Giáo trình công nghệ vi sinh vật xử lý chất thải - Lê Gia Hy

PGS. TS. LÊ GIA HY

GIÁO TRÌNH

CỒNG NGHỆ VI SINH VẬT

XỬLÝ CHẤT THẢI

LỜI NÓI ĐẦU

Tính đặc trưng của các quá trình trao đổi chất ở vi sinh vật đã được ứng dụng từ ỉâu vào sản xuất các loại thực phẩm lên men trước khi có sự hiểu biết về sự tổn tại của chúng. Khả năng phân huỷ vật chất của quần thể vi sinh vật đã được sử dụng để quay vòng các chất thải có trong tự nhiên, bởi vì nếu chất thải tích tụ quá nhiều tại một vùng sinh thải sẽ cản trở khả năng tự làm sạch của vi sinh vật trong môi trường và làm ô nhiễm môi trường sống.

Giữa thế kỷ XX, con người đã nhận thấy hệ vi sinh vật trong tự nhiên đóng v-ai trò chính trong việc phân huỷ các chất thải do con người tạo ra và đã chủ động sử dụng khả năng phân huỷ này của hệ vi sinh vật trong từng hệ sinh thái nhằm tăng cường khả năng phân huỷ các chất thải bằng cách bắt chước các quá trình phân huỷ trong tự nhiên. Từ đó, đã tìm ra các biện pháp xử íý làm tăng giá trị của các chất thải phục vụ trở lại đời sống con người. Với sự cố gắng của các nhà vi sinh vật học, các kỹ SƯ công nghệ và các nhà nghiên cứu hoá học, các phương pháp phát triển quy trình loại bỏ chất thải và bảo vệ tài nguyên thiên nhiên đã được tìm ra. Những cố gắng này đã tạo tiền để cho một phạm trù "công nghệ sinh học" mới.

Cùng với sự tăng trưởng kinh tế nhanh của đất nước, trong những năm gần đây, chất lượng môi trường sống của chúng ta ngày càng bị ô nhiễm nghiêm trọng, ảnh hưởng trước mắt và lâu dài đến sức khỏe con người, phá vỡ sự cân bằng sinh thái. Lượng rác thải sinh hoạt ở các đỏ thị của nước ta ngày một gia tăng và hàng năm, chúng ta cần khá nhiều diện tích để chôn lấp rác thải sinh hoạt, chẳng hạn như ở Hà Nội, mỗi năm tốn khoảng 2,5ha đất dùng để chôn lấp rác thải. Mặc dù tốn kém diện tích như vậy nhưng nếu xử lý rác thải bằng chôn lấp không đúng quy cách thì bên cạnh việc tốn nhiều diện tích canh tác, còn gây ra ô nhiễm nguồn nước ngầm và môi trưởng xung quanh.

Công nghệ vi sinh vật xử lý chất thải là một chủ để của một lĩnh vực lớn và quan trọng, do điều kiện và thời gian có hạn nên giáo trình chĩ trình bày sơ lược các nguyên lý và quá trình xử lý chất thải nhằm bổ sung thêm những hiểu biết rất cơ bản vể vai trò của vi sinh vật trong xử lý nước thải, rác thải mà chưa đi sâu về công nghệ xử lý chất thải và mô hình hoá các quy trình này.

Cuốn giáo trình Cổng nghệ vi sinh vật xử Ịý chất thải được biên soạn nhằm cung cấp các kiến thức cơ bản vể công nghệ xử lý chất thải, nước thải bằng biện pháp sinh học cho sinh viên, học viên cao học, nghiên cứu sinh ngành Công nghệ sinh học và Công nghệ môi trường. Tài liệu này gồm ba phần: Cơ sò sinh học xử lý chất thải, nước thải; Công nghệ vi sinh vật xử lý nước thải và Công nghệ vi sinh vật xử lý chất thải.

Trong quá trình xử lý rác thải, vi sinh vật đóng vai trò quan trọng và quyết định nhất trong việc chuyển hoá các chất hữu cơ khó phân huỷ như cellulose, pectin, protein,... thành những phần nhỏ hơn. Vì vậy, đã có những nghiên cứu bổ sung các loại vi sinh vật vào quá trình xử lý rác, nhằm thúc đẩy nhanh quá trình phân huỷ rác thải.

Giáo trình trình bày tóm lược các quá trình xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học mà vai trò chính là sự đóng góp của các loại vi sinh vật nhằm bảo vệ các giá trị sinh học của thiên nhiên môi trường. Đó là các nguyên lý sinh học-sinh thái học- cơ sở chung cho việc loại bỏ các chất phế thải và bảo vệ môi trường; nước thải và các đặc tính của nước thải; các quá trình xử lý nước thải truyền thống như xử lý bằng bùn hoạt tính, bằng phương pháp màng lọc, bằng ao hổ ổn định sinh học, ủ kỵ khí (sinh methan) và trình bày một vài mô hình xử lý nước thải điển hình. Công nghệ vi sinh vật xử lý nước thải là khái niệm liên quan đến việc bảo vệ môi trường mà ở đây sử dụng các biện pháp sinh học để loại bỏ các chất gây ô nhiễm.

Tác giả hy vọng sách sẽ phục vụ thiết thực cho việc học tập của sinh viên, học viên cao học, nghiên cứu sinh các ngành Công nghệ sinh học, Công nghệ môi trường và đông đảo bạn đọc quan tâm tới xử !ý chất thải bảo vệ mối trường sống.

Tác giả xin chân thành cảm ơn những ý kiến đóng góp của bạn đọc để chúng tôi có thể sửa chữa, bổ sung, hoàn thiện sách phục vụ bạn đọc ngày càng tốt hơn.

Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về Công ty Sách Đại học - Dạy nghề, Nhà xuất bản Giáo dục Việt Nam, 25 Hàn Thuyên, Hà Nội.

Xin trân trọng cảm ơn. •

TÁC GIẢ

PHẦN THỨ NHẤT

C ơ SỞ SINH HỌC

XỬ LÝ CHẤT THẢI, NƯỚC THẢI

Chương 1

C ơ SỞ SINH HỌC KIỂM SOÁT CHẤT THẢI, NƯỚC THẢI

1.1. Cơ sở SINH HỌC KIỂM SOÁT MÕI TRƯỜNG 1.1.1. Khái niệm công nghệ vi sinh vật môi trường

1.1.1.1. Môi trường là gì?

Môi trưòng là hệ thống các yếu tô" sông và khòng sổng tạo nên điều kiện sông trê n h àn h tin h của chúng ta. Trong đó, các yếu tô' sông là con người, động vật, thực v ật và vi sinh vật, còn các yếu tố không sông là đâ't, nước, không khí, khoáng chất và năng lượng M ặt Trời. Như vậy, môi trường bao gồm các yếu tô" tự nhiên và vật chất n h ân tạo quan hộ m ật th iết với nhau, bao quanh con người, có ảnh hưỏng tới đời sông, sản xuất, sự tồn tại, p h át triển của con người và thiên nhiên.

Mồi trường theo nghĩa rộng là tấ t cả các nhân tô" tự nhiên và xã hội cần th iết cho sự sinh sống, sản xuất của con người, như tài nguyên thiên nhiôn, không khí, đất, nước, ánh sáng, cảnh quan, quan hệ xã hội..., và có tác động tương hỗ lẫn n h au (hình 1.1).

Môi trường theo nghĩa hẹp Jihong xét tới tài nguyên th iên nhiên, mà chỉ bao gồm các n h â n tô" tự nhiên và xã hội trực tiêp liên quan tới chất lượng cuộc sống con người, Nói ngắn gọn, môi trưòng là tấ t cả những gì có xung q u an h ta, cho ta cơ sở để sông và p h át triển.

Sinh quyển có nghĩa là toàn bộ tấ t cả các cơ thể sông trê n T rái Đất, tuy nhiên sinh quyển cũng như môi trường có th ể sông không có sự sông 'như trê n 4 tỷ năm về trưốc, nhưng không một ai trong chúng ta có thể sống không có sinh quyển hay môi trường. Sinh' quyển do các môi trường chính tạo th àn h , đó là không khí, nước và đất.

Môi trường có các chức năng cơ bản là không gian sông của con người và các loài sinh vật; nơi cung cấp tài nguyên cần thiết cho cuộc sông và hoạt động sản xuất của con người; nơi chứa đựng các chất p h ế thải do con ngưòi tạo ra trong cuộc sổng và hoạt động sản xuất của mình; nơi giảm nhọ các tác động có hại của thiên nhiên tới con người và sinh vật trên Trái Đất. N hư vậy, con người luôn cần một khoảng không gian n h à ỏ, sản xuất lương thực và tái tạo môi trường, nhưng nếu khai thác và chuyển đổi chức năng sử dụng các loại không gian quá mức, không chú trọng đến bảo vộ môi trường, có thế làm cho chất lượng không gian sống m ất đi khả năng tự phục hồi, sẽ ảnh hưỏng đến môi trường sông.

