Giáo trình Vi sinh vật học môi trường - Chương VIII: Tác nhân vi sinh vật trong xử lý chất thải - Lê Xuân Phương

Nội dung text: Giáo trình Vi sinh vật học môi trường - Chương VIII: Tác nhân vi sinh vật trong xử lý chất thải - Lê Xuân Phương

1. Lã Xuán Phæång VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG CHƯƠNG VIII TÁC NHÂN VI SINH VẬT TRONG XỬ LÝ CHẤT THẢI 8.1 KHÁI NIỆM VỀ CHẤT THẢI: Chất thải là sản phẩm được phát sinh trong quá trình sinh hoạt của con người, sản xuất công nghiệp, nông nghiệp, thương mại, du lịch, giao thông, sinh hoạt tại các gia dình, trường học, các khu dân cư, nhà hàng, khách sạn. Ngoài ra còn phát sinh ra trong giao thông vận tải như khí thải của các phương tiện giao thông đờng bộ, đường thuỷ Chất thải là kim loại, hoá chất và từ các loại vật liệu khác. Phế thải của sản xuất công nghiệp có thể là nguyên liệu phục vụ cho các ngành công nghiệp khác như hoá dầu phục vụ làm đường giao thông, làm ra các sản phẩm tiêu dùng. Phế thải nông thôn sinh ra trong quá trình chăn nuôi, trồng trọt. Phế thải sinh ra trong quá trình sản xuất thực phẩm được dùng làm nguyên liệu cho một số ngành khác như phế thải nhà máy bia, rượu dùng cho chăn nuôi. Tóm lại, các chất thải sinh ra có loại phải loại bỏ để tránh làm ảnh hưởng môi trường, có chất thải được dùng cho các ngành công nghệ khác (phải thông qua quá trình tái chế các sản phẩm cho xã hội theo hướng phát triển bền vững). Ví dụ : Con bò (trong quá trình phát triển) có phế thải (phân) Con bò khi mổ Da (công nghiệp Thịt (thức ăn) Xương (mỹ nghệ) thuộc da) - Quá trình sinh trưởng thải ra phân (cung cấp phân bón phục vụ trồng, làm khí gas sinh hoạt). - Da (nguyên liệu thuộc da dùng trong đời sống sinh hoạt). - Thịt (làm thức ăn, nguyên liệu công nghiệp thực phẩm). - Xương, sừng (nguyên liệu cho mỹ nghệ, thức ăn gia súc). Do đó, trong quá trình xử lý chất thải nắm vững việc phân loại chất thải để đưa ra các giải pháp công nghệ xử lý chất thải làm nguyên liệu cho các ngành sản xuất khác. Xử lý triệt để và kiểm soát chặt chẽ các sản phẩm xử lý để không gây ảnh hưởng môi trường (chất thải bệnh viện, hoá dầu 267
2. Lã Xuán Phæång VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG 8.2 PHÂN LOẠI CHẤT THẢI 8.2.1 Phân loại chất thải theo nguồn gốc phát sinh - Chất thải sinh hoạt : phát sinh hàng ngày ở các đô thị, làng mạc, khu du lịch, nhà ga, trường học, công viên - Chất thải công nghiệp: phát sinh trong quá trình sản xuất công nghiệp nặng, công nghiệp nhẹ (nhiều thành phần phức tạp, đa dạng trong đó chủ yếu các dạng rắn, lỏng, khí). - Chất thải nông nghiệp: sinh ra trong quá trình trồng trọt, chăn nuôi, chế biến nông sản trước và sau thu hoạch 8.2.2 Phân loại theo trạng thái chất thải: - Chất thải trạng thái rắn: bao gồm chất thải sinh hoạt, chất thải nhà máy chế tạo máy, xây dựng (kim loại, da, hóa chất sơn, nhựa, thuỷ tinh, vật liệu xây dựng ) - Chất thải trạng thái lỏng: phân bùn bể phốt, nước thải từ nhà máy lọc dầu, rượu bia, nước ở nhà máy sản xuất giấy và vệ sinh công nghiệp - Chất thải trạng thái khí: bao gồm khí thải các dộng cơ đôốttrong máy động lực, giao thông: ôtô, máy kéo, tàu hoả, nhà máy nhiệt điện, sản xuất vật liệu 8.2.3 Phân loại theo tính chất nguy hại - Vật phẩm nguy hại sinh ra tại các bệnh viện trong quá trình điều trị người bệnh (CÁc loại vật phẩm gây bệnh thông thường được xử lý ở chế độ nhiệt cao, từ 1.150oC trở lên; cá biệt có loại vi sinh vật gây bệnh bị tiêu diệt khi nhiệt độ xử lý lên tới 3.000oC ). - Kim loại nặng: các chất thải sinh ra trong quá trình sản xuất công nghiệp có thành phần As (asen), Pb (chì). Hg (thuỷ ngân), Cd (cadimi) là mầm mống gây bệnh ung thư cho con người. - Các chất phóng xạ: các phế thải có chất phóng xạ sinh ra quá trình xử lý giống caâ trồng, bảo quản thực phẩm, khai khoáng, năng lượng 8.3 KHÁI NIỆM VỀ XỬ LÝ CHẤT THẢI Xử lý chất thải là dùng các biện pháp kỹ thuật để xử lý các chất thải và không làm ảnh hưởng đến môi trường; tái tạo lại các sản phẩm có lợi cho xã hội nhằm phát huy hiệu qủa kinh tế. Xử lý chất thải là một công tác quyết định đến chất bảo vệ môi trường. Hiện nay, ô nhiễm môi trường và suy thoái về môi trường là một nỗi lo của nhân loại: môi trường đất bị huỷ hoại, môi trường nước bị ô nhiễm, đặc biệt môi trường không khí bị ô nhiễm nặng, nhất là những thành phố lớn tập trung đông dân cư, tài nguyên môi trường cạn kiệt. 8.3.1 Các phương pháp xử lý chất thải rắn đô thị 8.3.1.1 Phương pháp chôn lấp. Phương pháp truyền thông đơn giản nhất là chôn lấp rác. Phương pháp này chi phí thấp và được áp dụng phổ biến ở các nước đang phát triển. 268
3. Lã Xuán Phæång VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG Việc chôn lấp được thực hiện bằng cách dùng xe chuyên dùng chở rác tới các bãi đã xây dựng trước. Sau khi rác được đổ xuống, xe ủi sẽ san bằng, đầm nén trên bề mặt và đổ lên một lớp đất. Hàng ngày phun thuốc diệt ruồi và rắc vôi bột Theo thời gian, sự phaâ huỷ vi sinh vâậ làm cho rác trở nên tơi xốp và thể tích của bãi rác giảm xuống. Việc đổ rác lại tiếp tục cho đến khi bãi đầy thì chuyển sang bãi mới. Hiện nay, việc chôn lấp rác thải sinh hoạt và rác thải hữu cơ vẫn được sử dụng ở các nước đang phát triển nhưng phải tuân thủ các quy định về bảo vệ môi trường một cách nghiêm ngặt. Việc chôn lấp chất thải có xu hướng giảm dần, tiến tới chấm dứt ở các nước đang phát triển. Các bãi chôn lấp rác phải cách xa khu dân cư, không gần nguồn nước mặt và nước ngầm. Đáy của bãi rác nằm trên tầng đất sét hoăặ được phủ các lớp chống thấm bằng màng địa chất, ở các bãi chôn lấp rác cần phải thiết kế khu thu gom và xử lý nước rác trước khi thải ra môi trường. Việc thu phí gas để biến đổi thành năng lượng là một trong những khả năng vì một phần kinh phí đầu tư cho bãi rác có thể thu hồi lại. Ưu điểm của phương pháp này: - Công nghệ đơn giản, rẻ và phù hợp với nhiều loại rác thải - Chi phí cho các bãi chôn lấp thấp Nhược điểm của phương pháp này: - Chiếm diện tích đất tương đối lớn. - Không được sự đồng tình của dân cư xung quanh. - Tìm kiếm xây dựng bãi mới là việc làm rất khó khăn. - Nguy cơ dẫn đến ô nhiễm môi trường nước, khí, cháy, nổ. 8.3.1.2 Đốt rác sinh hoạt: Xử lý rác bằng phương pháp đốt là làm giảm tới mức tối thiểu chất thải cho khâu xử lý cuối cùng. Nếu sử dụng công nghệ tiên tiến còn có ý nghĩa cao để bảo vệ môi trường thì đây là phương pháp xử lý rác tốn kém nhất so với phương pháp chôn lấp rác hợp vệ sinh, chi phí để đốt một tấn rác cao hơn khoảng 10 lần. Công nghệ đốt rác thường sử dụng ở các quốc gia phát triển vì phải có một nền kinh tế đủ mạnh để bao cấp cho việc thu đốt rác sinh hoạt như là một dịch vụ phúc lợi xã hội của toàn dân. Tuy nhiên, việc thu đốt rác sinh hoạt gồm nhiều chất thải khác nhau sinh khói độc và dễ sinh ra khói độc dioxin nếu không giải quyết tốt việc xử lý khói (xử lý khói là phần đất nhất trong công nghệ đốt rác). Năng lượng phát sinh có thể tận dụng cho các lò hơi, lò sưởi hoặc cho ngành công nghiệp nhiệt và phát điện. Mỗi lò đốt phải được trang bị một hệ thống xử lý khí thải tốn kém, nhằm khống chế ô nhiễm không khí do quá trình đốt gây ra. Hiện nay, tại các nước châu Âu có xu hướng giảm việc đốt rác thải vì hàng loạt các vấn đề kinh tế cũng như môi trường cần phải giải quyết. Việc thu đốt rác thải thường chỉ áp dụng cho việc xử lý rác thải độc hại như rác thải bệnh viện hoặc rác thải công nghiệp vì các phương pháp xử lý khác không xử lý triệt để được. 269
