Bài 12: Công nghệ ứng dụng vi sinh vật trong xử lí ô nhiễm môi trường

I. CÔNG NGHỆ ỨNG DỤNG VI SINH VẬT TRONG XỬ LÍ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG ĐẤT

1. Ô nhiễm môi trường đất

Đất là lớp ngoài cùng của thạch quyển bị biến đổi tự nhiên dưới tác động của nước, không khí, sinh vật. Đất là mỗi trường nuôi dưỡng các loài thực vật và là nơi sinh sống của nhiều loài động vật, nấm, vi sinh vật. Đất còn là nơi dự trữ nguồn nước ngầm quan trọng trong tự nhiên.

Sự gia tăng dân số cùng với các hoạt động của con người làm cho môi trường đất trở nên ô nhiễm. Ô nhiễm môi trường đất chính là sự thay đổi các tính chất của đất dẫn đến tài nguyên trong đất bị nhiễm bẩn, suy thoái và làm ảnh hưởng đến đời sống của sinh vật và con người. Sự thay đổi tính chất của đất gồm: sự gia tăng các chất độc hại quá ngưỡng cho phép (như chì, kim loại nặng); tăng, giảm độ pH (nhiễm mặn, nhiễm phèn); thay đổi kết cấu đất do rác thải..

Có nhiều nguyên nhân gây ra ô nhiễm môi trường đất như do sự gia tăng hàm lượng các chất tự nhiên trong đất, do hoạt động công nghiệp, nông nghiệp và chất thải sinh hoạt.

2. Xử lí ô nhiễm môi trường đất bằng công nghệ vi sinh vật

Có nhiều biện pháp nhằm hạn chế ô nhiễm môi trường đất, trong đó biện pháp xử lí bằng công nghệ vi sinh vật được coi là hữu hiệu và bền vững nhất. Đây là một lĩnh vực mới mẻ và hứa hẹn sẽ phát triển mạnh trong tương lai.

Công nghệ vi sinh vật được sử dụng để xử lí ô nhiễm môi trường đất dựa trên nguyên lí vi sinh vật sản xuất enzyme phân giải các chất độc hại hoặc tạo các ion làm tăng, giảm độ pH đất. Hoạt động của hệ vi sinh vật trong đất giúp cho đất tơi xốp, thoáng khí, tăng độ phì nhiêu, ngoài ra nó còn góp phần làm cho thực vật sinh trưởng tốt hơn.

Sau đây là một số công nghệ ứng dụng vi sinh vật trong xử lí ô nhiễm môi trường đất:

II. CÔNG NGHỆ ỨNG DỤNG VI SINH VẬT TRONG XỬ LÍ NƯỚC THẢI VÀ LÀM SẠCH NƯỚC

1. Xử lí nước thải và làm sạch nước

Công nghệ xử lí nước thải dựa trên hoạt động sống của vi sinh vật, chủ yếu là các vi khuẩn dị dưỡng hoại sinh có trong nước thải. Nhờ hoạt động của các vi sinh vật này mà các chất hữu cơ gây nhiễm bẩn chuyển thành các chất vô cơ.

Công nghệ xử lí nước thải được phân loại dựa vào hai tiêu chí sau:

– Dựa vào sự có mặt của oxygen trong quá trình xử lí, công nghệ xử lí nước thải bao gồm hai phương pháp: xử lí hiếu khí (nước thải được xử lí qua quá trình oxi hoá, quá trình tổng hợp và hỗ hấp nội bào; tạo sản phẩm cuối cùng là CO₂, NH₃, và các chất hữu cơ); xử lí kị khí (nước thải được xử lí qua hai quá trình: quá trình thuỷ phân, quá trình acid hoá).

– Dựa vào quá trình sinh trưởng của vi sinh vật trong xử lí nước thải, công nghệ xử lí nước thải được phân thành hai loại: quá trình sinh trưởng lơ lửng (vi sinh vật sinh sản và phát triển thành các bông cặn bùn hoạt tính ở trạng thái lơ lửng trong các bể xử lí sinh học) và quá trình sinh trưởng gắn kết (vi sinh vật phát triển thành màng giúp chúng bám dính hay gắn kết vào các vật liệu trơ).

Công nghệ xử lí nước thải ngày càng được cải tiến, đảm bảo hiệu quả cao và an toàn hơn, như:

– Công nghệ MBBR (Moving Bed Biofilm Reactor): là quá trình xử lí nhân tạo trong đó sử dụng các vật liệu làm giá thể cho vi sinh vật bám dính để sinh trưởng và phát triển.