Bảo vệ môi trường là giữ cho môi trường trong sạch, đảm bảo cân bằng sinh thái, ngăn chặn và khắc phục các h ậu quả xấu do con người và thiên nhiên gây ra, khai thác, sử dụng hợp lý và tiế t kiệm tài nguyên thiên nhiên.

Khoa học môi trường là ngành khoa học nghiên cứu mốì quan hệ và tương tác qua lại giữa con người và môi trường xung q u an h nhằm mục đích bảo vộ môi trường sông của con người trê n T rái Đất.

N gành Khoa học môi trưòng nghiên cứu đặc điểm của các th à n h p h ần môi trưòng (tự nhiên hoặc nhân tạo) có ảnh hưỏng hoặc chịu ảnh hương đên môi trường nước, không khí và đất; nghiên cứu công nghệ, kỹ th u ậ t xử lý ô nhiễm bảo vệ chất lượng môi trường sông của con người; nghiên cứu tổng hợp các biện pháp quản lý kinh tế, lu ậ t pháp, xã hội nhằm bảo vệ môi trường và p h át triển bền vững. Tuy nhiên, môi trường là đối tượng nghiên cứu của nhiều ngành khoa học như sinh học, địa học, hóa'học,... nhằm đề ra các biện pháp bảo vệ môi trường có hiệu quả, góp p h ần p h á t triể n ngành khoa học môi trường.

1.1.1.2. Công nghệ vi sỉnh vật môi trường

Công nghệ vi sinh vật là sự tích hợp của khoa học về vi sinh vật và

công nghệ để có th ể ứng dụng vi sinh vật và các cấu phần của tế bào vi sinh vật để sản xuất các sản phẩm có giá trị mới dựa trê n tiến bộ của công 6

nghệ sinh học. Như vậy, công nghệ vi sinh vật môi trường (hay còn gọi là

công nghệ sinh học môi trường) là việc ứng dụng các quá trìn h công nghệ để bảo vệ và phục hồi chất lượng môi trường sông của con người.

Đe hiểu công nghệ vi sinh vật môi trường, trước hết chúng ta phải định nghĩa công nghệ sinh học, vì công nghệ vi sinh vật là một phần quan trọng của công nghệ sinh học. Vậy công nghệ sinh học là gì? Tuy có nhiều định nghĩa khác nhau về công nghệ sinh học, nhưng có thể tóm tắ t như sau: Công nghệ sinh học là các kỹ th u ậ t sử dụng cơ thể hoặc các phần của cơ thể sông đế sản xuất hàng loạt các sản phẩm như sản xuất các loại thuốc chữa bệnh, các dược phẩm, các loại enzym, các hợp chất bổ dưdng, thực phẩm và các sản phẩm khác với sự trợ giúp của vi sinh vật. Việc cải ti ôn thực vật, động vật và vi sinh vật cho các mục đích khác nhau như tạo ra sản phẩm mới hoặc tốt hơn, loại bỏ các chất độc," phòng chông bệnh, phát triển nông nghiệp, tạo các công nghệ sản xuất công nghiệp mới ít độc cho môi trường,... Một ví dụ trên hình 1.2, cải biến tế b à o vi sinh vật bằng công nghệ sinh học ứng dụng trong bảo vệ môi trường.

T ế bào vi sinh vật

Biểu hiện gen Trao đổi chất sơ cấp Trao đổi chất thứ cấp

IM . _ĩ

Phân bón sinh học

- Cố định nitơ - Hòa tan phosphate - Giảm phân bón hóa học - Chống ô nhiễm nước

Phân hủy sinh học Đâu tranh sinh học Kich thích quang hợp - Làm sạch đất C ác chất trao đổi kháng khuẩn - sản xuất IAA bị ô nhiêm _ Giảm thiểu sinh vật ký sinh - Kích thích rễ - Giảm thiểu bệnh tật “ Tăng cường hấp phụ nitơ - Giảm sử dụng chất diệt nấm ~ Gi^m sử dụng phân bón Hình 1.2. Cải bỉến tế bào vi sinh vật bằng công nghệ sinh học

ứng dụng vào công tác bảo vệ môi trường

Nhiệm vụ của công nghệ sinh học môi trường là xử lý các hệ sinh thái bị ô nhiễm; xử lý và khử độc chất thải rắn; xử lý nước thải, nguồn thải, sông hồ và biển bị ô nhiễm; khử nhiễm bẩn không khí bằng các cơ thể và các phần của cơ thể sông, bảo vệ môi trường bằng các công nghệ mới (hình 1.3). Ví dụ, công nghệ sinh học môi trưòng là sử dụng các phương pháp

không phải là các phương pháp phân loại truyền thông như các phương pháp sinh học phân tử và di truyền để phân lập, tuyển chọn các vi sinh vật mới ứng dụng có hiệu quả trong kiểm soát môi trường.

Hình 1.3. Hướng tập trung nghiên cứu của công nghệ sinh học môi trường

N hư vậy, công nghệ sinh học môi trường cũng có th ể hiểu là “quản lý quần thể vi sinh v ật để cung cấp các dịch vụ cho xã hội”. Ngày nay, dịch vụ chìa khoá bao gồm giải độc cho nước và đ ất bị ô nhiễm, phục hồi tài nguyên bị m ất và chuyển hoá năng lượng khuếch tán vào sinh khôi th à n h dạng mà xã hội dễ dàng sử dụng. Hai ví dụ tiêu biểu là khử các ch ất gây ô nhiễm nước th ải bị oxy hoá (ví dụ như n itra t, các dung môi khử trùng), sản x u ất khí m ethan, hydro, điện, ethanol và nhiên liệu sinh học.

1.1.1.3. ứng dụng công nghệ sinh học trong báo vệ môi trường

G ần đây công nghệ sinh học trên th ế giới đã và đang có vai trò rấ t quan trọng trong bảo vệ môi trường, m ang hiệu quả r ấ t rõ trong quan trắc, đánh giá mức độ ô nhiễm, xử lý ô nhiễm, phòng chông ô nhiễm. Các kỹ th u ậ t hiện nay như sinh học phân tử, di truyền phân tử và gần đây là genomic, protonomic, công nghệ nano sinh học đã tạo nên những bước đột phá trong công tác bảo vệ môi trường trên toàn cầu. Các kỹ th u ậ t hiện đại của sinh học được phôi hợp với các th à n h tựu phân tích bản chất hoá học của các yếu tô" gây ô nhiễm là công cụ đắc lực cho việc xây dựng, điều khiển và đánh giá các quy trìn h công nghệ xử lý ô nhiễm sự 8

cô môi trưòng và quan trắc sự biến động của môi trường. Sử dụng tổng hợp của các phương pháp sinh học truyền thống và công nghệ sinh học hiện đại sẽ giúp cho chúng ta lựa chọn đúng các công nghệ trong phòng chông ô nhiễm.

a) Công n gh ệ sin h hoc tro n g xử lý ô n h iễm m ôi trư ờ n g

— Công nghệ sinh học ứng dụng trong xử lý nước th ải thường là công nghệ hiếu khí, thiếu khí và kỵ khí. Loại hình công nghệ hiếu khí đang được sử dụng hiện nay trên th ế giới là bể phản ứng sinh học hiếu khí, mương oxy hoá, lọc sinh học. Riêng phương pụấp lọc sinh học được ứng dụng với nhiều loại hình khác nhau như lọc nhỏ giọt, lọc với vật liộu ngập nước, lọc với các vật liệu là các h ạ t cô" định, đĩa quay sinh học. Phương pháp xử lý hiếu khí được ứng dụng rộng rãi n h ấ t trong xử lý nước th ải sinh hoạt, nước thải của các công nghiệp chế biến thực phẩm. Phương pháp này có ưu điểm không sinh ra mùi khó chịu, thời gian xử lý ngắn, hiệu quả xử lý cao, nhưng chi phí cho xây lắp và vận h àn h cao, tạo ra nhiều bùn thải. Phương pháp xử lý kỵ khí tạo ra ít bùn, chi phí thấp, ngoài ưu điểm thu được khí sinh học — được xếp vào loại năng lượng xanh, còn có th ể áp dụng để xử lý nước thải có nồng độ chất ô nhiễm hữu cơ cao. Công nghệ kết hợp các modul hiếu khí — kỵ khí - th iếu khí đã được nghiên cứu và ứng dụng m ạnh mẽ tại N hật Bản để xử lý nước thải sinh hoạt, nước thải giàu nitơ (nước thải giết mổ gia súc gia cầm, nước thải chế biến thuỷ sản, nước thải chăn nuôi). Phương pháp lọc sinh học là sử dụng quá trìn h xử lý dựa trên quá trìn h hoạt động của vi sinh vật ở m àng sinh học, oxy hoá các chất bẩn hữu cơ có trong nước. Các m àng sinh học, là tập hợp của các vi sinh vật hiếu khí, kỵ khí và kỵ khí tuỳ tiện. Ngoài ra, người ta còn sử dụng hồ sinh học để loại bỏ các yếu tô" ô nhiễm trong môi trưòng nước. Đây là quá trìn h làm sạch tự nhiên vổi tốc độ chậm nên thời gian lưu thuỷ học khá dài và phương pháp cần cỉiện tích m ặt thoáng lớn. Hồ sinh học bao gồm các loại hồ hiếu khí, hồ kỵ khí và dạng hồ tru n g gian, có th ể sử dụng thực v ật thuỷ sinh để xử lý ô nhiễm nước th ải có độ ô nhiễm hữu cơ không cao và ô nhiễm kim loại nặng (xem chương 6 và chương 8).