4. Lã Xuán Phæång VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG 8.3.1.3 Một số giải pháp khác : 1. Phương pháp xử lý rác băằngcoôg nghệ Hydromex Đây là một công nghệ mới, lần đầu tiên được áp dụng tại Mỹ. Công nghệ Hydromex nhằm xử lý rác đô thị (kể cả rác độc hại) thành các sản phẩm phục vụ ngành xây dựng, vật liệu, năng lượng và sản phẩm dùng trong nông nghiệp hữu ích. Bản chất của công nghệ Hydromex là nghiền rác nhỏ sau đó polime hoá và sử dụng áp lực lớn để ép nén, định hình các sản phẩm. Rác thải của công nghệ Hydromex là nghiền rác nhỏ sau đó polime hoá và sử dụng áp lực lớn để ép nén, định hình các sản phẩm. Rác thải được thu gom (rác hỗn hợp, kể cả rác cồng kềnh) dược chuyển về nhà máy, không cần phân loại và đưa vào máy cắt nghiền nhỏ, sau đó đưa đến các thiết bị trộn bằng băng tải. Chất thải lỏng pha trộn trong bồn phản ứng, các phản ứng trung hoà và khử độc thực hiện trong bồn. Sau đó, chất thải lỏng từ bồn phản ứng được bơm vào các thiết bị trộn; chất lỏng và rác thải kết dính với nhau hơn sau khi cho thêm thành phần polime hoá vào. Sản phẩm ở dạng bột ướt được chuyển đến máy ép khuôn cho ra sản phẩm mới. Các sản phẩm này bền, an toàn về mặt môi trường. 2. Công nghệ ép kiện và cách ly rác Phương pháp ép kiện được thực hiện trên cơ sở toàn bộ rác thải được tập trung thu gom vào nhà máy. Rác được phân loại bằng thủ công trên băng tải, các chất trơ có thể tận dụng tái chế: kim loại, ny lon, giấy, thuỷ tinh, plastic được thu hồi để tái chế. Những chất còn lại được băng tải chuyền qua hệ thống ép nén rác bằng thuỷ lưự với mục đích làm giảm tối đa thể tích rác. 8.3.1.4 Phương pháp xử lý ủ rác lên men sản xuất phân hữu cơ sinh học : 8.3.1.4.1. Nguyên lý ủ phân : Ủ sinh học có thể được coi là quá trình ổn định sinh hoá các chất hữu cơ để thành các chất mùn, với thao tác sản xuất và kiểm soát một cách khoa học, tạo môi truờng tối ưu với quá trình sản xuất. Quá trình ủ được thực hiện theo hai phương pháp: * Phương pháp ủ yếm khí. * Phương pháp ủ hiếu khí (thổi khí cưỡng bức) Quá trình ủ áp dụng đối với chất hữu cơ không độc hại, hai yếu tố nhiệt độ và độ ẩm luôn được kiểm soát trong quá trình ủ, quá trình tự tạo ra nhiệt riêng nhờ sự oxi hoá các chất thối rữa. Sản phẩm cuối cùng của quá trình phân huỷ là CO2, nước và các chất hữu cơ bền vững như lignin, xenluloza, sợi 1. Nguyên lý ủ phân ở chế độ yếm khí Thực chất của quá trình ủ yếm khí là sự phân giải phức tạp gluxit, lipit và protein với sự tham gia của các vi sinh vật kỵ khí. Nguyên lý ủ phân ở chế độ yếm khí là sử dụng chủ yếu các vi sinh vật có sẵn trong tự nhiên, sử dụng lượng O2 tối thiểu trong quá trình phân huỷ. Đây là phương pháp đã được áp dụng từ lâu, các phế thải hữu cơ đươợ bổ sung thêm phân bùn và một số chế phẩm vi sinh vật phân giải hữu cơ khác, 270
5. Lã Xuán Phæång VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG sau đó được đánh thành luống hoặc đống và phủ kín. Sau 3 - 4 tháng phủ kín cộng với nhiệt độ, độ ẩm, độ xốp phế thải hữu cơ được phân huỷ thành phần hữu cơ : Rác hữu cơ (bổ sung nhiệt độ, độ ẩm, vi sinh vật) → CH4 + H2S + H20 (N, P. K) 2. Nguyên lý ủ phân ở chế độ hiếu khí Thực chất ủ phân ở chế độ hiếu khí là quá trình ủ sinh học quy mô công nghiệp. Rác tươi được chuyển về nhà máy, sau đó được chuyển vào bộ phận náp rác và được loại lấy phần rác hữu cơ. Phần rác hữu cơ này được trộn với phân người và chế phẩm EMTC, vi sinh vật phân giải xenluloza (Emuni 6). Sau đó máy xúc đưa vật liệu này vào bể ủ lên men, có chế độ thổi góp cưỡng bức nhờ hệ thống quạt gió. Thời gian ủ là 21 ngày. Nguyên lý của phương pháp là chủ yếu sử dụng các chủng vi sinh vật có sẵn trong tự nhiên, bổ sung thêm một số chế phẩm vi sinh vật phân giải mạnh xenluloza, protein, lignin Điều chỉnh nhiệt độ, độ ẩm, oxi, độ thoáng khí, pH và các chất dinh dưỡng có lợi nhất nhằm kích thích sự phát triển của hệ vi sinh vật có trong bể ủ phân huỷ các chất hữu cơ tạo thành mùn. Phế thải hữu cơ + nhiệt độ + độ ẩm + dộ thoáng khí + O2 + chất dinh dưỡng (phân người) + EM + thời gian từ 1,5 - 2 tháng = phân hữu cơ. Rác hữu cơ = O2 (nhiệt độ, độ ẩm, vi sinh vật) → H20 + CHNOS (humus) CHNOS (humus) được gọi là compost là thành phần dinh dưỡng chế độ phân rác. Tỷ lệ C/N của mùn không phản ánh tỷ lệ đó của đất hay của phân chuồng tuy nhiên nó phản ánh sự trộn chất đạm nên có nó là một chỉ số hoạt tính sinh học. Tỷ lệ C/N khi lớn hơn 1 là một chỉ số thơm. Cặn nuớc có ít cácbon và nitơ hơn mùn trong đất. 8.3.1.4.2 Các phương pháp làm phân ủ 1. Phương pháp ủ thành đống lên men có đảo trộn Đây là phương pháp cổ điển nhất: Rác được chất thành đống có chiều cao khoảng 1,5 - 2,5 m, mỗi tuần đảo trộn 2 lần. Nhiệt độ trung bình là 55oC , độ ẩm duy trì là 50 - 60%. Kết thúc quá trình ủ sau 4 tuần, 3 - 4 tuần tiếp theo không đảo trộn nữa,lúc này hoạt động của vi sinh vật sẽ chuyển hoá các chất hửu cơ thành mùn.Phương pháp này dễ thực hiện nhưng mất vệ sinh,gây ô nhiễm nguồn nước và không khí. 2.Phương pháp ủ rác thành đống không đảo trộn,có thổi khí cưỡng bức Rác được chất thành đống cao 2-2,5m.Phía dưới được lắp đặt hệ thống phân phối khí.Nhờ quá trình thổi khí cưỡng bức mà các quá trình được tiến hành nhanh hơn,nhiệt độ ổn định và ít ô nhiễm.Phương pháp này đòi hỏi trình độ công nghệ vừa phải,dễ áp dụng. 3. Phương pháp lên men trong các thiết bị chứa Phương pháp này dựa trên cơ sở của các phương pháp trên,có thể kiểm soát chặt chẽ lượng khí và nước thải sinh ra trong quá trình lên men.Người ta thường bổ sung 271
6. Lã Xuán Phæång VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG các vi sinh vật đã tuyển chọn để quá trình lên men xảy ra nhanh hơn,dễ kiểm soát hơn và ít ô nhiễm hơn. 4. Phương pháp lên men trong lò quay Rác sau khi thu gom được phân loại và đập nhỏ bằng búa rồi đưa vào lò quay nghien với độ ẩm là 50%.Trong khi quay rác được đảo trộn do vậy không cần phải thổi khí.Rác sau khi lên men được ủ chín trong vòng 20-30 ngày. 8.3.1.4.3.Các yếu tố ảnh hưởng đến tiến độ ủ và chất lượng sản phẩm : 1. Phân loại và nghiền Việc phân loại cẩn thận các chất thải là rất quan trọng để có thể đạt được một quá trình compost hoàn hảo. Việc giảm đi kích thước của nguyên liệu (bằng cách băm nhỏ hoặc sàng phaâ loại) như một hệ quả làm tăng nhanh tốc độ phân huỷ. 2. Nhiệt độ o Sự giải phóng CO2 tối đa xảy ra ở nhiệt độ 55 C. Nó bắt đầu tăng từ từ trong khoảng từ 25 đến 400oC, sau đó tăng từ 45 - 55oC. Mỗi vi sinh vật đều có nhiệt độ tối ưu để tăng trưởng. Nhiệt độ tối ưu cho quá trình ổn định sinh hoá là 40 - 55oC Nhiệt độ cao (ngưỡng treê) đối với đống ủ thì tốc độ, mức ủ sẽ nhanh. Lưu ý cần ngăn ngừa quá khô, quá lạnh ở phần nào đó của đống ủ. 3. Độ ẩm Độ ẩm tối ưu đối với quá trình ủ từ 50 - 52%. Nếu vật liệu quá không đủ độ ẩm cho sự tồn tại của vi sinh vật hoặc nếu vật liệu quá ẩm thì sẽ diễn ra quá trình lên men yếm khí, O2 không lọt vào được. 4. pH pH giảm xuống 6,5 - 5,5 trong giai đoạn tiêu huỷ ưa mát và sau đó tăng nhanh ở giai đoạn ưa ấm tới pH = 8 sau đó giảm nhẹ xuống 7,5 trong giai đoạn lạnh và trở nên già cỗi. Nếu dùng vôi để tăng pH ở giai đoạn đầu và pH sẽ tăng lên ngoài ngưỡng mong muốn làm cho nitơ ở dạng muối sẽ mất đi. 5. Độ thoáng khí và phân phối O2: Thông thường áp lưự tĩnh là 0,1 - 0,15 mm cột nước, cần tạo ra để đẩy không khí qua chiều sâu từ 2 - 2,5 m vật liệu, áp lực đó chỉ cần quạt gió là đủ chứ không cần máy nén. Các cửa cửa bể ủ sẽ đảm bảo cho làm thoáng, chỉ cần đảo cửa lò ủ mỗi ngày một lần. Đối với các vật liệu nhỏ (kích thước nhỏ hơn hoặc bằng 25mm) O2 có thể xuyên thấm vào qua cửa saâ 0,15 - 0,2 m. Sự phân phối O2 cho bể ủ là rất cần thiết bởi vi sinh vật hiếu khí cần O2, lượng O2, tiêu thụ là 4,2 g O2/1 kg rác/ngày, nghĩa là khoảng 4m3O2/1 tấn rác/ngày. Nhu 272
7. Lã Xuán Phæång VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG cầu O2 tiêu thụ rất lớn trong những ngày đầu của quá trình compost và rồi giảm dần. Sự sản sinh CO2 luôn tương đương với lượng CO2 tiêu thụ. Quá trình kỵ khí bắt đầu khi tỷ lệ O2 trong các bể ủ nhỏ hơn 10%, sau đó khí metan CH4 xuất hiện. Quá trình kỵ khí đặc biệt quan trọng khi tỷ lệ O2 dưới 5%. Cần có một quá trình sục khí mạnh để hỗ trợ cho vi sinh vật háo khí và sự phân huỷ tối ưu. Tỷ lệ O2 tiêu thụ không ổn định, phụ thuộc vào nhiệt độ, sự thay đổi trong thành phần và mức độ ủ chín của phân compost và kích thước nguyên liệu. 6. Tỷ lệ C/N, N/P: Tương quang C/N bị làm nhỏ dần cho đến khi tỷ lệ nitơ cố định và nitơ khoáng hoá như nhau. Sau một quá trình dài, tỷ lệ C/N của phần còn lại sẽ bằng với tỷ lệ của vi sinh vật. Quá trình này cần có thời gian, nếu ngay từ đầu, tỷ lệ C/N thấp, sự khoáng hoá nitơ thu được từ sự cố định. Tỷ lệ C/N cao có thể làm mất nitơ bởi amoniac NH3. Tỷ lệ N/P trong một tế bào được đặt trong khoảng từ 5 đến 20. Nếu tỷ lệ N/P của phần còn lại cao hơn tỷ lệ của những tế bào vi sinh vật thì cần bổ sung một lượng photphat trên tỷ lệ 100 phần nguyên liệu hữu cơ. Ưu thế trong tỷ lệ N/P khiến cho sự phân huỷ cao, giải phóng một lượng nhỏ O2 và một lượng lớn hơn được sản sinh. 7. Tổn thất nitơ trong quá trình ủ và sự bảo tồn nitơ: Nghiên cứu phân tích nitơ trong tất cả các giai đoạn ủ, từ lúc đưa vật liệu thô vào cho thấy rằng nitrat, nitrit có mặt ở tất cả các mẫu; mẫu rác tươi mới, có trong lớp váng của bể phân huỷ thí nghiệm. Nitrat, nitrit hoàn toàn không có trong các mẫu lấy ở dưới sau 70 giờ ở bể phân huỷ thí nghiệm. Điều này chứng tỏ rằng nitrat, nitri bị sử dụng trong quá trình sinh hoá với tốc độ lớn hơn là tốc độ hình thành chúng. Sự bảo tồn nitơ có thể sử dụng các kỹ thuật mới về quản lý và lọc sinh học không khí có thể thu được tới 95% mức thất thoát 50% nitơ dưới dạng khí trong quá trình ủ compost, làm cho quy trình ủ compost có kiểm soát bằng lọc sinh học trở thành kỹ thuật bảo tồn nitơ hiệu quả nhất. Phân compost trong bể lọc sinh học dùng làm chất gom nitơ, tạo ra các kỹ thuật mới có sử dụng bộ lọc sinh học như một bộ phận của quy trình xử lý làm phân compost. 