Giáo trình công nghệ vi sinh vật xử lý chất thải phần 1

PGS TS LÊ GIA HY GIÁO TRÌNH CỒNG NGHỆ VI SINH VẬT XỬLÝ CHẤT THẢI NHÀ XUẤT BẢN GIÁO DỤC VIỆT NAM LỜI NĨI ĐẦU Tính đặc trưng trình trao đổi chất vi sinh vật ứng dụng từ ỉâu vào sản xuất loại thực phẩm lên men trước có hiểu biết tổn chúng Khả phân huỷ vật chất quần thể vi sinh vật sử dụng để quay vịng chất thải có tự nhiên, chất thải tích tụ q nhiều vùng sinh thải cản trở khả tự làm vi sinh vật môi trường làm ô nhiễm môi trường sống Giữa kỷ XX, người nhận thấy hệ vi sinh vật tự nhiên đóng v-ai trị việc phân huỷ chất thải người tạo chủ động sử dụng khả phân huỷ hệ vi sinh vật hệ sinh thái nhằm tăng cường khả phân huỷ chất thải cách bắt chước trình phân huỷ tự nhiên Từ đó, tìm biện pháp xử íý làm tăng giá trị chất thải phục vụ trở lại đời sống người Với cố gắng nhà vi sinh vật học, kỹ SƯ công nghệ nhà nghiên cứu hố học, phương pháp phát triển quy trình loại bỏ chất thải bảo vệ tài nguyên thiên nhiên tìm Những cố gắng tạo tiền phạm trù "công nghệ sinh học" Cùng với tăng trưởng kinh tế nhanh đất nước, năm gần đây, chất lượng môi trường sống ngày bị ô nhiễm nghiêm trọng, ảnh hưởng trước mắt lâu dài đến sức khỏe người, phá vỡ cân sinh thái Lượng rác thải sinh hoạt đỏ thị nước ta ngày gia tăng hàng năm, cần nhiều diện tích để chơn lấp rác thải sinh hoạt, chẳng hạn Hà Nội, năm tốn khoảng 2,5ha đất dùng để chôn lấp rác thải Mặc dù tốn diện tích xử lý rác thải chôn lấp không quy cách bên cạnh việc tốn nhiều diện tích canh tác, cịn gây nhiễm nguồn nước ngầm môi trưởng xung quanh Công nghệ vi sinh vật xử lý chất thải chủ để lĩnh vực lớn quan trọng, điều kiện thời gian có hạn nên giáo trình chĩ trình bày sơ lược nguyên lý trình xử lý chất thải nhằm bổ sung thêm hiểu biết vể vai trò vi sinh vật xử lý nước thải, rác thải mà chưa sâu công nghệ xử lý chất thải mô hình hố quy trình Cuốn giáo trình Cổng nghệ vi sinh vật xử Ịý chất thải biên soạn nhằm cung cấp kiến thức vể công nghệ xử lý chất thải, nước thải biện pháp sinh học cho sinh viên, học viên cao học, nghiên cứu sinh ngành Công nghệ sinh học Công nghệ môi trường Tài liệu gồm ba phần: Cơ sị sinh học xử lý chất thải, nước thải; Cơng nghệ vi sinh vật xử lý nước thải Công nghệ vi sinh vật xử lý chất thải Trong q trình xử lý rác thải, vi sinh vật đóng vai trò quan trọng định việc chuyển hố chất hữu khó phân huỷ cellulose, pectin, protein, thành phần nhỏ Vì vậy, có nghiên cứu bổ sung loại vi sinh vật vào trình xử lý rác, nhằm thúc đẩy nhanh trình phân huỷ rác thải Giáo trình trình bày tóm lược q trình xử lý nước thải biện pháp sinh học mà vai trò đóng góp loại vi sinh vật nhằm bảo vệ giá trị sinh học thiên nhiên mơi trường Đó ngun lý sinh học-sinh thái học- sở chung cho việc loại bỏ chất phế thải bảo vệ môi trường; nước thải đặc tính nước thải; trình xử lý nước thải truyền thống xử lý bùn hoạt tính, phương pháp màng lọc, ao hổ ổn định sinh học, ủ kỵ khí (sinh methan) trình bày vài mơ hình xử lý nước thải điển hình Cơng nghệ vi sinh vật xử lý nước thải khái niệm liên quan đến việc bảo vệ môi trường mà sử dụng biện pháp sinh học để loại bỏ chất gây ô nhiễm Tác giả hy vọng sách phục vụ thiết thực cho việc học tập sinh viên, học viên cao học, nghiên cứu sinh ngành Công nghệ sinh học, Công nghệ môi trường đông đảo bạn đọc quan tâm tới xử !