– Công nghệ xử lí nước thải AAO (Anerobic Anoxic Oxic): là quy trình xử lí sinh học liên tục, kết hợp ba hệ vi sinh: kị khí, thiếu khí, hiếu khí để xử lí nước thải.

Sau khi xử lí chất thải ô nhiễm, nguồn nước được làm sạch bằng cách loại bỏ các vi sinh vật có hại, các động vật nguyên sinh, tảo,.. để có thể sử dụng trong sinh hoạt hằng ngày.

2. Xử lí ô nhiễm do tràn dầu

Ứng dụng công nghệ vi sinh trong xử lí dầu tràn là một hướng mới đối với ngành dầu khí nhằm giải quyết các sự cố dầu loang, giúp bảo vệ môi trường biển.

Thành phần hoá học của dầu mỏ được chia thành hai nhóm: các hợp chất hydrocarbon và các chất khác như nitrogen, sulfur, oxygen... Vi khuẩn là nhóm vi sinh vật chính tham gia phân huỷ dầu mỏ như Azospirillum sp., Bacillus sp., Paracoccus sp., Microbacterium sp., Paracoccus sp., Pseudomonas sp., Ochrobactrum sp. Rhodococcus sp., Rhizobium sp.,...

Công nghệ xử lí tràn dầu dựa trên nguyên lí phân huỷ dầu của các vi khuẩn. Enretech-1 là một trong những chế phẩm được sử dụng ứng cứu khẩn cấp cho các sự cố tràn dầu trên đất, xử lí tại chỗ đối với vùng đất cát bị nhiễm dầu. Enretech-1 vừa là chất thấm dầu, vừa là chất phân huỷ sinh học dầu.

III. CÔNG NGHỆ ỨNG DỤNG VI SINH VẬT TRONG XỬ LÍ CHẤT THẢI RẮN

1. Khái niệm và phân loại chất thải rắn

Chất thải rắn là những vật chất (ở thể rắn thông thường) không còn giá trị sử dụng cho người sở hữu hiện tại hoặc bị loại bỏ từ các hoạt động sản xuất, sinh hoạt.

Ví dụ: vỏ chai lọ, hộp nhựa, cao su, giấy, thuỷ tinh, sắt, nhôm, đồng, kẽm, giấy báo, rác sân vườn, đồ đạc đã sử dụng, bì nhựa, rác sinh hoạt và toàn bộ những gì mà con người loại ra môi trường.

Một số cách phân loại chất thải rắn khác nhau:

2. Ứng dụng vi sinh vật trong việc xử lí chất thải rắn

a. Quy trình chung ứng dụng vi sinh vật trong việc xử lí chất thải rắn

Vi sinh vật được ứng dụng để xử lí chất thải rắn có thành phần hoá học là các chất hữu cơ, gồm các chất thải từ hoạt động sản xuất nông nghiệp, rác thải hữu cơ sinh hoạt, rác thải hữu cơ đô thị.

Có nhiều phương pháp xử lí chất thải rắn khác nhau, trong đó các phương pháp xử lí sinh học (có ứng dụng vi sinh vật) bao gồm: chôn lấp, xử lí kị khí, ủ compost...

Quá trình xử lí chất thải rắn bằng phương pháp sinh học bao gồm các bước cơ bản sau:

(1) Phân loại chất thải hữu cơ

Để thuận lợi cho quá trình xử lí, cần phân loại rác thải hữu cơ thành các loại khác nhau như: rác thải chứa cellulose, tinh bột, protein, lipid,...

(2) Lựa chọn phương pháp và vi sinh vật xử lí chất thải rắn

Tuỳ thuộc vào điều kiện thực tiễn để lựa chọn phương pháp xử lí rác thải hữu cơ phù hợp (có thể lựa chọn phương pháp xử lí rác thải hữu cơ hiếu khí hoặc kị khí).

Dựa vào loại chất thải hữu cơ và phương pháp xử lí mà lựa chọn nhóm vi sinh vật xử lí rác thải hữu cơ phù hợp. Việc lựa chọn vi sinh vật xử lí rác thải hữu cơ cần chú ý: nên chọn các chủng vi sinh vật có hoạt tính sinh học cao, thích nghi tốt trong điều kiện thực tế, không độc cho người và các sinh vật khác,...