8. Bảo vệ nước ngầm và nước mặt Ủ compost có kiểm soát được đặc trưng bằng các phương thức quản lý sao cho ngăn ngừa được nước rò rĩ bảo hoà dinh dưỡng trong dòng chảy thải ra từ cơ sở chế biến, có thể gây ô nhiễm nước ngầm và nước mặt. Có thể sử dụng một số biện pháp để ngăn ngừa nước rò rĩ. Các toà nhà và mái che các luồng ủ thông gió (ủ chín) Bề mặt nền đổ bê tông hay xi măng đất (tránh dùng nhựa đường vì khi gặp nhiệt độ từ phân compost dễ bị chảy và đứt gãy). Thu gom nước mưa và các bể lắng bên ngoài các luồng ủ chín. 273
8. Lã Xuán Phæång VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG Dùng vải che các đống ủ để không khí có thể thoát ra ngoài, ngăn được nước mưa. 8.3.1.4.4. Cơ chế phân huỷ rác thành phân hữu cơ 1. Thành phần các vi sinh vật trong đống ủ Quá trình compost là một quá trình oxi hoá hoá - sinh các chất hữu cơ do các loại vi sinh vật khác nhau. Những vi sinh vật phát triển theo cấp số nhân, đầu tiên là chậm và sau nhanh hơn. Thành phần các vi sinh vật có trong đống ủ làm phân compost bao gồm các chủng giống vi sinh vật phân huỷ, xenluloza, vi sinh vật phân giải protein, vi sinh vật phân giải tinh bột, vi sinh vật phân giải phosphat. a. Vi sinh vật phân giải xenluloza Trong thiên nhiên có nhiều nhóm vi sinh vật có khả năng phân huỷ xenluloza nhờ có hệ enzym xenluloza ngoại bào. Trong đó vi nấm là nhóm có khả năng phân giải mạnh vì nó tiết ra môi trường một lượng lớn enzym có đầy đủ các thành phần. Nấm mốc có hoạt tính phân giải xenluloza, đáng chú ý là Tricoderma. Hầu hết các loài thuộc chi Tricoderma sống hoại sinh trong đất, rác và có khả năng phân huỷ xenluloza. Trong nhóm vi nấm ngoài Tricoderma còn có rất nhiều giống khác có khả năng phân giải xenluloza như Aspergillus, Fusarium, Mucor Nhiều loài vi khuẩn cũng có khả năng phân huỷ xenluloza, tuy nhiên cường độ không mạnh bằng vi nấm. Nguyên nhân là do số lượng enzym tiết ra môi trường của vi khuẩn thường nhỏ hơn, thành phần các loại enzym không đầy đủ. Thường ở trong đống ủ rác có ít loài vi khuẩn có khả năng tiết ra đầy đủ bốn loại enzym trong hệ enzym xenluloza. Nhóm này tiết ra một loại enzym, nhóm khác tiết ra loại khác, chúng phối hợp với nhau để phân giản cơ chất trong mối quan hệ hỗ sinh. Nhóm vi khuẩn hiếu khí bao gồm: Clostridium và đặc biệt là nhóm vi khuẩn sống trong dạ cỏ của động vật nhai lại. Chính nhờ nhóm vi khuẩn này mà trâu bò có thể sử dụng được xenluloza trong cỏ, rơm rạ làm thức ăn. Đó là những cầu khuẩn thuộc chi Ruminococcus có khả năng phân huỷ xenluloza thành đường và các axit hữu cơ. Ngoài vi nấm và vi khuẩn, xạ khuẩn và niêm vi khuẩn cũng có khả năng phaâ huỷ xenluloza. Người ta thường sử dụng xạ khuẩn, đặc biệt là chi Streptomyces trong việc phân huỷ rác thải sinh hoạt. Những xạ khuẩn này thường thuộc nhóm ưa nóng, sinh trưởng và phát triển tốt nhất ở nhiệt độ 45 - 5000C rất thích hợp với quá trình ủ rác thải. b. Vi sinh vật phân giải protein Trong môi trường rác ủ đống, nitơ tồn tại ở các dạng khác nhau, từ nitơ phân giải ở dạng khí cho đến các hợp chất hữu cơ phức tạp có trong cơ thể động, thực vật và con người. Trong cơ thể sinh vật, nitơ tồn tại chủ yếu dưới dạng các hợp chất đạm như protein, axit amin. Khi cơ thể sinh vật chết đi, lượng nitơ này hữu cơ này tồn tại trong đất (rác). Dưới tác dụng của các nhóm vi sinh vật hoại sinh, protein được phân giải thành các axit amin. Các axit amin này lại được một nhóm vi sinh vật phân giải thành + NH3 hoặc NH4 gọi là nhóm vi khuẩn amin hoá. Quá trình này gọi là sự khoáng hoá 274
9. Lã Xuán Phæång VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG + chất hữu cơ vì qua đó, nitơ hữu cơ được chuyển thành dạng nitơ khoáng. Dạng NH4 - sẽ được chuyển hoá thành dạng NO3 nhờ nhóm vi khuẩn nitrat hoá. Các hợp chất nitrat lại được chuyển hoá thành dạng N2 phân tử, quá trình này gọi là sự nitrat hoá được thực hiện bởi nhóm phân tích nitrat. Khí N2 sẽ được cố định lại trong tế bào vi khuẩn và tế bào thực vật, sau đó chuyển thành dạng N2 hữu cơ nhờ nhóm vi khuẩn cố định N2. Do đó vòng tuần hoàn N2 khép kín. Trong hầu hết các khâu chuyển hoá của vòng tuần hoàn đều có sự tham gia của các vi sinh vật khác nhau. Nếu sự hoạt động của một nhóm nào đó ngừng lại thì toàn bộ sự chuyển hoá của vòng tuần hoàn sẽ bị ảnh hưởng nghiêm trọng. Trong quá trình compost, nhóm vi khuẩn chính phân giải protein là vi khuẩn nitrat hoá, vi khuẩn cố định nitơ. Nhóm vi sinh vật tiến hành nitrat hoá bao gồm hai nhóm tiến hành hai giai đoạn + - của quá trình. Giai đoạn oxi hoá NH4 thành NO2 gọi là nitrit hoá, giai đoạn oxi hoá - - NO2 thành NO3 gọi là giai đoạn nitrat hoá. Nhóm vi khuẩn nitrit hoá bao gồm bốn chi khác nhau: Nitrozomonas, Nitrozocystic, Nitrozolobus và Nitrosospira, chúng đều thuộc loại tự dưỡng bắt buộc, không có khả năng sống trên môi trường thạch, bởi vậy phân lập chúng rất khó, phải dùng silicagen thay cho thạch. Nhóm vi khuẩn này 6 nhóm tự dưỡng hoá năng có khả + năng oxi hoá NH4 bằng O2 không khí và tạo ra năng lượng: + - + NH4 + 3/2O2 → NO2 + H2O + 2H + năng lượng - - Nhóm vi khuẩn nitrat hoá tiến hành oxi hoá NO2 thành NO3 bao gồm ba chi khác nhau: Nitrobacter, Nitrospira và Nitrococcus. - - Quá trình oxi hoá NO2 thành NO3 được thực hiện bởi nhóm vi khuẩn nitrat hoá. - Chúng cũng là những vi sinh vật tự dưỡng hoá năng có khả năng oxi hoá NO2 tạo thành năng lượng. Năng lượng này được dùng để đồng hoá CO2 tạo thành đường. - - NO2 + O2 → NO3 + năng lượng Nhóm vi khuẩn cố định nitơ có trong môi trường rác ủ là các nhóm: Azotobacter - là một loại vi khuẩn hiếu khí, không sinh bào tử, có khả năng cố định nitơ phân tử, sống tự do trong đất (rác). Clostridium là một loại vi khuẩn kỵ khí sống tự do trong rác, có khả năng hình thành bào tử, loại phổ biến nhất là Clostridium pastenisium có hình que ngắn, khi còn non có khả naăg di động bởi tiên mao. Khi già mất khả năng di động. Khi hình thành bào tử thường có hình con thoi do bào tử hình thành lớn hơn kích thước tế bào. Clostridium có khả năng đồng hoá nhiều nguồn cacbon khác nhau như các loại đường, rượu, tinh bột Nó thuộc loại kỵ khí nên các sản phẩm trao đổi chất của nó là các axit hữu coe, butanol, etanol, axeton, đó là các sản phẩm chưa được oxi hoá hoàn toàn. c. Vi sinh vật phân giải tinh bột Trong rác bể ủ có nhiều loại vi sinh vật có khả năng phân giải tinh bột. Một số vi sinh vật có khả năng tiết ra môi trường đầy đủ các loại enzym trong hệ enzym amilaza. Ví dụ như một số vi nấm bao gồm một số loại trong các chi Aspergillus, Fusarium, 275