- ứ n g dụng công nghệ sinh học để xử lý chất th ải rắn là phương pháp ủ hiếu khí hay kỵ khí nhằm tạo ra sản phẩm phân bón phục vụ nông nghiệp (xem chương 1 1). Nhiều chế phẩm vi sinh vật chứa các vi sinh vật hữu hiệu được sản xuất để ứng dụng vào lĩnh vực này nhằm thúc đẩy nhanh quá trìn h xử lý rác thải sinh hoạt, xử lý bùn ao nuôi thuỷ sản, xử

lý các p h ế th ải rắ n từ công nghiệp thực phẩm, ủ kỵ khí là biện pháp đơn giản, dỗ thực hiện, chi phí thấp và có thể thu khí m ethan làm chất đôt. u hiếu khí là biện pháp đang được sử dụng ở nhiều nước trên thê giới với ưu điểm là quá trìn h phân hưỷ nhanh, tiêt kiệm được diện tích chôn lấp và có thể tậ n dụng m ùn làm phân bón (xem chương 12).

Phương pháp lọc sinh học mới được ph át triển là công nghệ kiểm soát ô nhiễm không khí, xử lý khí thải chứa chất hữu cơ bay hơi hoặc các chất độc vô cơ. Công nghệ này được ứng dụng th à n h công ở các nước châu Âu như Đức và H à Lan từ đầu những năm 1980 cho các cơ sở công nghiệp tạo nhiều khí thải độc hạì. Trong những chất khí gây ra hiệu ứng nhà kính, C 02 đóng vai trò lớn trong sự nóng lên của T rái Đất, nhưng m ethan cũng được coi là chết khí hiệu ứng nhà kính tiềm tàng n hất, bởi vi mỗi p h ân tử CH , trong khí quyến có tác dụng làm nóng T rái Đ ất gấp 21 lần so với m ột phân tử C 0 2. H àng năm lượng khí me th a n tăng lôn với tỷ ìệ 1%, n h a n h gấp nhiều lần khí C 0 2. Đề giảm bớt lượng khí m ethan thải ra trong quá trìn h chôn lấp cổ truyền, M astui Saburo đã nghiên cứu và đề xuất quy trìn h công nghệ chôn lấp mới, dựa trê n nguyên tác kích thích sự p h á t triển của vi sinh vật khử sulfat bằng sục khí tăng cường nưốc rác để oxy hoá sulfit th àn h sulfat, h ạn chế sự hĩnh th àn h khí m eth an trong quá trìn h phân huỷ kỵ khí (mục 12.5 và 12.6).

b) Công n g h ệ sin h hoc và sả n x u ấ t các sả n p h â m th â n th iê n m ôi trư ờ n g

Sản xu ất các sản phẩm th ân thiện với môi trưòng để thay th ế các hoá ch ất độc hại như sử dụng vi sinh vật để sản xu ất phân bón sinh học (thuốc trừ sâu sinh học, phân hữu cơ vi sinh) và các ch ất bảo vệ môi trường đang ngày càng p h át triển m ạnh mẽ trên th ế giới. Các sản phẩm công nghệ sinh học được tạo ra hiện nay góp phần râ't lớn vào tăng năng suâ'1 cây trồng cũng như giảm thiểu đáng kể các chất th ả i độc hại. Sản xuất các loại enzym đê sử dụng trong công nghiệp da giày, công nghiệp dệt, sản x u ất bột giặt, công nghiệp sản xuất bột giấy,... Sử dụng công nghệ sin h học để chuyển hoá sinh khôi thực v ật th à n h các nguyên liệu sản x u ất polyme sinh học, vật liệu composit sinh học sử dụng trong các ngành công nghiệp và y tế.

c) C ông n g h ệ sin h hoc và sả n x u ấ t n ă n g lư ơn g m ới k ế t hợp bảo vệ m ô i trư ờ n g

Hiện nay, nhiều nước trên th ế giới, kể cả các nước có nguồn dầu khí lớn, đã sản x u ất và sử dụng ethanol thay xăng, diesel, như Mỹ, Brasil,

An Độ, T rung Quốc,... Với sự hỗ trợ của công nghệ sinh học ngưòi ta có thế sản x u ất được từ 20 — 40 tỷ thùng ethanol sinh học từ cellulose sinh khôi. Điều này m ang lại lợi ích đáng kể cho nông dân, góp p h ần bảo vệ môi trường và giúp th ế giới giảm bớt phụ thuộc vào nguồn cung ứng nhiên liệu hoá thạch. Ân Độ là nước dẫn đầu châu Á sử dụng ethanol làm nhiên liệu. Trưng Quốc đã sử dụng ethanol thay xăng ở 5 th à n h phô" lớn với các n h à máy có công su ấ t từ 200.000 - 800.000 tấn/năm . ở Đông Nam Á như Thái Lan, Indonesia, M alaysia đã p h át triển công nghệ sản xuất ethanol dùng thay xăng.

Hiện nay người ta đã quen dùng th u ậ t ngữ “Biogas” như một nguồn năng lượng mới. Các phụ phẩm nông nghiệp như rơm, rạ, phân gia súc, gia cầm được ủ kỵ khí trong các bể ủ khí. Nhờ hoạt động của vi sinh vật, các chất hữu cơ được phân huỷ và tạo ra sản phẩm khí là m ethan. Khí m ethan có thể dùng làm nguồn năng lượng để sản xuất điện, làm chất đốt thay th ế cho củi hoặc dầu hoả (hình 1.4). Như vậy, viộc sản xuất khí sinh học vừa góp phần làm sạch môi trưòng vừa mang lại lợi ích kinh tế. Với ưu điểm trên, công nghộ này đang được đầu tư phát triển ở nhiều nước.

- Chăn nuôi

- Sản xuất nhièn liệu sinh học

- Thu hoạch sản phẩm cây trồng

- Sản xuất công nghiệp - Tiêu dùng của người

ị

Hình 1.4. Chu trình của khí sinh học (biogas)

d) C ông n gh ệ s in h hoc và c ả i ta o 9 p h u c h ồ i m ô i trư ờ n g

Phương pháp xử lý ô nhiễm bằng thực vật có tín h khả th i cao để xử lý các vùng đ ấ t bị ô nhiễm kim loại nặng. Các linh vực nghiên cứu liên

quan bao gồm công nghộ đ ất ngập nước, công nghệ xử lý trà n dầu và các loại thực v ậ t tích luỹ kim loại nặng. Hiện nay, để tăn g cường hiệu quả xử lý ô nhiễm bằng thực vật, công nghệ sinh học đã và đang tạo ra các loài thực v ậ t mới thông qua công nghệ tái tổ hợp di truyền.

1.1.2. Công nghệ vi sinh vật xử lý chất thải

Công nghệ sinh học xử lý chất thải là một trong những hướng p h át triển ưu tiẽn h àn g đầu trong đó chú trọng sử dụng các công nghệ sạch, công nghệ xử lý để tạo đà cho việc p h át triển bền vững. Xu hướng của các quổc gia trê n th ế giới trong việc phòng ngừa ô nhiễm môi trường là hạn chế ph ải xử lý cuối đường ông, đẩy m ạnh ứng dụng và p h át triến các công nghệ sạch, công nghệ sinh học.