(3) Tiến hành xử lí

Thực hiện xử lí theo các bước trong quy trình đã chọn. Trong quá trình thực hiện cần lưu ý những vấn đề sau:

– Đảm bảo an toàn cho người và các sinh vật khác trong khu vực xử lí.

– Tránh gây ô nhiễm môi trường trong quá trình xử lí.

– Tận dụng những nguyên liệu sẵn có để tiết kiệm chi phí xử lí.

(4) Thu sản phẩm (nếu có)

Quá trình xử lí bằng công nghệ vi sinh vật thường có mục tiêu kép, đó là vừa xử lí chất thải giúp hạn chế ô nhiễm môi trường; vừa thu được các sản phẩm hữu ích như phân bón, khí sinh học.

b. Một số công nghệ ứng dụng vi sinh vật trong việc xử lí chất thải rắn

* Xử lí chất thải rắn bằng phương pháp kị khí

Xử lí chất thải rắn bằng phương pháp kị khí là phương pháp phân giải các hợp chất hữu cơ (tinh bột, cellulose, lipid và protein) mà không có mặt của oxygen, các rác thải hữu cơ được bổ sung thêm phân bùn và vi sinh vật phân giải, sau đó được ủ thành đống trong điều kiện nhiệt độ, độ ẩm, độ xốp thích hợp,... Sản phẩm thu được là các chất dễ tan, hỗn hợp các chất khí CH₄, CO₂, NH₃,... trong đó CH₃, chiếm đại đa số.

Trong quá trình xử lí phế thải kị khí, có ba nhóm vi khuẩn tham gia vào quá trình này:

(1) Nhóm vi khuẩn chịu trách nhiệm thuỷ giải và lên men;

(2) Nhóm vi khuẩn tạo khí hydrogen và acetic acid;

(3) Nhóm vi khuẩn tạo khí methane tự dưỡng sử dụng khí hydrogen.

Các giai đoạn của quá trình sinh tổng hợp methane bao gồm:

– Giai đoạn thuỷ phân cơ chất: Các thành phần hữu cơ của rác thải bị phân huỷ dưới tác động của enzyme hydrolase do vi sinh vật Clostridium thermocellum tiết ra để hình thành các hợp chất đơn giản (đường đơn, peptide, glyceryl, acid béo, amino acid,...).

– Giai đoạn hình thành các acid hữu cơ: Dưới tác dụng của enzyme do vi sinh vật tiết ra, các chất hữu cơ dễ tan chuyển thành các acid hữu cơ (acetic acid, propionic acid, butyric acid,..), rượu ethylic, rượu methylic, CO₂, H₂.

– Giai đoạn hình thành methane: Các acid hữu cơ và các hợp chất khác chuyển thành CH₄, CO₂, NH₃...

* Xử lí chất thải rắn bằng phương pháp hiếu khí

Xử lí chất thải rắn bằng phương pháp hiếu khí là quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ có mặt của oxygen, sản phẩm cuối cùng tạo ra là H₂O, CO₂, và sinh khối vi sinh vật.

Một số mô hình của công nghệ xử lí chất thải rắn hiếu khí ở nước ta:

– Ủ rác thành đống có đảo trộn: dễ thực hiện, phù hợp với các loại rác thải có nguồn gốc từ động vật, dầu mỡ. Tuy nhiên, mô hình này khó kiểm soát mùi và nước rỉ rác gây ô nhiễm nguồn nước ngầm ở khu vực xử lí. Rác được chất thành từng đống có chiều cao khoảng 1,5 – 2,5 m, rộng 4 – 5 m, được đảo trộn bằng máy hoặc thủ công khoảng 2 lần/tuần và kéo dài khoảng 4 tuần. Sau đó, thêm 3 – 4 tuần ủ không đảo trộn, giai đoạn này, nấm mốc và xạ khuẩn sẽ chuyển hoá các chất hữu cơ trong rác thành mùn.

– Ủ rác thành đống không đảo trộn và thổi khí: Mô hình này phù hợp với hỗn hợp chất thải tương đối đồng nhất và có số lượng lớn, tuy nhiên không hiệu quả với các rác thải từ phế phẩm động vật và dầu mỡ. Rác được ủ thành đống cao từ khoảng 2 – 2,5 m, có thể bổ sung thêm các nguyên liệu làm thoáng khí như vụn gỗ, giấy báo cũ, phía dưới có lắp đặt một hệ thống ống phân phối khí để cung cấp oxygen cho quá trình xử lí rác. Nhờ hệ thống cung cấp khí mà duy trì được sự đa dạng và số lượng lớn các vi khuẩn có lợi, do đó quá trình phân huỷ diễn ra nhanh hơn, nhiệt độ ủ ổn định. Đồng thời giúp kiểm soát các mùi hôi do quá trình phân huỷ rác tạo ra.