10. Lã Xuán Phæång VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG Rhizopus. Trong nhóm vi khuẩn có một số loài thuộc chi Bacillus, Cytophaza, Pseudomonas Xạ khuẩn cũng có một số các chi Aspergillus, Fusarium, Rhizopus. Trong nhóm vi khuẩn có một số loài thuộc chi Bacillus, Cytophaza, Pseudomonas Xạ khuẩn cũng có một số chi có khả năng phân huỷ tinh bột. Đa số các vi sinh vật không có khả năng tiết đầy đủ hệ enzym amilaza phân huỷ tinh bột. Chúng chỉ có thể tiết ra môi trường một hoặc một vài men trong hệ đó. Ví dụ như các loài Apergillus candidus, Pasteurianum, Bacillus sublitis, B. Mesenterices, Clostridium, A. Oryzae chỉ có khả năng tiết ra môi trường một loại enzym α - amilaza. Các loài Aspergillus oryzae. Clostrinium acetobuliticum chỉ tiết ra môi trường α - amiolaza. Một số loài khác chỉ có khả năng tiết ra môi trường enzym gluco amilaza. Các nhóm này cộng tác với nhau trong quá trình phân huỷ tinh bột thành đường. Trong sản xuất người ta thường sử dụng các nhóm vi sinh vật có khả năng phân huỷ tinh bột. Ví dụ trong chế biến rác thải hữu cơ người ta cũng sử dụng những chủng vi sinh vật có khả năng phân huỷ tinh bột để phân huỷ tinh bột có trong thành phần rác hữu cơ. d. Vi sinh vật phân giải phosphat Trong rác ủ, phospho tồn tại ở nhiều dạng hợp chất khác nhau. Phospho được tích luỹ trong rác khi động thực vật chết đi, những hợp chất phospho hữu cơ này được vi sinh vật phân giải tạo thành các hợp chất phospho vô cơ khó tan. Do đó phospho tồn tại ở hai dạng: phospho hữu cơ và phospho vô cơ. Vi sinh vật phân giải lân hữu cơ chủ yếu thuộc hai chi: Bacillus và Pseudomonas. Các loài có khả năng phân giải mạnh là B. Megatherium, B. Mycoides và Pseudomonas sp. Ngày nay người ta đã phát hiện ra một số xạ khuẩn và vi nấm cũng có khả năng phân giải phospho hữu cơ. Vi sinh vật phân giải lân vô cơ bao gồm các loại vi khuẩn có khả năng phân giải mạnh là Bacillus megatherium, B.butyricus, B.mycoides. Pseudomonas radiobacter P.gracilis Trong nhóm vi nấm thì Aspergillus niger có khả năng phân giải mạnh nhất. Ngoài ra một số xạ khuẩn cũng có khả năng phân giải lân vô cơ. 2. Sự hoạt động của các vi sinh vật trong đống ủ Các quá trình sinh hoá diễn ra trong đống ủ rác chủ yếu do hoạt động của các vi sinh vật sử dụng các hợp chất hữu cơ làm nguồn dinh dưỡng cho các hoạt động sống của chúng. Các loại vi khuẩn và nấm đóng vai trò quan trọng trong quá trình phân giải các hợp chất. Các loại vi sinh vật phát triển tốt trong các điều kiện môi trường được xác định như bảng 8.1 Bảng 8.1. Các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến vi sinh vật Yếu tố môi trường Khoảng xác định Nhiệt độ, 0C 0 - 70 Nồng độ muối, % NaCl 0 - 3 pH 1,0 - 1,2 Nồng độ oxi, % 0 - 21 Áp suất, mPa 0 - 115 Ánh sáng Bóng tối, ánh sáng mạnh 276
11. Lã Xuán Phæång VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG Các vi sinh vật tham gia vào quá trình phân giải tại các đống ủ rác được chia thành ba nhóm chủ yếu sau: - Các vi sinh vật ưa ẩm: phát triển mạnh ở nhiệt độ 0 - 200C. - Các vi sinh vật ưa ấm: phát triển mạnh ở nhiệt độ 20 - 400C. - Các vi sinh vật ưa nóng: phát triển mạnh ở nhiệt độ 40 - 700C. Sự phát triển của các loại vi sinh vật theo nhiệt độ được thể hiện theo đồ thị sau: Thời kỳ đầu của quá trình ủ rác, quá trình hiếu khí được diễn ra, giai đoạn này các chất hữu cơ dễ bị oxi hoá sinh hoá thành dạng đơn giản như protein, tinh bột, chất béo các một lượng nhất định chất xenluloza. Trong quá trình này, các vi sinh vật tiếp nhận một lượng năng lượng rất lớn và vì thế có tồn tại một lượng năng lượng đáng kể ở dạng nhiệt. Lượng năng lượng nhiệt được tạo thành bên trong lòng đống ủ được tạo ra nhiều hơn so với lượng nhiệt được thoát ra bên ngoài và do đó nhiệt độ bên trong các đống bể ủ được tăng lên. Giá trị nhiệt độ tăng tới 60 - 700C, kéo dài trong thời gian khoảng 30 ngày. Ở khoảng nhiệt độ này, các phản ứng hoá học diễn ra sẽ trội hơn các phản ứng vi sinh vật bởi vì hầu hết chủng vi sinh vật không phát triển được ở nhiệt độ 700C. Trong quá trình phân huỷ hiếu khí, các polime ở dạng đa phân tử được vi sinh vật chuyển hoá sang dạng đơn phân tử và tồn tại ở dạng tự do. Các polime đơn phân tử sau đó lại được vi sinh vật hấp thụ, sử dụng trong việc tiếp nhận năng lượng để kiến tạo nên tế bào mới. Khi O2 bị các vi sinh vật hiếu khí tiêu thụ dần thì các vi sinh vật yếm khí bắt đầu xuất hiện và nhiều quá trình lên men khác được bắt đầu diễn ra trong đống ủ. Các vi sinh vật tham gia vào quá trình lên men là nhóm vi sinh vật dị dưỡng trong điều kiện cả yếm khí lẫn kỵ khí nghiêm ngặt. Các chất hữu cơ dạng đơn giản, các axit amin, đường được chuyển hoá thành các axit béo dễ bay hơi, rượu, CO2 và N2. Các axit béo dễ bay hơi, rượu sau đó lại được chuyển hoá tiếp tục với sự tham gia của các vi sinh vật axeton và các vi sinh vật khử sunfat. Các vi sinh vật axeton tạo ra các axit axetic, khí CO2 còn các vi khuẩn thì chỉ tạo ra khí N2 và khí CO2. Các chất này là nguồn nguyên liệu ban đầu của quá trình metan hoá. Các vi khuẩn tạo sunfat và vi khuẩn tạo metan là những vi khuẩn thuộc nhóm tạo vi sinh vật kỵ khí bắt buộc. Có hai nhóm vi sinh vật chủ yếu tham gia vào quá trình tạo metan, phần lớn là nhóm các vi sinh vật tạo metan từ khí N2 và khí CO2, phần nhỏ (gồm 2 đến 3 chủng loài) là những vi sinh vật tạo metan từ axit axetic. Trong tổng lượng khí metan tạo thành từ đống ủ thì có tới 70% được tạo thành từ axit axetic. Nếu như có tồn tại nhiều sunfat trong các đống ủ thì các vi khuẩn khử sunfat sẽ mang tính trội hơn vi khuẩn metan và như vậy sẽ không có khí metan tạo thành nếu sunfat vẫn tồn tại. Trong quá trình chuyển hoá yếm khí và kỵ khí, nhiệt độ của các đống ủ giảm xuống vì các chủng loại vi sinh vật ở giai đoạn này tạo ra ít nhiệt lượng hơn nhiều so với quá trình chuyển hoá hiếu khí (chỉ bằng 7% so với quá trình hiếu khí). Nếu nồng độ của các axit hữu cơ, axit béo dễ bay hơi tạo ra càng nhiều thì trong nước rác sẽ có pH thấp (4 - 5) và có nồng độ COD, BOD5 cao. Như vậy, rác hữu cơ tại các đống ủ được phân huỷ theo nhiều giai đoạn chuyển hoá sinh học khác nhau để tạ ra sản phẩm cuối cùng là mùn hữu cơ để làm phân compost. 277
12. Lã Xuán Phæång VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG 3. Lựa chọn các chủng giống vi sinh vật xử lý rác thải làm phân Tình trạng phổ biến hiện nay tại các cơ sở chế biến rác là ủ rác tự nhiên với các vi sinh vật có sẵn trong rác. Điều này dẫn đến một số hạn chế nhất định trong quá trình xử lý, thời gian ủ kéo dài, chất lượng phân thành phẩm không cao khi tạo được điều kiện thuận lợi (nhiệt độ, độ ẩm, pH ) thì không phải chỉ các vi sinh vật có lợi phát triển mà cả các vi sinh vật có hại cũng phát triển, sinh độc tố làm hại cây trồng và ô nhiễm đất. Chính vì vậy, việc tuyển chọn các vi sinh vật hữu hiệu để bổ sung vào đống ủ thực sự cần thiết. Tuy nhiên để có thể tuyển chọn được chủng giống vi sinh vật hữu hiệu cần phải dựa trên những nguyên tắc sau: - Phải có hoạt tính sinh học cao như khả năng phân giải xenlulozavà các hợp chất cao phân tử khác. - Phải sinh trưởng mạnh trong điều kiện đống ủ lấn át các vi sinh vật khác. - Các tác dụng cải tạo đất tốt, tức là phát huy các khả năng sau khi đã bón vào đất. - Không độc hại cho người, vật nuôi, cây trồng và các vi sinh vật hữu ích trong vùng rễ. - Có khả năng sinh trưởng mạnh trên môi trường đơn giản, dễ kiếm, thuận lợi cho quá trình sản xuất chế phẩm. Các vi sinh vật có các đặc điểm trên đây khi được bổ sung vào rác ủ vẫn có thể thực hiện chức năng, do đó có thể nâng cao sản lượng mùn mà không ảnh hưởng tới môi trường sống. Có thể bổ sung vào đống ủ một số nhóm vi sinh vật hữu hiệu sau: * Xạ khuẩn Các chủng xạ khuẩn có khả năng phân giải nhanh các hợp chất cao phân tử trong rác. Trong đó hoạt tính phân giải các hợp chất ligno, xenluloza (là hợp chất rất khó bị phân huỷ bởi đa số vi sinh vật) nổi bật hơn cả. Ngoài ra còn có khả năng sinh các chất kích thích sinh trưởng thực vật (gibberellin, axit indolaxetic ). Vì vậy, trong đất xạ khuẩn có khả năng phát huy tác dụng với cây trồng. Nhờ khả năng chịu nhiệt độ cao mà xạ khuẩn có thể sinh trưởng và hoạt động mạnh mẽ trong đóng ủ thực tế. * Vi khuẩn - Vi khuẩn phân giải xenluloza: có khả năng sinh trường ở nhiệt độ cao, bên cạnh hoạt tính phân giải hợp chất ligno - xenluloza còn sinh nhiều enzym ngoại bào phân huỷ các cao phân tử khác như protein, tinh bột. Ưu điểm của những vi khuẩn chịu nhiệt này là sinh trưởng khá nhanh do đó có thể lấn át các nhóm vi sinh vật không hữu ích khác. - Vi khuẩn sinh chất kích thích sinh trưởng thực vật: gồm các vi sinh vật mà trong quá trình trao đổi chất có khả năng tổng hợp các hormon thực vật như gibberelin, axit indolaxetic, xifokinin. Các chủng vi khuẩn này thường được bổ sung vào giai đoạn cuối của quá trình sản xuất sản phân ủ và phát huy tác dụng khi được bổ sung vào đất trồng trọt. 278
