thấm này chỉ cho cấc phân tử
nước đi qua, giữ lại cấc ion kim loại và cấc chất khấc có kích thước lổn hơn kích thước của
phân tử nước. Nhờ vậy, cấc ion kim loại được tách ra khỏi nguồn nước ô nhiễm kim loại.
8.3.2.70Nhược điểm của phương pháp sử dụng màng RO :
- Qúa trình tiến hành ở áp suất cao đòi hỏi phải có bộ phận làm kín đặc biệt.
- Phát sinh hiện tượng phân cực nồng độ do sự tăng nồng độ ở bề mặt màng, dẫn
đến giảm năng suất, giảm mức độ phân tách các cấu tử và giảm tuổi thọ của màng. Do đó
cần phải thay màng thường xuyên nên chi phí xử lý cao.
3.1.3.2 Điện thẩm tách
8.3.2.71Điện thẩm tách được thực hiện bằng cách đặt các màng có tính chọn lọc với

cation và anion luân phiên nhau dọc theo dòng điện. Khi đưa dòng điện vào, điện thế giữa
hai điện cực tạo ra sự di chuyển của cation và anion hướng về các điện cực. Dưới sự tác
động của dòng điện, các ion kim loại sẽ đi qua màng chọn lọc ion.
8.3.2.72Nhược điểm của phương pháp này cũng tương tự như trên là các màng chọn

lọc ion dễ bị tắc nghẽn và cần phải thay màng định kỳ.
3.1.4

Phương pháp kết tủa hóa học
8.3.2.73Phương pháp kết tủa thường được ứng dụng cho xử lý nước thải chứa ion


loài trên. Ngoài ra các tác giả khác như H.H.Harger (1989), E.H.Livinger (1993),
P.L.M.Veneman (1996), P.H. Templet (1998) cũng đã công bố những kết quả nghiên cứu về
khả năng hấp thụ các ion kim loại nặng bởi các cây họ sậy và các loài bèo tây [5].
8.3.2.82Ngoài ra còn có một vài loại thực vật khác có khả năng tích tụ KLN như loài

cỏ Deschampsia caespitosa và Agostis gigantea có khả năng tích tụ tốt nikel và đồng; cây
hoa môi Becium homblei có khả năng tích tụ đồng cao, sống được trong đất chứa nhiều hơn
lOOOppm Cu (Cannon, 1960); một số loài cây Astralagus conopsis, Stanleya và Xylorhisa
có khả năng tích luỹ một lượng lớn selenium dưới dạng selenate và hỗn hợp Se hữu cơ cây
trong các mô của chúng (10 '10 mg Se/kg trọng lượng khô) [4].
3

3.2.2

4

ứng dụng vi sinh vật trong xử lý KLN trong nước
3.2.2.1 Tảo
8.3.2.83Tảo là loài vi sinh vật phổ biến trong nước kể cả nước ngọt hay nước mặn.

Tảo khấc với nấm và vi khuẩn ở khả năng quang hợp, sử dụng năng lượng ánh sáng làm
năng lượng sinh tổng hợp. Một sô" loài tảo có khả năng xử lý tốt ion kim loại nặng với
nồng độ không cao trong nước. Một sô" nghiên cứu của về khả năng loại bỏ ion kim loại
nặng trong nước của một sô" loài tảo như loài tảo Chlorella vulgaris. Kết quả nghiên cứu
cho thây Chlorella vulgaris có thể xử lý nikel và đồng hiệu quả ở nồng độ thấp, đôi với
nồng độ 5ppm thì kết quả xử lý đạt trên 90% Cu và gần 70% Ni trong vòng 60phút. Khi
nồng độ càng tăng thì hiệu quả xử lý càng giảm, như đến nồng độ 50ppm thì hiệu quả xử lý
chỉ còn khoảng từ 10 - 20% trong vòng 120phút [29]. Theo nghiên cứu của