IV. CÔNG NGHỆ ỨNG DỤNG VI SINH VẬT TRONG SẢN XUẤT KHÍ SINH HỌC

1. Khái niệm và ý nghĩa của khí sinh học

Khí sinh học (biogas) là một dạng khí hỗn hợp được sinh ra từ quá trình phân huỷ kị khí của phân động vật và những hợp chất hữu cơ khác dưới tác động của vi sinh vật.

Công nghệ biogas có ý nghĩa rất lớn đối với môi trường và con người, cụ thể như sau:

- Dùng hầm biogas trong chăn nuôi: giúp chuồng trại sạch sẽ, hạn chế mùi hôi thối; xử lí triệt để các chất thải chăn nuôi; giảm thiểu giun, sán và bệnh truyền nhiễm.

- Sản xuất nguồn cung năng lượng sạch: tạo lửa để đun nấu thực phẩm; tạo điện năng để thắp sáng; tạo nhiên liệu sử dụng cho đốt cháy động cơ,...

- Ứng dụng trong nông nghiệp: Các chất thải chăn nuôi sau khi cho vào hầm biogas sẽ chuyển hoá thành khí sinh học. Phần cặn bã còn lại dùng để ủ phân bón hữu cơ giúp cung cấp chất dinh dưỡng cho cây trồng. Nước thải từ hầm biogas được dùng để tưới trực tiếp cho hoa màu.

2. Công nghệ sử dụng vi sinh vật để sản xuất khí sinh học

Cơ chế hình thành khí sinh học trong hệ thống hầm biogas gồm các giai đoạn sau:

a. Giai đoạn 1. Thuỷ phân chất hữu cơ

Khi chất hữu cơ nạp vào, nhờ các loại enzyme của các vi sinh vật kị khí (Closdium, Bipiclobacterium, Bacillus gram âm không sinh bào tử, Staphylococcus), chất hữu cơ phức tạp được phân huỷ thành chất hữu cơ đơn giản, dễ bay hơi.

b. Giai đoạn 2. Giai đoạn acid hoá (giai đoạn lên men)

Giai đoạn này nhờ các vi khuẩn Acetogenic mà các chất ở giai đoạn 1 được chuyển hoá thành các acid béo có phân tử lượng thấp hơn.

c. Giai đoạn 3. Giai đoạn acetate hoá

Sau đó, nhờ các vi khuẩn acetate hoá mà các acid hữu cơ tiếp tục được phân giải để tạo thành acetic acid, CO₂, và H₂:

CH₃CH₂OH (ethanol) + H₂O→ CH₃COO^- + H⁺ + 2H₂

CH₃CH₂COO^- (propionate) + 3H₂O→ CH₃COO^- + HCO₃^- + H⁺ +3H₂

CH₃(CH₂)₂COO (butyrate) + H₂O → 2CH₃COO^- + H⁺ + 2H₂

d. Giai đoạn 4. Hình thành khí methane

Giai đoạn này hình thành hỗn hợp khí sinh học, trong đó khí methane chiếm chủ yếu, ngoài ra còn có các khí khác như: N₂, H₂, H₂S.

Nhờ các loại vi khuẩn khác nhau mà các sản phẩm ở giai đoạn trước (CO₂, H₂, CH₃COOH, CO, CH₃OH,..) chuyển hoá thành khí methane. Quá trình hình thành khí methane diễn ra đồng thời bằng ba con đường:

(1) Nhờ vi khuẩn Hydrogenotrophic methanogen sử dụng cơ chất là H2 và CO2

CO₂ + 4H₂ → CH₄ + 2H₂O

(2) Nhờ vi khuẩn Acetotrophic methanogen chuyển hoá acetate thành methane và CO₂. Khoảng 70% lượng methane sinh ra bằng con đường này.

CH₃COOH → CO₂ + CH₄

4CO + 2H₂O → CH₄ + 3CO₂

(3) Nhờ vi khuẩn Methylotrophic methanogen phân giải cơ chất chứa nhóm methyl:

CH₃OH + H₂ → CH₄ + H₂O

4(CH₃)₃N + 6H₂O → 9CH₃ + 3CO₂ + 4NH₄