H ai yếu tô" quan trọng n h ấ t do hoạt động sông của con người ảnh hưởng đến môi trường là chất thải và nước thải. Khả năng phân huỷ vật ch ất của quần th ể vi sinh v ật đã được sử dụng để quay vòng các chất th ải có trong tự nhiên. Bơi vì, nếu chất thải tích tụ quá nhiều tại một vùng sinh th ái sẽ cản trở khả năng tự làm sạch của vi sinh vật trong môi trường, làm ô nhiễm môi trường sổng.

Các quá trìn h xử lý ch ất thải, nước thải bằng biện pháp sinh học mà vai trò chính là sự đóng góp của các loại vi sinh vật nhằm bảo vệ các giá trị sinh học của môi trường thiên nhiên.

Công nghệ p h ân huỷ các chất bằng vi sinh vật dựa trê n cơ sỏ loại bỏ hỗn hợp nhiều ch ất có trong chất thải và tái sử dụng chúng. Nồng độ của các ch ất hoà ta n trong nước thường là thấp, các chất không hoà tan là hợp ch ất cao phân tử và phân huỷ kém. Do vậy, xử lý môi trường hỗn hợp nhiều chất ô nhiễm bằng cách sử dụng nhiều chủng vi sinh sẽ tăn g cường k h ả năng p h ân huỷ các chất, giảm thời gian p h ân huỷ dẫn đôn giảm giá th à n h sản phẩm.

Mỗi hệ sinh th á i được quy định bỏi các điều kiện lý học, hoá học, vì trí địa lý và thực tế địa chất của nó. Những yếu tô' th iế t yếu là nước (hay độ ẩm), n h iệt độ, án h sáng, khả năng cung cấp oxy, các ch ất dinh dưỡng, pH và khả năng k h u ấy trộn cơ học (xem chương 2).

Các loại sinh vật tồn tại, ph át triển và tái sinh trong môi trường sống (mỗi hệ sinh thái) và do vậy, chúng lắng đọng lâu dài trong sinh cảnh cấu th àn h quần lạc sinh v ậ t- phần thứ cấp của hệ sinh thái. Chính sinh vật sống trong hệ sinh thái sẽ làm thay đổi các điều kiện của sinh cảnh.

Công nghệ vi sinh v ật xử lý chất thải/ nước th ải là sự p h á t triển của 12

công nghệ sinh học nhằm ứng dụng vi sinh vật và các cấu phần của tế bào vi sinh v ật để sản xuất các chế phẩm có giá trị mới và ứng dụng các quá trìn h công nghệ mới, thích hợp trong bảo vệ và phục hồi ch ất lượng môi trường sống của con ngưòi.

1.1.2.1. Chất thải, nước thải

— Chất thải (còn gọi là rác thải) ỉà các chất do hoạt động của con ngươi

tạo ra và không còn giá trị sử dụng vào mục đích phục vụ cuộc sống của con người. Nước th ải là nước đã qua sử dụng trong sản x u ất hoặc sinh hoạt chứa các chất bẩn và được th ải ra môi trường.

- Để kiểm soát nước thải, chất thải cần:

+ Lựa chọn quá trình xử lý phải phụ thuộc vào bản chất tự nhiên của nước thải.

+ T h àn h p h ần chất độc nguy hại cần tách ra khỏi nước, còn dạng không nguy h ại mới cho phép th ải ra môi trường.

+ Quá trình đánh giá có thể thực hiện theo một hay nhiều bước (CID). + Thành phần nguy hại phải xử lý thành phần không còn độc hại nữa.

1.1.2.2. Tách chất rán khói môi trường nước

Tách ch ất th ải rắn huyền phù khỏi nước th ải có thể thực hiện theo nhiều quá trìn h phụ thuộc vào kích thước và khối lượng của chúng. Chất thải rắn dạng h ạ t to có th ể làm hỏng máy bơm. Trước khi đưa vào bể xử lý, cần p h ân loại sơ bộ để loại bỏ được chất thải h ạ t lớn bằng cách cho qua lưới lọc bằng kim loại, bằng tre nứa,... để tạo môi trường nước th ải đồng nhất, mịn. Công việc ban đầu này có thể được thực hiện bằng các cách sau đây:

a) L ắ n g g ạ n

Để nước th ả i tĩn h một thời gian n h ấ t định để cho một số th à n h phần huyền phù trong nước thải k ết lại với nhau, lắng xuống hoặc nổi lên bề m ặt bể p h ân loại sơ bộ. Trước khi đưa vào bể xử lý, cần loại bỏ các chất sa lắng hoặc nổi lên m ặt nước thải. Những chất này có thể gây khó khăn cho quá trìn h xử lý, làm giảm hiệu su ất xử lý bằng biện pháp sinh học.

b) K ế t bô n g

Bằng cách thổi khí trong thời gian n h ấ t định, các h ạ t huyền phù sẽ k ết th à n h khối bông (floes), sau đó thực hiện quá trìn h lắng gạn.

c) L ọc q u a m ô i trư ờ n g h ạ t (sỏi, cát) hoặc lọc qua lóp v ậ t liệu lọc

mịn (bentonit, diatom it hoặc zeolit).

13

d) L ọc q u a m à n g ỉoc như vải lọc hoặc sàng lưới m ịn (thường sử

dụng m áy h ú t chân không).

e) C ác p h ư ơ n g p h á p ly tâm : Thường sử dụng tốc độ vòng quay lớn.

1.1.2.3. Chọn /ựa các phương pháp xử lý

Sau khi xử lý sơ bộ bằng các phương pháp kể trên, việc chọn lựa các phương pháp xử lý thích hợp cho từng loại hình nước th ả i ô nhiễm và phù hợp với từ ng giai đoạn, thời gian là nhiệm vụ h ế t sức quan trọng và cần thiết. Trong m ột sô" trường hợp, người ta có th ể phải k ê t hợp m ột sô phương pháp xử lý khác nhau để có thể giải quyết tậ n gôc các chất ô nhiễm . Cho đến nay, ngoài những phương pháp thường được sử dụng như phương pháp hoá học, lý học, cơ học,... thì phương pháp p h ân huỷ sinh học sử dụng các nguồn vi sinh v ật có ích đang là vấn để được nhiều quốc gia, trong đó có Viột Nam quan tâm nhiều, bởi lẽ công nghệ phân huỷ sinh hoc có tác dụng xử lý triệ t để hơn, không bị ô nhiễm thứ cấp và lại an toàn cho sinh th ái môi trường.

Ví dụ: có n h iều phương pháp xử lý nưốc trước khi sử dụng làm nưóc sinh hoạt hay th ả i ra môi trường (hình 1.5). Nhưng tùy theo chất lượng nước, các th à n h p h ần trong nước mà lựa chọn công nghệ phù hợp.

Dưới đây chúng ta có thể tìm hiểu khái q u át những đặc tính cơ bản của một sô' phương pháp xử lý chất th ải khác nhau.

1.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP xử LÝ CHẤT THẢI, NƯỚC THẢI 1.2.1. Phương pháp xử lý hoá học

Xử lý hoá học thường để tách các chất nguy hại khỏi nước thải: - T rung hòa nước th ải acid hoặc kiềm đến pH thích hợp.

- K êt tủa, k êt lắng, k ết bổng thưòng dùng để loại bỏ kim loại nặng. Kêt tủ a để h ìn h th à n h các pha rắn; k ết lắng làm cho các h ạ t nhỏ liên k ết tạo th à n h các ch ất lắng được; còn kết bông tạo cho các h ạ t nhỏ tích tụ lại và lọc được.

- Oxy hoá khử là cách sử dụng các chất hoá học bổ sung vào nước th ải để chuyển các chất độc hại th à n h vô hại, hoặc ít độc hơn. Cũng có th ể chỉ thực hiện một quá trìn h oxy hoá như sử dụng khí ozon để xử lý chất hữu cơ nguy hại.

- Sử dụng trao đổi ion để chuyển hoá các ch ất độc h ại th à n h không độc băng cách th ay đổi các nhóm chức khác nhau.

Hỉnh 1.5. Các công nghệ xử lý nước đẩu ra 1.2.2. Các phương pháp vật lý

Có nhiều phương pháp loại bỏ các chất ô nhiễm khỏi nước thải:

- Tẩy bằng hơi nước: làm cho các chất độc không bay hơi sẽ bay hơi ở áp su ất cao và nh iệt độ nước sôi phù hợp.

- Hấp th ụ các ch ất hữu cơ và vô cơ bằng th a n hoạt tín h làm cho nước th ải trở nên sạch.

- Bay hơi cũng là quá trìn h loại bỏ chất thải nguy hại bằng cách cho bay h ết hơi nước đi để th u chất th ải dạng bùn bẩn.