ý chất thải bảo vệ mối trường sống Tác giả xin chân thành cảm ơn ý kiến đóng góp bạn đọc để chúng tơi sửa chữa, bổ sung, hồn thiện sách phục vụ bạn đọc ngày tốt Mọi ý kiến đóng góp xin gửi Cơng ty Sách Đại học - Dạy nghề, Nhà xuất Giáo dục Việt Nam, 25 Hàn Thuyên, Hà Nội Xin trân trọng cảm ơn • TÁC GIẢ PHẦN THỨ NHẤT C SỞ SINH HỌC XỬ LÝ CHẤT THẢI, NƯỚC THẢI Chương C 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 Mơi trường gì? Mơi trưịng hệ thống yếu tơ" sơng khịng sổng tạo nên điều kiện sông hành tinh Trong đó, yếu tơ' sơng người, động vật, thực vật vi sinh vật, yếu tố khơng sơng đâ't, nước, khơng khí, khống chất lượng M ặt Trời Như vậy, môi trường bao gồm yếu tô" tự nhiên vật chất nhân tạo quan hộ m ật thiết với nhau, bao quanh người, có ảnh hưỏng tới đời sơng, sản xuất, tồn tại, phát triển người thiên nhiên Mồi trường theo nghĩa rộng tấ t nhân tô" tự nhiên xã hội cần thiết cho sinh sống, sản xuất người, tài ngun thiên nhiơn, khơng khí, đất, nước, ánh sáng, cảnh quan, quan hệ xã hội , có tác động tương hỗ lẫn (hình ) Hình 1.1 Mơi trường sống tác động mơi trường Môi trường theo nghĩa hẹp Jihong xét tới tài nguyên thiên nhiên, mà bao gồm n h ân tô" tự nhiên xã hội trực tiêp liên quan tới chất lượng sống người, Nói ngắn gọn, mơi trưịng tấ t có xung quanh ta, cho ta sở để sông phát triển Sinh có nghĩa tồn tấ t thể sông trê n Trái Đất, nhiên sinh mơi trường sơng khơng có sơng 'như tỷ năm trưốc, khơng sống khơng có sinh hay mơi trường Sinh' mơi trường tạo thành, khơng khí, nước đất Mơi trường có chức không gian sông người loài sinh vật; nơi cung cấp tài nguyên cần thiết cho sông hoạt động sản xuất người; nơi chứa đựng chất phế thải ngưòi tạo sổng hoạt động sản xuất mình; nơi giảm nhọ tác động có hại thiên nhiên tới người sinh vật Trái Đất Như vậy, người cần khoảng không gian nhà ỏ, sản xuất lương thực tái tạo môi trường, khai thác chuyển đổi chức sử dụng loại không gian mức, không trọng đến bảo vộ môi trường, làm cho chất lượng khơng gian sống m ất khả tự phục hồi, ảnh hưỏng đến môi trường sông Bảo vệ môi trường giữ cho môi trường sạch, đảm bảo cân sinh thái, ngăn chặn khắc phục hậu xấu người thiên nhiên gây ra, khai thác, sử dụng hợp lý tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên Khoa học môi trường ngành khoa học nghiên cứu mốì quan hệ tương tác qua lại người môi trường xung quanh nhằm mục đích bảo vộ mơi trường sơng người Trái Đất N gành Khoa học mơi trưịng nghiên cứu đặc điểm thành phần mơi trưịng (tự nhiên nhân tạo) có ảnh hưỏng chịu ảnh hương đên mơi trường nước, khơng khí đất; nghiên cứu công nghệ, kỹ th u ậ t xử lý ô nhiễm bảo vệ chất lượng môi trường sông người; nghiên cứu tổng hợp biện pháp quản lý kinh tế, lu ậ t pháp, xã hội nhằm bảo vệ môi trường ph át triển bền vững Tuy nhiên, môi trường đối tượng nghiên cứu nhiều ngành khoa học sinh học, địa học, hóa'học, nhằm đề biện pháp bảo vệ môi trường có hiệu quả, góp phần p h t triể n ngành khoa học môi trường 1.1.1.2 Công nghệ vi sỉnh vật môi trường Công nghệ vi sinh vật tích hợp khoa học vi sinh vật cơng nghệ để ứng dụng vi sinh vật cấu phần tế bào vi sinh vật để sản xuất sản phẩm có giá trị dựa tiến công nghệ sinh học Như vậy, công nghệ vi sinh vật môi trường (hay cịn gọi cơng nghệ sinh học mơi trường) việc ứng dụng q trình cơng nghệ để bảo vệ phục hồi chất lượng môi trường sông người Đe hiểu công nghệ vi sinh vật môi trường, trước hết phải định nghĩa công nghệ sinh học, cơng nghệ vi sinh vật phần quan trọng công nghệ sinh học Vậy cơng nghệ sinh học gì? Tuy có nhiều định nghĩa khác cơng nghệ sinh học, tóm tắ t sau: Cơng nghệ sinh học kỹ th u ật sử dụng thể phần thể sông đế sản xuất hàng loạt sản phẩm sản xuất loại thuốc chữa bệnh, dược phẩm, loại enzym, hợp chất bổ dưdng, thực phẩm sản phẩm khác với trợ giúp vi sinh vật Việc cải ti ôn thực vật, động vật vi sinh vật cho mục đích khác tạo sản phẩm tốt hơn, loại bỏ chất độc," phịng chơng bệnh, phát triển nơng nghiệp, tạo cơng nghệ sản xuất cơng nghiệp độc cho mơi trường, Một ví dụ hình 1.2, cải biến tếb vi sinh vật công nghệ sinh học ứng dụng bảo vệ mơi trường Phân bón sinh học T ế bào vi sinh vật Biểu gen Trao đổi chất sơ cấp Trao đổi chất thứ cấp IM Phân hủy sinh học - Làm đất bị nhiêm - Cố định nitơ Hịa tan phosphate Giảm phân bón hóa học Chống nhiễm nước ĩ Đâu tranh sinh học C ác chất trao đổi kháng khuẩn _ Giảm thiểu sinh vật ký sinh - Giảm thiểu bệnh tật - Giảm sử dụng chất diệt nấm Kich thích quang hợp - sản xuất IAA - Kích thích rễ “ Tăng cường hấp phụ nitơ ~ Gi^m sử dụng phân bón Hình 1.2 Cải bỉến tế bào vi sinh vật công nghệ sinh học ứng dụng vào công tác bảo vệ môi trường Nhiệm vụ công nghệ sinh học môi trường xử lý hệ sinh thái bị ô nhiễm; xử lý khử độc chất thải rắn; xử lý nước thải, nguồn thải, sông hồ biển bị ô nhiễm; khử nhiễm bẩn khơng khí thể phần thể sông, bảo vệ môi trường cơng nghệ (hình 3) Ví dụ, cơng nghệ sinh học mơi trưịng sử dụng phương pháp phương pháp phân loại truyền thông phương pháp sinh học phân tử di truyền để phân lập, tuyển chọn vi sinh vật ứng dụng có hiệu kiểm sốt mơi trường Hình 1.3 Hướng tập trung nghiên cứu công nghệ sinh học môi trường Như vậy, công nghệ sinh học mơi trường hiểu “quản lý quần thể vi sinh vật để cung cấp dịch vụ cho xã hội” Ngày nay, dịch vụ chìa khoá bao gồm giải độc cho nước đất bị ô nhiễm, phục hồi tài nguyên bị m ất chuyển hố lượng khuếch tán vào sinh khơi th àn h dạng mà xã hội dễ dàng sử dụng Hai ví dụ tiêu biểu khử chất gây nhiễm nước thải bị oxy hố (ví dụ n itrat, dung môi khử trùng), sản xu ất khí m ethan, hydro, điện, ethanol nhiên liệu sinh học 1.1.1.3 ứng dụng công nghệ sinh học báo vệ môi trường Gần công nghệ sinh học th ế giới có vai trị rấ t quan trọng bảo vệ môi trường, mang hiệu rấ t rõ quan trắc, đánh giá mức độ nhiễm, xử lý nhiễm, phịng chơng nhiễm Các kỹ th u ậ t sinh học phân tử, di truyền phân tử gần genomic, protonomic, công nghệ nano sinh học tạo nên bước đột phá công tác bảo vệ mơi trường tồn cầu Các kỹ th u ật đại sinh học phôi hợp với th àn h tựu phân tích chất hố học yếu tô" gây ô nhiễm công cụ đắc lực cho việc xây dựng, điều khiển đánh giá quy trình cơng nghệ xử lý nhiễm mơi trưịng quan trắc biến động môi trường Sử dụng tổng hợp phương pháp sinh học truyền thống công nghệ sinh học đại giúp cho lựa chọn cơng nghệ phịng chơng nhiễm a) Công nghệ sin h hoc tro n g xử lý ô n hiễm m ôi trư n g —Công nghệ sinh học ứng dụng xử lý nước thải thường cơng nghệ hiếu khí, thiếu khí kỵ khí Loại hình cơng nghệ hiếu