13. Lã Xuán Phæång VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG - Vi khuẩn lactic: sản sinh axit axetic từ đường và một số hydrocacbon khác được sinh ra nhờ hoạt động của một số vi sinh vật phân huỷ xenluloza, tinh bột. Ngược lại vi khuẩn lactic lại có tác dụng tăng cường sự phân huỷ của các chất như lignin, xenluloza, sự sinh trưởng của vi khuẩn lactic không gây trở ngại đến quá trình phân huỷ các chất hữu cơ. Trong quá trình trao đổi chất, vi khuẩn có sản sinh ra axit lactic, có khả năng ức chế các vi sinh vật gây hại. * Vi nấm - Các chủng vi nấm sử dụng trong chế phẩm có dải nhiệt độ cho sinh trưởng khá rộng. Chủ yếu hoạt động của vi nấm diễn ra mạnh ở giai đoạn ủ hiếu khí. - Vi nấm phân giải xenluloza: ngoài khả năng phân giải xenluloza còn có thể sinh ra một số enzym ngoại bào khác như proteaza, amilaza. Hoạt động của chủng này phân huỷ nhanh chóng các chất hữu cơ tạo ra các sản phẩm làm cơ chất cho các vi sinh vật hữu ích khác phát triển. - Vi nấm phân giải phosphat: rất cần trong quá trình biến đổi các phosphat khó tan thành dạng cây dễ thụ, nâng cao chất lượng phân thành phẩm. Thực tế cho thấy công nghệ mới có sử dụng các vi sinh vật hữu hiệu và tuyển chọn cho năng suất và chất lượng cao hơn so với quá trình mà chương trình phát triển của Liên hợp quốc khuyến cáo. Thời gian ủ từ 2 - 2,5 tháng giảm xuống còn 25 - 30 ngày. Năng suất mùn rác của bể là 130m3 từ 25 tấn đến 30 - 35 tấn. Phân ủ bằng vi sinh vật không có mùi hôi, không ủ rác, hạn chế tối đa ruồi muỗi. Giai đoạn xử lí 1 Giai đoạn xử lí 2 Nước sạch Nước bẩn Bể lắng Bể xục khí Loại bỏ hạt Bùn non rắn không tan CH 4 Bể khí Nước sử dụng lại Tiêu thụ nhiệt Bể phân huỷ Làm khô Hình 8.1 Sơ đồ công nghệ xử lí phân giải yếm khí phế thải 279
14. Lã Xuán Phæång VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG 8.3.2. Xử lý sinh học phế thải sinh hoạt Cho đến nay phế thải hoạt động sống của con người đều được xử lí một cách tự nhiên nhờ vi sinh vật. Đại thể quá trình này gồm một số giai đoạn sau: 1) Loại bỏ phần rắn, tủa và cặn; 2) Phân huỷ các chất hữu cơ tan trong nước nhờ vi khuẩn hiếu khí để tạo ra bùn non (hay còn gọi là bùn hoạt tính). Bùn non sau đó bị loại bỏ hoặc đưa vào bể phản ứng để tái sử dụng; 3) Tạo tủa và tách P và N (giai đoạn này đôi khi không cần thiết); 4) Xử lý bùn tạo ra ở giai đoạn 1 và 2 bằng phân huỷ yếm khí. Quá trình này làm giảm thể tích cặn, số lượng vi sinh vật gây bệnh, làm mất mùi khó chịu và tạo ra còn gọi là biogas (hình 8.1) 8.3.2.1. Xử lí sinh học hiếu khí đối với phế thải: Bản chất của nó là quá trình xử lý phân giải sinh học phế thải có sự hiện diện của oxy. Quá trình này bao gồm một số công đoạn sau: 1) Hấp thụ chất xử lí lên bề mặt tế bào; 2) Phân huỷ các chất trên bằng enzyme ngoại bào; 3) Hấp thụ các chất tan vào bên trong tế bào ; 4)Giải phóng sản phẩm; 5) Xử lí tiếp bằng nhóm vi sinh vật khác. Cụ thể trong vấn đề này có ba công nghệ xử lí sinh học vẫn thường được sử dụng, đó là công nghệ xử lí qua màng lọc thẩm thấu, xử lí nhờ bùn hoạt tính (bùn non) và xử lí bằng "lớp nén giả". 1) Xử lý nhờ màng lọc thẩm thấu: Công nghệ xử lí này đã được biết từ lâu và hiện chiếm khoảng 70% số lượng các hệ thống xử lí làm sạch ở Châu Âu và Mĩ. Ưu điểm: Là thiết kế đơn giản, không tốn kém, thời gian sử dụng lâu tới 30 - 50 năm. Nhược điểm cơ bản là hệ thống xử lý cho phép quá nhiều vi sinh vật phát triển trong đó, điều này làm giảm độ thông khí, cản dòng chảy, dẫn đến làm tắc và làm hỏng bộ lọc. Sau này người ta đã cải tiến đưa vào sử dụng bộ lọc hai lớp, cho phép thay phiên nhau sử dụng theo chu kì thời gian. Kiểu lọc này rất phù hợp cho việc xử lý nước thải công nghiệp. Từ những năm 70 người ta bắt đầu thay thế bộ lọc thấm cấu tạo từ clinke, đá sỏi, cát bằng bộ lọc thấm bằng nhựa, cho phép xử lí nước thải công nghiệp có nồng độ cao hơn. Ngoài ra, có thể thiết kế bộ lọc có chiều cao lớn hơn bằng nhựa dẻo, như vậy tăng được công suất hoạt động của hệ thông xử lí lên khá nhiều. Thay đổi lớn nhất được thực hiện vào năm 1973 cùng với việc đưa vào sử dụng hệ thông xử lí quay (rotary reactor). Thiết bị này có hình dáng tổ ong bằng nhựa xoay được. Điều này cho phép nó luôn thay đổi vị trí, lúc ngâm trong nước, lúc nằm trong không khí. Nhờ vậy tăng được diện tích tiếp xúc với không khí, làm cho quá trình thông khí xảy ra nhanh hơn nhiều. Thường bộ lọc thấm chỉ gồm màng nước mỏng nằm phía bên trên lớp bùn non dày chứa nhiều loại vi khuẩn (trong đó có Zoogloea) nấm và tảo. Trong số các loài tảo thấy có mặt tảo lam Cyanophyceae và Chlorophyceae. Ngoài ra còn khá nhiều các đại diện của nhóm động vật Metazoa (trong đó có giun đất, sâu bọ và giáp xác). Ruồi và giun có tác dụng điều hoà sự tạo màng. 280
15. Lã Xuán Phæång VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG 2) Xử lý bằng bùn hoạt tính (bùn non): Công nghệ xử lí phế thải bằng bùn hoạt tính có công suất lớn hơn nhiều so với xử lí bằng bộ lọc thấm. Tuy nhiên nó cũng có một số nhược điểm sau : do cường độ sử dụng lớn, nên mức tiêu thụ năng lượng để khuấy trộn không khí cũng như số lượng sinh khối được tạo ra lớn hơn. Công nghệ này rất thích hợp để xử lí phế thải cho các điểm dân cư đông đúc, vì nó chiếm it diện tích hơn so với hệ thống xử lí theo công nghệ lọc thấm. Bể chứa bùn non Phế thải Bộ khử Bùn tái sử dụng hơi chân không Bể cân bằng Bọt nổi Không khí Nước sạch Bơm nén Bể lắng Hình 8.2 Hệ thống xử lý phế thải sử dụng bùn non Thực tế có khá nhiều kiểu hệ thống xử lí theo công nghệ này. Thiết kế của chúng khác nhau tuỳ thuộc vào hệ số thông khí và cách thức cung cấp khí Bùn non trong hệ thống xử lí này chứa nhiều nước hơn so với bùn non trong bộ lọc thấm, vì vậy chứa ít chủng loại vi sinh vật hơn. Để tiện việc xử lí đạt kết quả, việc xác định thành phần và nồng độ chất trong phế thải là vấn đề quan trọng bậc nhất nhằm tạo điều kiện cho việc sử dụng nhóm vi sinh vật xử lí phù hợp. Trong thực tế có nhiều nhóm vi sinh vật tham gia quá trình xử lí, quan trọng nhất là các nhóm vi khuẩn tự dưỡng chất hữu cơ như : Achromobacter, Flavobacterium, Pseudomonas và Moraxella. Trong trường hợp nước thải có hàm lượng chất vô cơ cao, thì người ta lại thấy có mặt các loại vi khuẩn như: Thiobacillus, Nitrosomonas, Nitrobacter và Ferrobacillus, chịu trách nhiệm oxy hoá S, NH3 và Fe. Do bản chất của sự phân huỷ nói trên rất đa dạng, nên khái niệm phân huỷ sinh học cũng bao gồm nhiều nội dụng và cũng rất đa dạng. Tuy nhiên, bản chất của chúng thể hiện trong ba nội dung sau: 1) Phân huỷ sơ cấp làm thay đổi bản chất hoá học của các chất cần xử lí; 2) Phân huỷ sinh học sơ cấp tuy chỉ gây biến đổi không đáng kể, nhưng nó lại làm thay đổi tính chất của chất cần xử lí; 3) Phân huỷ sinh học triệt để biến phế thải hữu cơ cần xử lí, thành sản phẩm vô cơ. 281
16. Lã Xuán Phæång VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG 3) Xử lí phế thải bằng "lớp nén giả": Công nghệ sử dụng "lớp nén giả' để xử lí phế thải bắt đầu được áp dụng từ những năm 80. Nó được coi như là sự kết hợp giữa hai kiểu xử lí, xử lí bằng lớp lọc thấm và bằng bùn non. Trong thực tế có hai kiểu hệ thống xử lí bằng "lớp nén giả". a. Hệ thống bẫy Simore Hartley: Hệ thống này do Viện công nghệ thuộc Trường tổng hợp Massachusetts (Mỹ) thiết kế. Trong thiết bị này, sinh khối được tích luỹ trên tấm chắn bằng polyester xốp nằm bên trong thiết bị xử lí. Các tấm chắn này theo chu kỳ sẽ lần lượt đẩy ra ngoài một lượng sinh khối khá lớn, tới khoảng 15kg/m3 chất mang. Sau khi giải phóng sinh khối bằng cách nén ép chúng, các tấm chắn này lại quay ngược trở lại vào bên trong thiết bị và bắt đầu công việc lại từ đầu. b. Bể oxy hóa Dor Oliver: Trong thiết bị xử lí này người ta sử dụng chất lót bên dưới là cát và theo chu kỳ nó được đưa ra ngoài được tẩy sạch và tái sử dụng. 8.3.2.2.Xử lý sinh học yếm khí đối với phế thải : Trong quá trình xử lí phế thải yếm khí (lên men tạo khí methane). Có ba nhóm vi khuẩn tham gia vào quá trình: 1) Nhóm vi khuẩn chịu trách nhiệm thủy giải và lên men; 2) Nhóm vi khuẩn tạo H2 và acetic acid; 3) Nhóm vi khuẩn tạo khí methane tự dưỡng sử dụng H2. Để nâng cao năng suất của quá trình lên men, hiện người ta vẫn tiếp tục hoàn thiện các loại giống, chủng, vi khuẩn lên men yếm khí bằng biện pháp chọn lọc tự nhiên hoặc nhờ phương pháp công nghệ di truyền. Đặc biệt về mặt công nghệ người ta cần phải chú ý khắc phục các yếu tố giới hạn tốc độ phân huỷ cơ chất có mặt trong phế thải như cellulose, tinh bột , và tốc độ tạo khí methane. Cần lưu ý là một số sản phẩm cuối của quá trình lên men như H2, CO2 và H2S, thường có tác động ức chế ngược làm giảm hoạt tính hoạt động của vi khuẩn tạo khí methane. 1. Hệ thống xử lý yếm khí: Trong thực tế có rất nhiều kiểu thiết bị lên men yếm khí. Từ những dạng cấu tạo đơn giản hoàn toàn thủ công, cho đến các hệ thống xử lí có cấu tạo khá phức tạo hiện đang hoạt động ở một số nước phát triển. ở Việt Nam các ứng dụng xử lí yếm khí tạo biogas đã được bắt đầu từ những năm 80. Dưới đây là hai kiểu thiết bị lên men yếm khí tương đối điển hình và đang được sử dụng khá rộng rãi . 282