- Sử dụng sự th ẩm th ấ u qua m àng để chuyển các chất độc hại tích tụ ỏ nồng độ th ấp sang chất không hòa tan.

- Tách chiết dung môi: Sử dụng các loại dung môi để tách chiết các chất độc hại khỏi nưỏc th ải nguy hại.

1.2.3. Đốt rác

Đốt rác ìà quá trình,ỏxy hoá ở nhiệt độ cao mà các nguyên tô" của các ch ất hữu cơ (carbon, hydro và oxy) chuyển sang C 02 và nước. Quá trìn h này thường sử dụng trong xử lý chất th ải nguy hại. Có nhiều loại lò đốt

rác, như ng n h iệ t độ lò phải đ ạt trên 1.20CTC, nêu không trong khí thải sẽ có nhiều ch ất nguy hại.

1.2.4. Oxy hoá không khí ướt

Oxy hoá không khí ướt nhằm oxy hoá pha khí của các vật liệu hữu cơ ỏ n h iệt độ cao và áp su ấ t cao. Đây là phương pháp chủ yếu đê giữ nước sau khi đốt rác th ải ỏ trạn g thái lỏng. Nước được bơm cùng với oxy đã được làm nóng từ chất th ải đầu ra đã nóng vào bình phản ứng. Quá trìn h này r ấ t tốt đối với chết thải không bị phân chia khi đốt và r ấ t độc cho các quá trĩn h xử lý bằng phương pháp sinh học. s ả n phẩm cuôì cùng thường là acid acetic và C 0 2.

1.2.5. Kỹ thuật đóng rắn chất thải

Quá trìn h đóng rắ n chất thải không đòi hỏi cấp n h iệt theo chương trìn h SITE (Superfund Innovative Technology solidification) bằng cách dóng gói ch ất th ả i bằng chất thuỷ tinh hoặc các vật liệu đóng rắ n khác như xi măng, đ ấ t sét, đất đá,... x ử lý bằng phương pháp này chủ yếu với các ch ất th ải đặc biệt nguy hại như chất th ải phóng xạ, ch ất th ải chứa hoá ch ất độc hại như hợp chất chứa arsen, chì,...

1.2.6. Các bỉện pháp xử lý sinh học

Xử lý sinh học chất th ải là sự lựa chọn hiện thực trong chiến lược xử lý chất thải và nước thải, ưu điểm là vì giá th à n h rẻ hơn các cồng nghệ khác, ví dụ như là đốt rác. Nhược điểm là quá trìn h thường thời gian xử lý lâu. Cơ chế xử lý cũng khác nhau mà chúng ta cần lựa chọn cho phù hợp với từng loại chất ô nhiễm (hiếu khí hay kỵ khí) và hàng loạt các thông số cần th iết khác m à chúng ta phải đề cập đến trong chuyên đề này.

Hệ thống xử lý phải phù hợp cho vi sinh v ật p h á t triển ỏ dạng huyền phù như b ù n hoạt tính, bể sục khí và phân huỷ kỵ khí mà ở đó vi sinh vật p h á t triể n được. Quá trìn h cố' định m àng lọc sinh học bao gồm cả m àng lọc và hệ thống lọc quay, mà ỏ đó vi sinh v ật có th ể p h á t triển và bám vào bề m ặt m àng lọc. Trong phân huỷ hiếu khí, giá th à n h chủ yếu là cung cấp khí. C hất th ải bất kỳ ỏ dạng nào: rắn, lỏng, khí, đều có khả năng xử lý bằng biện pháp sinh học. Có nhiều phương pháp xử lý, như xử lý đất, ủ chất thải, sử dụng cả phương pháp xử lý khô và ướt cùng một lúc, xử lý chất th ải tại chỗ (in-situ), sử dụng khí gas lọc qua đ ất và xử lý nưốc thải, x ử lý sinh học khó có thể đánh giá chỉnh xác được mức độ xử lý, bởi vì các loại thuốc trừ sâ u và các ch ất hữu cơ khó

phân huỷ trong chất th ải cũng có thể ảnh hưởng đến quá trìn h xử lý, các chất tru n g gian độc có thể hình th àn h trong quá trìn h xử lý và làm cho quá trìn h xử lý kết thúc sớm hơn.

1.2.6.1. Xử lý đất

Xử lý đ ất là phương pháp sinh học đã được sử dụng rộng rã i để xử lý chất thải nguy hại. Nhiều điểm xử lý chất thải công nghiệp áp dụng xử lý sinh học tại các điểm cho" biến dầu. Các bước của quá trìn h thường là: trả i chất th ải lên đất, để cho khô, sau đó lại trộn đ ất với chất thải, kiểm tra độ ẩm, nếu cần th iết bổ sung thêm chất dinh dưõng để làm sao cho vi khuẩn phân huỷ chất thải p h át triển.

Trong hệ thống xử lý đất, lớp đáy dưới vùng xử lý cần quan tâm đến mức độ th ấm của các chất độc hại. Các quá trìn h hoá, lý và sinh học trong đất làm cho chất thải bị phân huỷ, cô" định lại hoặc chuyển hoá th àn h dạng môi trường chấp nhận được. Phần lớn các chất ô nhiễm giữ và chuyển hoá ở lớp đ ấ t sâu 30 đến 60cm, nhưng ỏ các vùng xử lý cũng có thể chui xuống sâu tới 2 - 3m.

Xử lý đ ất phù hợp với các loại chất thải như bùn th ả i chế biến dầu, bùn creosote hoặc nước thải, bùn thải từ nhà máy gỗ, giấy hoặc dệt. Phương pháp này cũng được sử dụng để xử lý bùn và nước th ải sinh hoạt; bùn và nước th ải của nhà máy chế biến thực phẩm . Các loại dầu, kim loại và các cấu phần khác liên quan đến môi trường cũng được kiểm soát th àn h công bằng phương pháp xử lý này. H ầu h ết các điểm xử lý đ ất được đ ặ t tại một phân xưồng của nhà máy. Giá th à n h xử lý bằng phương pháp này k h á rẻ tiền và có thể phổ biến rộng rãi.

1.2.6.2. ủ rác (composting)

Ú rác thường sử dụng diện tích đất xử lý ít hơn xử lý đ ất và kiểm soát được khí th ải và nước th ải rỉ ra. Trong quá trìn h ủ, đông ủ có thể cao 1,5 đến 2,5m. Việc thông khí vào đống ủ bằng cách đảo trộn cơ học hoặc bằng hệ thông cấp khí cưỡng bức. Có thể bổ sưng vỏ bào, m ạt cưa làm tăng k h ả năng thông khí. Những v ật dụng to như gỗ, sau khi kết thúc quá trìn h ủ được sàng ra để bổ sung vào mẻ ủ sau.

ủ rác được sử dụng để xử lý chất th ải nông nghiệp, bùn th ải nước sinh hoạt, m ột số ch ất th ải rắ n công nghiệp như bùn đã sau xử lý nước th ải công nghiệp, p h ế th ả i của công nghiệp thực phẩm cũng n h ư một số chất th ải công nghiệp có hàm lượng chất độc hại thấp.

1.2.6.3. Hệ thăng xử lý lỏng/rắn

Phương pháp này là phương pháp trung gian giữa phương pháp xử lý đ ất và hệ thông xử lý nước thải thồng thưòng. C hất th ải không ở trạ n g th á i rắ n n h ư xử lý đ ấ t mà cũng không ở trạ n g th á i lỏng như xử lý nước thải, m à bao gồm cả 2 phần. C hất thải ở trạ n g th á i huyền phù, nhão hoặc giống dạng bùn thải.

Mỗi hệ thông xử lý, đầu tiên giảm thiểu chất th ải độc bằng cách hòa chất hữu cơ vào nước để vi sinh vật phân huỷ sang trạ n g th ái ít độc hơn và giải phóng sản phẩm khí vào không khí. Bước chìa khoá của phương này là hòa ch ết th ả i rắ n th à n h chất thải lỏng và k ết quả đ ạ t được là dưới tác động của vi sinh v ật hoặc phương pháp hoá lý, ch ất thải không còn độc hại nữa.

1.2.6.4. Lọc sinh học đất

C hất th ả i nguy hại ở trạn g th ái khí sẽ được xử lý có hiệu quả bằng phương pháp sinh học. T rên bề m ặt vật liệu lọc, chất th ả i sẽ được làm giảm m ùi hôi, hợp chất carbon bay hơi và các tiểu p h ần có trong khí thải. Phương pháp này thực hiện 2 cơ chế: lọc cơ học và xử lý ch ất thải bằng vi sinh v ậ t trê n các h ạ t đất.