17. Lã Xuán Phæång VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG 2. Kiểm soát sinh học các hệ xử lý: Điều kiện tiên quyết để ổn định quá trình phân huỷ yếm khí nước thải là sự theo dõi thường xuyên các tác động có thể có của độc chất có mặt trong dòng nước thải đi vào hệ thống xử lý. Điều này cần thiết nhằm mục đích sao cho thiết bị không bị quá tải, dẫn đến làm giảm tuổi thọ của nó. Thông thường người ta theo dõi theo nhu cầu sử dụng oxy, độ pH và hàm lượng ATP của quần thể vi sinh vật và dựa vào các thông số này để kiểm soát và điều hòa quá trình lên men yếm khí. Trong đó việc theo dõi biến thiên hàm lượng ATP là quan trọng nhất. Thông thường để đánh giá khả năng hoạt động của hệ xử lý người ta tiến hành xác định sự biến thiên của hàm lượng ATP nội bào. Đồ thị nhận được cho ta thấy rằng, khi trong dòng dịch đi vào có mặt chất độc, thì hàm lượng của ATP, số lượng bùn hoạt tính được tạo thành và số lượng hạt rắn trong huyền phù đều giảm mạnh. Sau một khoảng thời gian nhất định, các tham số trên mới khôi phục trở lại trạng thái trước khi xuất hiện độc chất. 3. Kiểm soát nguồn bệnh: Một trong những ưu điểm của quá trình lên men yếm khí là nó giúp loại bỏ các nguồn gây bệnh. Nguyên nhân chủ yếu là do sự có mặt của acid béo bão hòa được tạo thành bởi phản ứng β-oxy hoá trong dịch lên men. Các acid này thường kết hợp với H2, cũng được tạo thành trong quá trình trên, tạo ra octanic acid là chất kháng khuẩn rất mạnh. 4. Thu nhận các chất hữu ích từ lên men yếm khí: Một trong những nhiệm vụ quan trọng nhất của quá trình xử lí phế thải, là tái sử dụng các chất hữu cơ có trong phế thải. Nội dung của vấn đề này bao gồm hai khía cạnh: 1) Tách và cô đặc các chất hữu ích có trong phế thải; 2) Biến phế thải thành sản phẩm có ích. Trong thực tế, hiện người ta đặc biệt quan tâm đến vấn đề xử lý và tái sử dụng nguồn nước, xử lý phế thải nói chung để sản xuất khí sinh học, đồng thời tạo ra sản phẩm làm nguồn thức ăn gia súc hoặc phân bón hữu cơ. a. Xử lý tái sử dụng nước thải: Xu thế hiện nay là người ta tiến hành xử lý các dạng nước thải khác nhau và tái sử dụng chúng để phục vụ cho các ngành công nghiệp nặng như ngành năng lượng, sản xuất phân bón và khai thác than. Vì nói chung nước sử dụng trong các lĩnh vực nói trên không đòi hỏi độ sạch như đối với nước dân dụng. b. Xử lý tạo nguồn phân hữu cơ: Cho đến nay quy mô sử dụng phân hữu cơ có nguồn gốc từ động vật và nước thải của ngành chăn nuôi không lớn so với phân vô cơ. Tuy nhiên xu thế trên trong tương lai sẽ thay đổi vì một số nguyên nhân sau: 1) Để sản xuất phân vô cơ cần phải tiêu tốn nhiều năng lượng, và tuy hàm lượng NPK của nó cao, nhưng sử dụng lâu ngày sẽ làm hỏng đất; 2) Hiện nay đã xuất hiện một số công nghệ mới cho phép tạo được phân hữu cơ có hàm lượng NPK cao; 283
18. Lã Xuán Phæång VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG 3) Việc xử lí phế thải tạo phân hữu cơ bao giờ cũng tạo ra khí sinh học, là nguồn cung cấp năng lượng đáng kể (bảng 8.1) Bảng 8.1 Thành phần chất dinh dưỡng trong phân động vật: Loài Chất khô N P K Mg động vật Đại gia súc 4 - 23 2,4 - 6,5 0,4 - 1,8 2,0 - 5,8 0,2 - 0,6 Heo 4 - 25 1,6 - 6,8 0,6 - 2,1 1,7 - 3,6 0,3 - 0,7 Gà 23 - 68 9,6 - 23 2,4 - 12 3,8 - 11,6 1,2 - 2,2 c. Xử lý phế thải tạo thức ăn gia súc: Hằng năm chỉ riêng ở Anh hoạt động sống của con người thải ra chừng 2,5.1010 kg phế thải, ngành chăn nuôi thải ra chừng 1,8.1011 kg. Từ lượng phế thải này, qua quá trình xử lý sẽ tạo ra một số lượng bùn hoạt tính khổng lồ có hàm lượng protein chiếm tới khoảng 30 - 40% sinh khối khô. Tiếp tục xử lý chúng sẽ tạo được một nguồn thức ăn cho gia súc rất có giá trị (bảng 8.2) Bảng 8.2 - Thành phần hóa học của bùn hoạt tính: Thành phần % Trọng lượng khô Nước 7,85 Protein tổng số (N x 6,25) 37,80 Protein thực sự 31,25 Mỡ 1,73 Tro 25,16 Trong không tan trong acid 12,33 Carbohydrate (theo glucose) 9,80 Xơ 10,30 Năng lượng tương đương (kcal/g) 16,20 Quy trình công nghệ thu nhận protein từ bùn hoạt tính không phức tạp và gồm các công đoạn sau (hình 8.4) 284
19. Lã Xuán Phæång VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG Bùn hoạt tính Bùn hoạt tính Sấy, phơi Sấy, phơi Khử trùng Xử lí kiểm Sản phẩm Lọc Xử lí acid Thức ăn gia súc và cá Lọc Rửa Sấy khô Loại bỏ kim loại Thức ăn gia súc và cá Hình 8.4 : Quy trình công nghệ thu nhận protein từ bùn hoạt tính. Theo quy định của Anh (1981) về việc sử dụng protein từ bùn hoạt tính, thì vấn đề kiểm soát sự hiện diện của mầm bệnh, đặc biệt là Salmonella, phải được tuân thủ rất nghiêm ngặt. 8.3.3. Xử lý sinh học phế thải công nghiệp: Trong thực tế người ta thường phân biệt phế thải công nghiệp thành hai nhóm: 1) Phế thải của ngành công nghiệp có liên quan đến sinh học; 2) Phế thải của các ngành công nghiệp không liên quan đến sinh học như công nghiệp hóa chất, cơ khí, công nghiệp nặng Vì phế thải của các ngành công nghiệp không liên quan đến sinh học rất đa dạng và chứa nhiều thành phần khó bị phân hủy bằng xử lý sinh học, nên trước khi tiến hành xử úy sinh học, cần phải xử lí sơ bộ phế thải bằng phương pháp hóa học hoặc vật 285
20. Lã Xuán Phæång VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG lý. Cho đến nay, việc sử dụng các chủng vi sinh vật đặc hiệu để phân hủy phế thải vấn chưa phổ biến. Tuy nhiên, đây là một giải pháp rất có triển vọng để: 1) Phân hủy đặc hiệu tại chỗ một số loại phế thải riêng biệt; 2) Bổ sung tập đoàn các chủng vao hệ thống xử lí nhằm gia tăng hiệu quả của nó; 3) Phân huỷ dầu ô nhiễm hoặc để tách kim loại; 4) Làm sạch khí thải; 5) Thu nhận sinh khối có ích từ phế thải; 6) Lên men tạo khí methane (biogas) từ phế thải. Về công nghệ cần đặc biệt lưu ý đến: a) việc cung cấp đầy đủ oxy để quá trình phần hủy sinh học phế thải được thực hiện triệt để. Trong thực tế để đạt được điều này người ta thường hoặc sử dụng hệ thống xử lí tạo bong bóng khí, hoặc bổ sung trực tiếp oxy vào hệ thống. b) Để xử lý phế thải chứa độc chất nên sử dụng hệ thống màng xử lý chứa vi sinh vật (đơn giản nhất là màng thấm). Dưới đây chúng ta sẽ xem xét một số biện pháp xử lý sinh học đối với một số loại phế thải công nghiệp. 8.3.3.1. Xử lí sinh học đối với phế thải công nghiệp chế biến sữa: Huyết thanh sữa là phế thải chủ yếu của ngành công nghiệp chế biến sữa. Thành phần huyết thanh sữa phụ thuộc vào hình thức sử dụng sữa. Người ta thường cô đặc huyết thanh sữa để sử dụng làm thức ăn chăn nuôi. Tuy nhiên có điểm khiếm khuyết là thành phần dinh dưỡng của nó không được cân bằng: Huyết thanh sữa chứa nhiều chất khoáng và đường lactose. Do vậy, trong thực tế người ta thường trích ly protein từ huyết thanh sữa bằng cách li tâm. Sau khi li tâm dịch lọc vẫn còn chứa khá nhiều lactose (35-50 g/l), vitamine, khoáng chất và lactic acid. Do đó người ta sử dụng một số công nghệ khác để nâng cao hơn nữa hiệu quả sử dụng huyết thanh sữa. Trong đó chủ yếu là cho lên men bởi nấm men Lactobaccillus bulgaricus hoặc Candida krusei và lên men bởi nấm men Kluyveromyces fragilis hoặc Candida intermedia. Sau quá trình lên men người ta thu được sinh khối vi sinh vật và dịch còn lại có hàm lượng protein khá cao. Từ dịch huyết thanh sữa ngoài các sản phẩm giàu protein, người ta còn thu được nguồn nguyên liệu cho ngành công nghiệp hóa học như ethanol chẳng hạn. Hoặc bằng phản ứng thủy giải hóa học đường lactose tạo ra glucose và galactose, là nguồn nguyên liệu có giá trị. Bằng cách sử dụng nấm men đột biến không chứa enzyme β- galactosidase, nhưng vẫn có khả năng thủy giải lactose và sử dụng glucose mới được tạo ra làm nguồn cung cấp C. Kết quả là dịch lọc huyết thanh sữa trở nên ngọt hơn và hiện được sử dụng khá rộng rãi trong một số ngành công nghiệp thực phẩm . Hiện nay để làm "ngọt hóa" dịch phế thải chứa huyết thanh sữa, người ta không sử dụng các chủng đột biến như đã đề cập ở trên, mà sử dụng trực tiếp enzyme β-galactosidase được cố định trên vật liệu mang không tan trong công nghệ thủy giải lactore. Các bước xử lý chủ yếu phế thải chứa huyết thanh sữa được mô tả trong hình 8.5. 286