Lọc sinh học bao gồm các mạng lưói ống nhỏ phía dưới lớp đ ấ t hoặc sỏi nhẹ. Khí th ả i xử lý được bơm qua môi trường sỏi, đ ấ t và bám lại trong th à n h ông. Nó đi qua môi trường đất dày 1,5 đến 5m. C hất thải giữ lại trê n phin lọc có thể loại bỏ bằng cách lọc, hấp th ụ hoá lý, oxy hoá hoặc làm th ay đổi cấu trúc của chất thải.

Kỹ th u ậ t này không mới, lọc sinh học đã được áp dụng từ lâu để khử m ùi sinh ra trong quá trìn h sản xuất và chế biến lương thực, thực phẩm , các n h à m áy giấy và hoá chất. Màng lọc đất sẽ loại bỏ có hiệu quả các loại k h í như H2S, S 0 2, N H3 và N 02 ở nồng độ thấp cũng như các tiểu phần của khí này. Phương pháp này ứng dụng tốt cho việc khử khí th ải của nhiều lĩnh vực sản xuất công nghiệp.

1.3. XỬ LÝ NƯỚC THẢI

Xử lý sinh học đã ứng dựng th àn h công trong việc loại bỏ ch ất thải hữu cơ và các ch ất hữu cơ dạng keo. Các phương pháp bùn hoạt tính, lọc sinh học, ao hồ thoáng khí, bể oxy hoá và lên men hiếu khí là một số phương pháp cơ bán đê xử lý sinh hoc nước th ải được thảo luận trong chuyên đê này. Việc loại bỏ các chất độc hại cần được quan tâm bơi vì vi Sinh vật có thê bị phá huy nêu chât độc hại vượt quá mức mà chúng có thể chịu được.

P hân huỷ sinh học là khả năng của vi sinh vật trao đổi các chất hữu cơ bằng hệ thống enzym của chúng đến C 0 2, nước và năng lượng. Năng lượng được sử dụng để tổng hợp các chất, đế chuyển động và hô hấp. Từ chất thải hữu cơ được thuỷ phân để tạo th à n h sinh khôi vi sinh vật mới, các chất tích luỹ khác không chuyên hoá được sẽ lắng theo cùng sinh khôi vi sinh vật qua bể lắng. Tuy nhiên phân huỷ sinh học không thể đ ạt được 100%, các sản phẩm tạo th àn h nhiều sẽ gây độc cho vi sinh vật, cho nên cần xử lý tiếp bằng phương pháp hoá học, hoặc pha loãng đến nồng độ cần th iế t cho vi sinh vật có thể p h á t triển được.

Nitơ và phospho cũng như các chất vô cơ khác là cần th iế t cho việc hình th à n h tế bào vi sinh vật mới. Nguồn nitơ bổ sung vào môi trưòng dinh dưỡng thường ỏ dạng amoni.

130D (nhu cầu oxy sinh hoá) là chỉ sô' đo nồng độ các chất hữu cơ có trong môi trường và đê xác định tổng sô" lượng oxy cần th iế t cho vi sinh vật oxy hoá các chất hữ u cơ. Thường nồng độ các ch ất hữ u cơ có trong môi trường cao hơn chỉ sô" BOD. Tỷ lệ BOD : N : p là 100 : 5 : 1 là chỉ sồ' ch ất dinh dưõng tối ưu cần th iết cho vi k h u ẩn p h á t triển.

1.3.1. Quá trình bùn hoạt tính

Quá trìn h này bao gồm sự tăng sinh khối của vi sinh v ật huyền phù trong nồi p h ản ứng và phân huỷ các chất hữu cơ hòa tan. Nưốc th ải được cấp không khí vào trong aerotank (bể sục khí) và việc cấp khí sao cho vi sinh vật và ch ất th ải trong môi trường nước được tiếp xúc tối đa. Hàm lượng chủ yếu là chỉ sô" MLSS (chất rắn huyền phù hỗn hợp trong nước) được đưa vào bể lắng và lắng xuông đáy, sau khi gạn nước phía trên, một phần bùn hoạt tín h dưới đáy bể được bô sung lại bế sục.

1.3.2. Quá trình lọc chậm

Nước th ả i được phân bổ theo dòng vào vật liệu lọc mà ỏ đó vi sinh vật đã p h á t triể n th à n h m àng và được cấp oxy. Dòng nước th ả i đi xuống, các chất h ữ u cơ và cha't dinh dưỡng được hấp th ụ lên bể m ặt m àng vi sinh v ật và sản phẩm cuốỉ được thoát ra theo hệ thông th u nước. Tuy nhiên m àng sinh học sẽ trôi theo nước thải, sau đó cần phân tách chúng ra khỏi môi trường nước.

1.3.3. Ao hồ ổn định

Trong quá trìn h này, nước th ải được được xử lý dưới tác động của vi sinh vật trong bể hoặc ao hồ. Thường có 2 loại ao hồ: thứ nhất là cấp oxy tự nhiên bằng quá trìn h quang hợp của tảo (bể oxy hoá) và thứ hai là

cấp oxy bằng thổi khí hoặc khuấy nước (ao thoáng khí). Vi sính vật chuyển hoá các ch ết th ải và chất rắ n sẽ lắng xuông đáy hồ tạo th à n h bùn. Tuy nhiên, vẫn có quá trìn h kỵ khí dưới đáy hồ p h ân huỷ ch ất thải không cần oxy. Cũng có th ể cả 2 quá trìn h phân huỷ hiếu k h í và kỵ khí diễn ra trong hồ, với sự thay đổi sản phẩm giữa 2 lớp vi sinh vật trong mổi quan hệ cộng sinh (xem mục 6.5).

1.4. KHẢ NĂNG PHÂN HUỶ SINH HỌC

T h u ậ t ngữ “k h ả năng phân huỷ sinh học” được hiểu là k h ả năng phân huỷ của ch ất th ải trong hệ thống sinh học bao gồm các chất: Dễ phân huỷ, bền vững, khó phân huỷ và khoáng hoá. T h u ậ t ngừ này có ý nghĩa quan trọng n h ấ t trong kiểm soát môi trường.

- Dễ phân huỷ: các chất dễ thay đổi từ trạ n g th ái này sang trạn g th ái khác dưới tác động của vi sinh vật, phụ thuộc vào pH và th àn h ph ần môi trường.

- Bền vững: các chất không thể bị phân huỷ.

- Khó p h ân huỷ: các chất phụ thuộc vào điều kiện mới bị p h ân huỷ bơi vi sinh vật.

- K hoáng hoá là các chất hữu cơ bị phân huỷ hoàn toàn đến sản phẩm cuối cùng là C 02 và nước.

1.4.1. Cơ sở cho sự phân huỷ

Một vài hợp ch ất bị phân huỷ do vi sinh vật là do cơ thể vi sinh vật cần năng lượng để sinh trưỏng, tái sinh và các chức năng sinh học khác đê duy trì sự sông. Nguồn thức ăn chứa oxy trong các nhóm OH và COOH. P h ản ứng oxy hoá là ở chỗ điện tử được truyền qua chuỗi điện tử đến chất n h ận điện tử. Coenzym ở dạng NADH và NAD bị khử, đôi điện tử tru y ền qua chuỗi để sản xuất liên kết cao năng ATP nhằm duy trì sự sống của tế bào vi sinh vật.

Vi sinh v ật chỉ có thể thực hiện những hoạt động mà chúng có tiềm năng di truyền. Chúng sản sinh các enzym để duy trì sự sống của chúng, do đó môi trường sống đã tạo cho vi sinh v ật sản sinh enzym đó. Các chất có trong môi trường với nồng độ quá thấp hoặc quá cao, thì ch ất đó cũng không bị p h ân huỷ, bởi vì quá th ấp sẽ không điều khiển sinh enzym và cao quá thì chính chất đó đã gây độc cho vi sinh vật. Do vậy, nếu vi sinh v ậ t không trao đổi chất th ì nó sẽ chết. N ếu nó sử dụng những cơ ch ất khác n h au là điều may mắn và được gọi bằng th u ậ t ngử trao đôi chất “vô cớ”. Nếu quá trìn h phân huỷ sinh học quá phức tạp còn 20

dược gọi là “trao đổi ch ất phức tạp ” (cometabolism), ỏ đó h ai cơ ch ất đều cần thiết, có nghĩa là một chất không đáp ứng được sự cần th iế t của vi sinh v ật hoạt động như là nguồn carbon và năng lượng cần thiết.