21. Lã Xuán Phæång VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG Chế biến sữa Sữa nguyên liệu Phoma, kem sữa Huyết thanh sữa Protein Dịch lọc chứa nhiều lactose Dịch thuỷ phân protecin khoáng, vitamin và lactic acid Thức ăn gia súc Lên men biến lactose Nấm men thành lactic acid Kluyveromyces fragilis và Candida internedia Dịch giàu carbohydrate Dịch giầu protein Nấm men Lactobacillus bul - Thức ăn gia súc garicuss và Candida krusei Sinh khối giầu protein Thức ăn gia súc Hình 8.5 Sơ đồ xử lí phế thải công nghiệp chế biến sữa 8.3.3.2 Xử lý phế thải công nghiệp sản xuất giấy: Công nghệ xử lý phế thải công nghiệp sản xuất giấy phụ thuộc vào quy trình công nghệ sản xuất bột giấy từ gỗ: Sản xuất bột giấy bằng cách xử lý kiềm hay acid. Xử lý kiềm tạo ra phế thải ở dạng dịch màu đen chứa nhiều lignin khó phân giải và các acid hữu cơ có trọng lượng phân tử thấp. Dịch này rất khó xử lý bằng con đường sinh học. Do vậy, trong trường hợp này, tốt hơn cả là cho dịch bay hơi và đốt cháy để lấy năng lượng. Còn xử lý acid tạo ra dịch phế thải chứa khoảng 60% lignin, một số loại đường trong đó có mannose, galactose, glucose, xylose và arabinose. Chúng chiếm khoảng 30%, còn lại là acetic acid, methanol và furfural. Với thành phần 287
22. Lã Xuán Phæång VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG nêu trên, dịch phế thải này hoàn toàn thích hợp để lên men tạo sinh khối giàu protein làm thức ăn cho gia súc. Lignin và các dẫn xuất của nó có mặt khá nhiều trong nước phế thải của ngành sản xuất giấy. Các hợp chất này rất khó bị phân hủy và do vậy cho đến nay chúng vẫn là đối tượng nghiên cứu của các nhà công nghệ sinh học. 8.3.3.3. Xử lý nước phế thải công nghiệp chứa chất màu: Nước phế thải của các nhà máy dệt, nhuộm và sản xuất màu thường chứa các chất màu và các sắc tố. Ngoài ra nó còn chứa một số chất độc trong đó có những chất gây bệnh ung thư cho người và động vật. Cho đến nay nước thải chứa chất màu nói trên thường vẫn được xử lý bằng các biện pháp hóa học, vì khả năng phân giải chất màu và sắc tố của vi sinh vật nói chung là yếu. Thí dụ, người ta có thể dùng bùn non để loại bỏ chất màu ra khỏi nước thải, nhưng bùn non không xảy ra quá trình phân hủy bản thân chất màu, mà chỉ xảy ra sự tách chúng ra khỏi nước thải nhờ quá trình hấp phụ. Tuy nhiên cũng có một số nhóm thuốc nhuộm, trong đó có nhóm thuốc nhuộm là azo-, là một trong những nhóm chất màu quan trọng nhất, lại dễ dàng bị phân hủy bởi biện pháp xử lý sinh học cả ở điều kiện hiếu khí và yếm khí. Nguyên nhân chủ yếu là vì ở điều kiện yếm khí, nhiều loại vi sinh vật có khả năng tổng hợp enzyme nói trên sẽ bị phân rã tiếp bởi phản ứng oxy hóa được enzyme aeroreductase do vi sinh vật tạo ra xúc tác. 8.3.4 Phân hủy sinh học các chất tổng hợp hữu cơ: Quá trình phân hủy các chất tổng hợp hữu cơ trong tự nhiên phụ thuộc vào bản chất của chúng như độ bền vững của chất, độ hòa tan trong nước. kích thước và diện tích của phân tử, độ bay hơi , các yếu tố bên ngoài như độ pH, khả năng oxy hóa bởi ánh sáng, yếu tố sinh học. Trong đó yếu tố Phân huỷ sinh học thể hiện thông qua sự có mặt của cộng đồng vi sinh vật là có ý nghĩa hơn cả. Chúng có những ưu thế sau: a) Trong cộng đồng vi sinh vật, các loài vi sinh vật khác nhau thường bổ sung cho nhau những thành phần thiết yếu cho sự tồn tại của riêng từng loài và như vậy giúp duy trì sự tồn tại chung của cộng đồng. Đây là một quan hệ rất phức tạp và đóng vai trò chủ đạo trong quá trình phân hủy. Ví dụ: cộng đồng vi khuẩn phân rã cyclohexane gồm hai loài. Trong đó vi khuẩn Norcadia chịu trách nhiệm phân hủy chính, vì nó có khả năng oxy hóa cyclohexane. Tuy nhiên nó không thể tồn tại riêng lẻ và cần sự có mặt của Pseudomonas, vì vi khuẩn này cung cấp biotin là chất cần thiết cho sự phát triển của Norcadia , mà bản thân nó không tự tổng hợp được. Do vậy, tốc độ phân rã các chất tổng hợp hữu cơ chủ yếu phụ thuộc vào cộng đồng vi sinh vật, chứ không phụ thuộc vào từng loại vi sinh vật riêng lẻ. b) Các thành viên trong cộng đồng vi sinh vật phân hủy các chất hữu cơ tổng hợp theo cơ chế bổ sung lẫn nhau. Có nghĩa là mỗi một thành viên trong cộng đồng chỉ chịu trách nhiệm một công đoạn trong toàn bộ quá trình phân hủy. c) Trong cộng đồng vi sinh vật bao giờ cũng xảy ra sự trao đổi thông tin di truyền giữa các loài vi sinh vật. chủ yếu trao đổi thông tin quá plasmid. Thí dụ, người ta biết có hai loài Pseudomonas, trong đó một loài có khả năng sống độc lập trên chlorocatechol, còn loài kia chứa plasmid TOL mang gene chịu trách nhiệm tổng hợp 288
23. Lã Xuán Phæång VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG enzimye benzodioxygenase. Cả hai đều không thể sống độc lập trên cơ chất chứa 4- cholorobenzoate. Tuy nhiên sau khi nuôi cấy chúng liên tục qua nhiều thế hệ cùng nhau, người ta tạo ra được thể đột biến có khả năng sống trên 4-cholorobenzoate. Điều này xảy ra là nhờ có sự trao đổi thông tin di truyền giữa hai loài nói trên. 8.3.4.1. Phân huỷ sinh học các dẫn xuất hữu cơ chứa chlore: Các chất hữu cơ tổng hợp chứa chlore thường vẫn được sử dụng làm dung môi hữu cơ, và do vậy chúng là một trong những nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường. Cho đến nay quá trình phân hủy các chất này bởi vi sinh vật hãy còn được biết rất ít. Trong thực tế người ta đã phân lập được những chủng vi sinh vật cố khả năng phân hủy dichloromethane, tuy cơ chế hoạt động của quá trình này vẫn chưa được lý giải hoàn toàn. Có lẽ chủng nói trên tổng hợp được enzyme haloidhyrolase xúc tác phản ứng tạo chloromethanol từ dichloromethane. Chất này sau đó sẽ tự phân rã và tạo ra formalđehye. Còn các dẫn xuất nhân thơm chứa chlore bị phân hủy bởi enzyme dioxygenase xúc tác phản ứng oxy hóa gắn O và nguyên tử C liên kết với Cl và làm cho liên kết C-Cl bị yếu đi nhiều. Các sản phâm tạo thành sau đó là dẫn xuất catechol chứa nhóm halogen thay thế. Đây là các chất trao đổi chủ yếu trong quá trình phân hủy các hợp chất nhân thơm chứa Cl. Sau đó chúng sẽ bị phân hủy tiếp bởi enzyme pyrocatechase, dẫn đến sự mở vòng nhân thơm. 8.3.4.2 Phân hủy sinh học các dẫn xuất nhân thơm chứa các nhóm thế đơn: Nói chung các dẫn xuất nhân thơm chứa các nhóm thế đơn thường bị phân rã trong quá trình khá giống nhau: trước hết là phản ứng gắn oxy vào nhân thơm, sau đó là phản ứng loại bỏ nhóm thế (Ví dụ: SO3H) và cuối cùng là quá trình tái tạo lại nhân thơm (hình 5.10). Polichlorobiphenyl (PCB) là nhóm chất rất bền vững trong tự nhiên. Tuy nhiên nếu xét riêng từng mặt thì bản thân gốc biphenyl nói chung cũng dễ dàng bị phân hủy bởi vì sinh vật giống như các hợp chất chứa nhân thơm khác. Tuy nhiên khi mức độ chloro hóa gia tăng, thì khả năng phân hủy của vi vật đối với chúng ta lại giảm mạnh. Trong thực tế khi số gốc Cl được gắn lớn hơn 4, tức là lớn hơn số Cl trong phân tử tetrachloro PCB, thì hâu như không xảy ra quá trình phân hủy vi sinh vật. Benzopyrene là polyme đa vòng. Quá trình phân rã nó tạo ra các dẫn xuất chứa nhóm -OH và epoxy có khả năng gây bệnh ung thư. Trong thực tế các chất này hầu như không bị phân hủy trong hệ thống sử lý bùn hoạt tính. Tuy nhiên người ta cũng đã ghi nhận được một số chủng vi sinh vật có khả năng phân hủy benzopyrene và tạo ra các phức chất có cấu tạo rất phức tạp. Polystyrol cũng rất bền đối với phân huỷ vi sinh vật. Tuy nhiên cho đến nay cũng đã xuất hiện những thông báo về sự phân hủy bột vỏ lốp xe hơi (chủ yếu là cao su styrolbutadiene) bởi một số loài vi sinhvật, khi bổ sung thêm chất hoạt bề mặt vào môi trường nuôi cấy chúng. 8.3.4.3 Xử lý sinh học ô nhiễm dầu mỏ: Vấn đề ô nhiễm môi trường sống bởi dầu mỏ là một vấn đề lớn của loài người và ở Việt Nam cũng đã bắt đầu xảy ra ở mức độ khá nghiêm trọng. Do vậy vấn đề xử lý ô 289