Vi sinh vật cần nguồn carbon để sinh trưởng, còn nếu bổ sung nguồn có chất nhiều quá, vi sinh vật không có khả năng trao đổi các chất này. Chúng cần thời gian “thích nghi”, mà ở đó chúng p h á t triển, vững m ạnh và thậm chí có thể thay đổi cả bản chất di truyền. Nếu ch ất tru n g gian gây độc, vi sinh vật có thể bị giết chết hoặc hình th à n h chủng mới có khả nâng phân giải chúng hoặc làm hỏng hệ thông. Chính vì vậy, vi sinh vật thường làm việc bởi tập đoàn chủng đế khoáng hoá hoàn toàn các chất trong môi trường mà chỉ một chủng không có khả năng di truyền cần thiết.

Còn một khía cạnh ít thấy là vi sinh v ật có khả năng phân huỷ các chất như thuốc trừ sâu, chất này bị phân huỷ n h an h trước khi vi sinh vật bị tác động. H iện tượng này được gọi là “sự phân huỷ thuốc sâu nhanh nhạy”. Sự tiến hoá xuất hiện là yếu tô", ở đây có những vi sinh vật sử dụng thuốc trừ sâu làm nguồn dinh dưỡng bởi sự tiến hoá của các enzym đặc hiệu. Nhiều loại vi sinh vật có thể cùng tồn tại trong cộng đồng để chuyển hoá thuôc trừ sâu làm nguồn dinh dưỡng cho bản th ân vi sinh vật. Cách xác định hoạt tín h enzym đặc hiệu của vi sinh v ật là khả năng chuyển hoá cơ chất là thuốc trừ sâu nào đó được chỉ ra khả năng thích nghi chéo của vi sinh vật đối với sự phân huỷ các hợp chất thuốc trừ sâu trong môi trường đ ất mà chúng tồn tại được (hình 1.6).

Hình 1.6. Sự biến động của các nhóm vi sinh vật trong quá trình xử lý nước thải

1.4.2. Các phản ứng trao đốĩ chất trong xử íý sinh học

Các p h ản ứng trao đổi châ't bởi vi sinh vật tiêu biểu và quan trọng trong xử lý sinh học được trìn h bày tóm tắ t như sau:

a) C ác p h ả n ứ n g kỵ k h í (vi sinh vật kỵ khí)

- Khử n itra t (phản n itra t hoá):

5CH5COOH + 8NO3- --- > 10C 02 + 6N2 + 8 0 H “ 5S + 6 NO3- + H 20 --- > 5 S 0 /- + 3N2 + 4H + - Khử sulfafc: 2CH3CHOHCOOH + S 0 42- --- > 2CH3COOH + H2S + 20H “ 2- _{■> H20 + H2S + 20} H-4H2 + SO

- Khử carbon hữu cơ (lên men): c h 3c o o h -> c h 4y + c o 2 4CH 3OH --- > 3CH4 + C 02 + H20 c6h 12o6 - VlUu:"" > 3CH3COOH N um m en ^6 -n]2U6 _2CH3CH2COOH + 2CO-2 - Khử carbon dioxid (C 0 2): 2CH3 CH2COOH + C 02 — 4H, + 2CO9 — ■> 2CH3COOH + CH, -» CH3COOH + 2H20

b) C ác p h ả n ứ n g h iế u k h í (vi sinh v ật hiếu khí)

- P h ản ứng giới h ạ n oxy: CH3CH2OH + 02

2CH3C H O + o ĩ

2CH3CHOHCH3 + 02

- Oxy hoá hoàn toàn: CHjCOOH + 2 0 ,

2H., + O9

- N itra t hoá: 2N H3 + 3 0 2 2N 02 + 0.,

- Oxy hoá lưu huỳnh:

2H,S + 0 2 2S + H20 + 3 0 2 S20 32' + H20 + 2 02 CH3COOH + H20 4CH3COOH 2C H C 00H + H ,0 2C0ị + 2H20 2H20 2N 02- + 2H+ + 2H20 -> 2 NOa-2S + Ha0 2 S 0 /- + 4 H H S 0 42- + 2H+ 22

- Cố định nitơ:

N2 ---> Nitơ hữu cơ

c) Các p h ả n ứ ng q u a n g hợp (tảo hoặc vi sinh v ật chứa sắc tố)

C 02 + 2H,S Ánh sáng—^ (CH20) + H20 + 2S 3 C 02 + 2S + 5 H ,0 Anh swig_^ 3(CH20 ) + 4H+ + 2 SO„2-C 02 + 2H20 Á!Ẻ l á»s- ỈỂẬ (CH20 ) + H20 + 02

9CH:iC 0 0 H Ánh sáng > 2 C 0 2 + 4(Q4JJ(;02) + 6H 20

C 02 + 2H2 4 - sá"?- > (CH20) + H20 2CH3COOH + H2 Ánh sáng > (C4H602) + 2H20

ÔN TẬP CHƯƠNG 1

1. Môi trường là gì? Định nghĩa môi trường theo nghla rộng và nghĩa hẹp. 2. Cồng nghệ vi sinh v ật là gì? Môi liên quan giữa công nghệ vi sinh vật,

công nghệ vi sinh v ật môi trường và công nghệ sinh học?

3. Vì sao nói: ‘T ín h đặc trưng của các quá trìn h trao đổi ch ất ở vi sinh vật là khả năng phân huỷ v ật chất của quần thể vi sinh v ật nhằm quay vòng các ch ất th ải có trong tự nhiên”.

4. C hất th ải và nước thải là gì? Để kiểm soát nước thải, ch ất th ả i người ta cần phải làm gì?

5. Hãy trìn h bày một sô" phương pháp cơ bản xử lý ch ất thải, nước thải. Vì sao người ta quan tâm nhiều đến biện pháp xử lý ch ất th ải bằng biện pháp sinh học?

6. T huật ngữ “khả năng phân huỷ sinh học” được hiểu là gì? Vì sao th u ật ngữ này có ý nghĩa quan trọng nhất trong kiểm soát môi trường?

7. Tại sao nói cơ sỏ của sự phân huỷ sinh học là dựa trê n các phản ứng trao đổi ch ất của vi sinh v ật trong xử lý chất thải, nước th ải bằng biện pháp sinh học?

8. Vì sao phải tách ch ất rắn khỏi môi trường nước thải? Điểm qua các phương pháp chính.

23

Chương 2

C ơ SỞ SINH HỌC - SINH THÁI HỌC

TRONG XỬ LÝ CHẤT THẢI BẢO VỆ MÒI TRƯỜNG

2.1. PHÂN HUỶ VI SINH VẬT - c ơ s ỏ CỦA SINH THÁI HỌC VÀ QUÁ TRÌNH TRAO Đổl CHẤT TRONG SINH GIỚI

Công nghệ sinh học truyền thông thường sử dụng các chủng vi sinh v ật th u ầ n kh iết đã được chọn lọc và tối ưu điều kiện lên men để tổng hợp các sản phẩm đặc hiệu. Môi trường lên men thường giới hạn ở các th à n h p h ần đã biết làm nguồn năng lượng và nguồn dinh dưỡng. Vi sinh vật học là một ngành khoa học chỉ quan tâm nghiên cứu: sinh trưởng, p h á t triển, sinh khôi và các sản phẩm lien quan đến điều kiện nuôi cấy các chủng sản x u ất th u ần khiết trong môi trường dinh dưỡng xác định.

N hững công nghệ phân huỷ các chất bằng vi sinh v ật thường là dựa trê n cơ sỏ loại bỏ hỗn hợp nhiều chất có trong ch ất th ải và tái sử dụng chúng. Nồng độ của các chất hòa tan thường là thấp, các ch ất không hồa tan là hợp chất cao phân tử và phân huỷ kém. Do vậy, xử lý môi trưòng hỗn hợp nhiều ch ất ô nhiễm bằng cách sử dụng nhiều chủng vi sinh sõ tăn g cường khả năng phân huỷ các chất, giảm thời gian p h ân huỷ dẫn đến giảm giá th à n h sản phẩm . Hy vọng nước th ải và mồi trường nước trong tương lai gần sẽ được quan tâm nghiên cứu nhiều hơn, từ đó sẽ bảo vệ môi trường sông tốt hơn.

Việc tìm hiểu tín h đa dạng vi sinh vật tham gia vào quá trìn h phân huỷ các ch ất trong hệ sinh th ái đ ất và nước là cần thiết. Các nguyên lý sinh th á i học trong phân huỷ các chất trong việc xử lý c h ấ t th ải đã được các nhà khoa học tìm ra và đề cập nhiều trong các công trìn h nghiên cứu của mình.