24. Lã Xuán Phæång VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG nhiễm dầu nói chung và xử lý ô nhiễm dầu bằng các biện pháp sinh học nói riêng ngày càng được quan tâm. Thông thường người ta chia ô nhiễm dầu mỏ làm hai loại: 1) Nước thải bị ô nhiễm trong quá trình khai thác dầu khí, 2) Ô nhiễm dầu nói chung đối với môi trường sống. Sau đây chúng ta sẽ xem xét một số trường hợp xử lý ô nhiễm dầu điển hình. Nước ô nhiễm trong quá trình khai thác dầu khí thường được xử lý bằng biện pháp sinh học sau khi đã loại bỏ phần lớn lượng dầu có mặt trong nước bằng các biện pháp vật lý hoặc bằng hóa chất tạo nhũ. Hiện nay hệ thống xử lý ô nhiễm sử dụng bùn hoạt tính kết hợp thổi oxy trong thiết bị dạng cột được coi là thích hợp nhất. Trong thực tế những sự cố rò rỉ dầu mỏ lớn nhất thường xảy ra ở biển. Sau khi thoát ra dầu sẽ chịu các tác động vật oy1 khác nhau (kể cả gió thổi). Trong quá trình đó khoảng 25- 40% lượng dầu mỏ dò rỉ bị phân hủy, đặc biệt là đối với alkanen có trong lượng phân tử thấp. Mức độ phân hủy vi sinh vật đối với dầu dò rỉ bị phân tán như trên phụ thuộc khá nhiều vào yếu tố như: hàm lượng tương đối của chất bão hòa, các chất nhân thơm chứa N, S, và O, mức độ phân nhánh của các chất alkane cũng như hàm lượng của phân đoạn nặng (như nhựa đường chẳng hạn) của dầu mỏ. Trong đó, thành phần chứa alkene có độ phân nhánh cao hoặc các hợp chất nhân thơm chứa lưu huỳnh và phân đoạn chứa nhựa đường, là những thành phần khó bị phân huỷ nhất của dầu mỏ. Ngoài ra tốc độ phát triển của bản thân vi sinh vật phân hủy dầu con phụ thuộc vào sự có mặt của các chất dinh dưỡng có sẵn trong tự nhiên (hoặc do bổ sung), đặc biệt là N và P. Cũng cần lưu ý là các yếu tố vật lý như nhiệt độ, nồng độ oxy áp suất thuỷ lực và mức độ tạo huyền phù của dầu ảnh hưởng nhiều lên tốc độ phân hủy của nó. Sự ô nhiễm dầu đất và nguồn nước ngọt cũng là một vấn đề phải quan tâm. Thực tế trong đất luôn có mặt rất nhiều loài vi sinh vật có khả năng phân hủy dầu. Tuy nhiên hiệu quả phân hủy của chúng sẽ giảm đi nhiều, nếu dầu ô nhiễm ban đầu tạo ra các dẫn xuất tan trong nước hoặc có hoạt tính bề mặt, làm do dầu lan truyền dễ dàng (điều này cũng có liên quan đến sự lan truyền do gió, thủy triều lên xuống). 8.3.4.4 Phân huỷ sinh học thuốc trừ sâu: Hiện nay vấn đề ô nhiễm môi trường do ngành sản xuất thuốc trừ sâu hóa học, cũng như do việc sử dụng nó trong nông nghiệp gây ra, đang là tâm điểm của nhiều nước. Do vậy các biện pháp phòng trừ và khắc phục hậu quả do ô nhiễm thuốc trừ sâu gây ra (đặc biệt là các biện pháp sinh học), đang được quan tâm chú ý. Về nguyên tắc, dư thừa lượng thuốc trừ sâu trong đất bị phân hủy bởi cộng đồng vi khuẩn và nấm khá nhanh. Thông thường độ độc của thuốc trừ sâu giảm mạnh sau giai đoạn biến đổi đầu tiên của chúng. Điều này cho phép xây dựng công nghệ xử lý ô nhiễm thuốc trừ sâu bằng vi sinh vật khá đơn giản. Quá trình phân rã thuốc trừ sâu được xúc tác bởi một số enzyme thủy phân ngoại bào của vi sinh vật như esterase, acylamidase và phosphoesterase. Ví dụ: enzyme parathiohydrolase do Pseudomonas SP. tổng hợp có khả năng phân hủy tới 94-98% dư thuốc trừ sâu paraythion. Hoạt độ của enzyme này phụ thuộc vào cấu trúc, độ ẩm và dung đệm của đất Do vậy, trong thực tế enzyme thể hiện hoạt độ phân ra parathion ở các điều kiện khác nhau thì khác nhau. Ngoài ra, hiện nay đã xuất hiện khả năng sử dụng enzyme nói trên ở dạng cố 290
25. Lã Xuán Phæång VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG định trên các màng lọc để xử lý nước thải của các nhà máy sản xuất thuốc trừ sâu hóa học hoặc để làm sạch nguồn nước dân dụng. 8.3.4.5. Phân hủy sinh học các chất tẩy rửa: Theo khả năng bị phân hủy sinh học, người ta chia đất tẩy rửa tổng hợp làm hai loại: Loại cứng và loại mềm. Vào thời kỳ đầu, người ta sử dụng các chất tẩy rửa có độ phân nhánh cao như alkylbenzosulphonate. Đó là các chất khá bền đối với quá trình phân hủy sinh học. Để tránh tích lũy các chất alkyl mạch thẳng dễ bị phân hủy sinh học. Trước hết chúng bị phân huỷ bởi phản ứng oxy hóa nhóm -CH3 đầu cuối. Mạch thẳng còn lại sau đó sẽ bị oxy hóa tiếp và kết thúc bằng phản ứng oxy hóa nhân của phân tử. Toàn bộ quá trình trên xảy ra ở điều kiện hiếu khí vì cần oxy cho phản ứng oxy hóa. Alkyl mạch nhánh cũng bị phân hủy sinh học, nhưng chậm hơn và cơ chế của quá trình vẫn chưa bị biết nhiều. Hiện chỉ biết là liên kết C-S của các chất tẩy rửa nói chung là bền với tác động phân hủy sinh học. Liên kết này bị phá gãy và tạo ra gốc sulphonate bởi enzyme hydroxylase và monooxygenase do vi sinh vật tổng hợp. Hiện các chất tẩy rửa trung tính vẫn được sử dụng để tạo nhũ phục vụ cho các mục đích sử dụng trong nông nghiệp và công nghiệp mỹ phẩm. Các chất này bị phân hủy sinh học chủ yếu thông qua quá trình oxy hóa và thuỷ phân do enzyme xúc tác. Các chất tẩy rửa ở dạng thương phẩm chỉ chứa khoảng 30% chất hoạt hóa bề mặt, còn lại là các chất tẩy trắng, tạo bọt, enzyme và chủ yếu là các chất phụ gia. Ban đầu người ta sử dụng trisodiumphosphate làm chất phụ gia, nhưng nó lại là nguồn cung cấp P và do đó góp phần làm ô nhiễm nguồn nước rất mạnh. Nên sau này người ta phải chuyển sang sử dụng các chất phụ gia không chứa P và N như CMS (carboxymethyl succinate), ODA (oxydiacetate) và EGDA (ethylene glycol diacetate): - HOOCCH2OCH(COOH)CH2COOH CMS - HOOCCH2OCH2COOH ODA - HOOCCH2OCH2CH2OCH2COOH EGDA - N(CH2COOH)3 NTA Các chất này bị phân hủy khá nhanh bởi enzyme liase do nhiều loại vi sinh vật tổng hợp. Ngoài ra hiện nay người ta còn sử dụng rộng rãi NTA (nitriltriacetate), là phụ gia tuy có chứa N, nhưng lại dễ dàng bị phân hủy sinh học ngay cả trong nước sông ngòi ở điều kiện tự nhiên, hoặc bởi hệ thống xử lý bằng bùn hoạt tính. 8.3.4. Xử lý sinh học phế thải nông nghiệp: Hàng năm, ngành nông nghiệp nói chung (kể cả trồng trọt và đặc biệt là chăn nuôi) thải ra một số lượng lớn phế thải. Do đó vấn đề xử lý phế thải nông nghiệp (đặc biệt là phế thải chăn nuôi) trở thành một vấn đề lớn cần giải quyết. Do vậy cần phải có các quá trình công nghệ thích hợp để xử lý phế thải nông nghiệp thành những sản phẩm có ích và góp phần bảo vệ môi trường sống. 8.3.4.1. Xử lý hiếu khí phế thải trong nông nghiệp: Đặc điểm nổi bật của phương pháp xử lý hiếu khí phế thải là vi khuẩn tham gia vào việc xử lý hiếu khí phế thải được cung cấp oxy đầy đủ. Do vậy sản phẩm xử lý 291
26. Lã Xuán Phæång VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG khá ổn định. Yêu cầu đối với các hệ xử lý hiếu khí hoạt động ổn định lâu dài, thao tác đơn giản và dễ dàng tự động hóa. Hiện nay ở các nước phát triển đang hoạt động một số hệ thống xử lý hiếu khí sau: 1) Hồ chứa để oxy hóa: Là mô hình xử lý đơn giản nhất, là nơi chứa nước thải chăn nuôi thường không sâu quá 1,5m và yêu cầu phải có bề mặt rộng để quá trình thông khí được dễ dàng. Trên bề mặt của hệ xử lý thường có nhiều loại tảo quang hợp, chúng giúp tăng hiệu quả hoạt động của hệ xử lý. Đối với hệ xử lý này tốc độ nạp phế thải không lớn. Hệ xử lý này có một nhược điểm sau: tốc độ xử lý chậm, yêu cầu diện tích lớn, cặn bã tích lũy ở đáy hồ và bị phân giải ở điều kiện hiếu khí, tạo điều kiện cho nhiều loại côn trùng không mong muốn phát triển. Nhưng hệ xử lý này có ưu điểm là chi phí thấp và không cần phải trông coi. Trong thực tế người ta gia tăng hiệu quả hoạt động của hệ thống xử lý này bằng cách gia tăng độ thông khí (bằng những biện pháp thích hợp). Nhờ đó có thể giảm kích thước của hệ thống và thời gian xử lý. 2) Hệ thống xử lý bể bậc thang: Hệ thống này được sử dụng ở Anh. Khác với hồ chứa để oxy hóa, phế thải được nạp vào hệ này một cách đều đặn và được lưu giữ không lâu. Nhờ dòng chảy từ từ theo bậc thang, phế thải được oxy hóa khá mạnh và cặn được giữ lại ở đáy bể. Nói chung quá trình xử lý phế thải trong hệ xử lý này mạnh hơn so với hồ chứa để oxy hóa. 3) Xử lý trong rãnh Pasveer (Pasveer Dltch): Là hệ thống xử lý cải tiến có sử dụng bùn hoạt tính (bùn non). Lớp dịch phế thải trong rãnh sâu khoảng 0,3-0,6m, được khuấy trộn bằng động cơ do vậy tốc độ xử lý cao thông qua quá trình oxy hóa cưỡng bức. Hiệu lực xử lý gia tăng nhờ có sự hiện diện của tập đoàn vi sinh vật trong lớp bùn non. 8.3.4.2. Xử lý phế thải nông nghiệp ở điều kiện yếm khí: Bản chất của xử lý này chính là quá trình lên men ở điều kiện yếm khí tạo ra khí sinh học (biogas), chứa chủ yếu khí methane, CO2 và một số khí khác. Xử lý này một mặt cung cấp một phân năng lượng cho các hoạt động nông nghiệp, mặt khác không kém phần quan trọng là hạn chế phế thải nông nghiệp gây ô nhiễm môi trường. Quá trình lên men yếm khí được thực hiện chủ yếu bởi nhóm vi khuẩn kị khí sinh methane. 292