Theo quan điểm sinh th ái học, các chất phân huỷ nhờ vi sinh vật cần được quan tâm nghiên cứu, bởi vì phận huỷ sinh học trong điều kiộn không khí mở sẽ có hệ sinh th ái vi sinh vật đặc th ù (điều kiộn lý học và hoá học) của mỗi sinh cảnh (biotope).

Mỗi hệ sinh th á i được quy định bởi các điều kiện lý học, hoá học, vị trí địa ỉý và thực tế địa ch ất của nó. Những yếu tố th iết yếu là nước (hay độ ẩm), n h iệt độ, ánh sáng, khả năng cung cấp oxy, các ch ất dinh dưỡng, pH và k h ả năng khuấy trộn cơ học. Các loại sinh vật tồn tại, p h á t triển 24

và tái sinh trong môi trường sống (mỗi hệ sinh thái) và do vậy, chúng lắng đọng lâu dài trong sinh cảnh cấu th à n h quần lạc sinh v ật - phần thứ cấp của hệ sinh thái. Chính sinh vật sông trong hệ sinh th ái sẽ làm thay đổi các điều kiện của sinh cảnh. Ví dụ, nếu tích tụ nhiều muôi khoáng và các sản phẩm cuối của quá trìn h trao đổi chất sõ làm thay đổi th à n h phần hoá học và pH của sinh cảnh. Hoạt tín h trao đổi chất của mỗi loại sinh v ật trong hệ sinh th ái tạo ra điều kiện sống cho chính sinh vật đó và các sinh vật khác. Bằng cách đó, một lưới năng lượng giữa các sinh v ật trong quần lạc được hình thành. Sự khác n h a u giữa các hệ sinh thái được đặc trư ng bởi sự biểu hiện chuỗi thức ăn và lưới năng lượng (hình 2.1 và 2,2).

Chuỗi dinh dưdng Chuỗi dinh dưdng của châtthải

Hình 2.1. Chuỗi thức ăn chính (Campbell, 1980)

Qua hình 2.1 cho thấy, sinh v ật phân huỷ có nhiệm vụ tá i sinh các chất phế th ải trong tự nhiên th à n h các dạng C 0 2, NO3, so ^ và các loại khoáng khác và lại được tái sử dụng do các sinh v ật sản xuất năng lượng sơ cấp. Các sinh vật cấu th àn h chuỗi thức ăn từ năng lượng M ặt Tròi đến các chất hữu cơ nhờ sinh vật sản xuất sơ cấp và từng bước giải phóng năng lượng bằng sinh v ật tiếp nhận các hợp chất hữu cơ.

25

Hinh 2.2. Lưới thức ăn của chất thải

(mũi tên chỉ từnguổn cung cấp đến ndi nhận, Campbell, 1985)

Sự thay đổi liên tục của năng lượng và vật chất là tính đặc thù của từng hệ sinh thái và liên quan đến các chu trình tuần hoàn vật chất trong từng hệ sinh thái, mà cụ thể ở đây là các nguyên tô' sinh học như carbon, nitơ, lưu huỳnh, phospho và các nguyên tổ’ vi lượng khác. Neu vòng tuần hoàn của năng lượng và vật chất này không bị gián đoạn thì khi đó hộ sinh thái ở trạn g th ái cân bằng. Tuy vậy, trạng thái cân bằng của các hệ sinh thái luôn luôn bị phá vỡ do tác động của các yếu tố ngoại cảnh.

Vi sinh vật luôn tham gia vào quá trình phân giải các chất. Tuy kích thước của các vi sinh vật nhỏ bé, nhưng với số lượng lớn có trong đất và nước sẽ đóng vai trò to lớn trong hệ sinh thái. Ví dụ, chúng tham gia vào quá trìn h oxy hoá amoni (NH.J+) đến n itrat (N 03~) và n itrit (N 0 2") đòi hỏi phải có oxy và tiếp tục khủ N 03 đến nitơ phân tử (Na) đòi hỏi không có oxy.

Vi sinh v ậ t th am gia vào các chu trìn h chuyển hoá v ật ch ất trong tự nhiên tạo nên trạ n g th ái cân bằng môi trường.

Trong chu trìn h chuyển hoá carbon (hình 2.3), chủ yếu các vi sinh vật phân giải các hợp chất hydratcarbon trong tự nhiên, n h ấ t là các chất khó phân giải như cellulose, hemicellulose, pectin trong môi trường đất làm p h ân hữu cơ cho cây trồng, trong môi trường nước làm sạch môi 26

trường. Ví dụ, nếu không có vi sinh vật phân giải các hợp chất này, chắc chắn chu trìn h sẽ bị ngừng, còn nếu vi sinh v ật phân giải chậm sẽ gây ô nhiễm môi trường.

Nàng lượng ánh sáng Mặt Trời

Oxy trong không khi

CO., trong khòng khí

T h ế tiếp nhân carbon

hữu cơ Carbon hữu cơ phân tán Ti o oro ° 2 ■ - -► Trong đất I Thế phân huỷ carbon hữu cơ Nấm, vi khuẩn, nhuyễn thể, động vật chân đốt Thể sản xuát: Ihưc vàt bàc cao Carbon hưũ cỡ _trên măt đát Carbon hữũ cớ dưới đất M corthiza V ùng rễ Chất hữu cơ dạng mùn (humic) --- C a rb o n hữu cơ - . O xy --- Carbon vô cơ ( C 0 2) ---Năng iượng Mặt Trời Hình 2.3. Chu trình carbon

(Những con đường quan trọng, theo Schốnborn, 1972)

Sinh vật sản xuất C 0 2 T hự c vật Sinh vật phân huỷ Vi sin h vật Tiêu thụ năng lượng 90% Sinh vật tiêu thụ Đ ộn g vật, c o n người Dầu mỏ 4 X 109 t/nàm Nhiên liệu hoả thạch Sản xuất 10%_ công nghiệp / + / S ả n phẩm ho á hữu cơ [ 200 X 1 o6 t / n â m I Trong đó: Ị 50 X 1ũ6 t/năm plastic I 30 X 106 t/nãm dung môi 1 30 X 106 t/nãm dầu nhờn I 2 X 106 Ưnãm thuốc trừ sâu I

I 1

Hình 2.4. Mối liên quan giữa chu trình trao đổi châ't, nhiên liệu vả sản xuất công nghiệp trong tự nhỉên

Trong môi trường, chu trình tu ầ n hoàn carbon vối các quá trìn h sản x u ất công nghiệp đều liên quan đến sử dụng nãng lượng. Với sơ đồ trên hình 2.4 cho thấy, cây xanh đóng vai trò quan trọng trong chuyển hoá

năng lượng, thông qua quang hợp chuyển hoá carbon dioxid th à n h cơ chất tích lũy n ăn g lượng cho hoạt động sông của người, động v ậ t và vi sinh vật. Nêu th iếu cây xanh, quang hợp ít, sẽ dư thừa khí carbon dioxid, gây nên hiệu ứng n h à kính, ản h hưởng đến môi trường sông.

Ví sinh v ật cũng tham gia vào chu trìn h tu ầ n hoàn nitơ (hình 2.5). Chúng không nhửng tham gia vào quá trìn h các hợp ch ất chứa nitơ như quá trìn h n itra t hoá, n itrit hoá và phản n itra t hoá, mà còn cô' dịnh nitơ phân tử trong không khí th à n h đạm sinh học.

Hình 2.5. Chu trình nitơ

(Những con đường quan trọng, theo Schỏnborn, 1972)

N hững thay đổi cơ bản trong chu trìn h chuyển hoá lưu huỳnh được trìn h bày ở hình 2.6. Tuy hàm lượng của lưu huỳnh trong cơ thể sinh vật rấ t ít, nhưng nó đóng vai trò rấ t có ý nghĩa trong vòng tu ần hoàn vật chất. Vi sinh v ật r ấ t linh hoạt sử dụng lưu huỳnh. Các quá trìn h khử và oxy hoá là cơ sở cho các quá trìn h đồng hoá tổng hợp sinh khô"i của sinh vật. Các vi sinh v ật dị dưỡng sẽ oxy hoá các hợp chất khử và nguyên tô" lưu huỳnh th à n h acid sulfuric tạo nãng lượng chính cho các phản ứng trong quá trìn h sinh tổng hợp tế bào. Do vậy quá trìn h đòi hỏi phải có oxy. Ngược lại, su lfat trong điều kiện kỵ khí được sử dụng như là chất nhận điện tử do vi kh u ẩn phản sulfat cung cấp, làm tă n g lượng H2S trong môi trường kỵ khí và m ang tính đặc trư n g do m ùi thối của sản phẩm CUỐI của quá trìn h trao đổi năng lương trong điều kiộn kỵ khí. 28