khí sử dụng th ế giới bể phản ứng sinh học hiếu khí, mương oxy hố, lọc sinh học Riêng phương pụấp lọc sinh học ứng dụng với nhiều loại hình khác lọc nhỏ giọt, lọc với vật liộu ngập nước, lọc với vật liệu h t cô" định, đĩa quay sinh học Phương pháp xử lý hiếu khí ứng dụng rộng rãi nh ất xử lý nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp chế biến thực phẩm Phương pháp có ưu điểm khơng sinh mùi khó chịu, thời gian xử lý ngắn, hiệu xử lý cao, chi phí cho xây lắp vận hành cao, tạo nhiều bùn thải Phương pháp xử lý kỵ khí tạo bùn, chi phí thấp, ngồi ưu điểm thu khí sinh học —được xếp vào loại lượng xanh, cịn áp dụng để xử lý nước thải có nồng độ chất ô nhiễm hữu cao Công nghệ kết hợp modul hiếu khí —kỵ khí - thiếu khí nghiên cứu ứng dụng m ạnh mẽ 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 sử dụng trìn h xử lý dựa trình hoạt động vi sinh vật màng sinh học, oxy hố chất bẩn hữu có nước Các màng sinh học, tập hợp vi sinh vật hiếu khí, kỵ khí kỵ khí tuỳ tiện Ngồi ra, người ta cịn sử dụng hồ sinh học để loại bỏ yếu tô" ô nhiễm mơi trưịng nước Đây q trình làm tự nhiên vổi tốc độ chậm nên thời gian lưu thuỷ học dài phương pháp cần cỉiện tích m ặt thoáng lớn Hồ sinh học bao gồm loại hồ hiếu khí, hồ kỵ khí dạng hồ tru n g gian, sử dụng thực vật thuỷ sinh để xử lý nhiễm nước thải có độ ô nhiễm hữu không cao ô nhiễm kim loại nặng (xem chương chương 8) - ứ n g dụng công nghệ sinh học để xử lý chất thải rắn phương pháp ủ hiếu khí hay kỵ khí nhằm tạo sản phẩm phân bón phục vụ nông nghiệp (xem chương 11 ) Nhiều chế phẩm vi sinh vật chứa vi sinh vật hữu hiệu sản xuất để ứng dụng vào lĩnh vực nhằm thúc đẩy nhanh trìn h xử lý rác thải sinh hoạt, xử lý bùn ao nuôi thuỷ sản, xử lý p h ế thải rắn từ cơng nghiệp thực phẩm, ủ kỵ khí biện pháp đơn giản, dỗ thực hiện, chi phí thấp thu khí m ethan làm chất đơt u hiếu khí biện pháp sử dụng nhiều nước thê giới với ưu điểm trìn h phân hưỷ nhanh, tiêt kiệm diện tích chơn lấp tận dụng m ùn làm phân bón (xem chương 12) Phương pháp lọc sinh học phát triển cơng nghệ kiểm sốt nhiễm khơng khí, xử lý khí thải chứa chất hữu bay chất độc vô Công nghệ ứng dụng thành công nước châu Âu Đức Hà Lan từ đầu năm 1980 cho sở cơng nghiệp tạo nhiều khí thải độc hạì Trong chất khí gây hiệu ứng nhà kính, C đóng vai trị lớn nóng lên Trái Đất, m ethan coi chết khí hiệu ứng nhà kính tiềm tàng nhất, vi p hân tử CH , khí quyến có tác dụng làm nóng Trái Đ ất gấp 21 lần so với phân tử C Hàng năm lượng khí me th an tăng lơn với tỷ ìệ %, n h an h gấp nhiều lần khí C Đề giảm bớt lượng khí m ethan thải q trìn h chôn lấp cổ truyền, M astui Saburo nghiên cứu đề xuất quy trìn h cơng nghệ chơn lấp mới, dựa nguyên tác kích thích p h t triển vi sinh vật khử sulfat sục khí tăng cường nưốc rác để oxy hố sulfit th àn h sulfat, hạn chế hĩnh thành khí m ethan q trìn h phân huỷ kỵ khí (mục 12.5 12.6) b) Cơng n g h ệ sin h hoc sả n x u ấ t sả n p h â m th â n th iên m ôi trư n g Sản xuất sản phẩm thân thiện với mơi trưịng để thay th ế hoá chất độc hại sử dụng vi sinh vật để sản xuất phân bón sinh học (thuốc trừ sâu sinh học, phân hữu vi sinh) chất bảo vệ môi trường ngày phát triển m ạnh mẽ th ế giới Các sản phẩm công nghệ sinh học tạo góp phần râ't lớn vào tăng suâ'1 trồng giảm thiểu đáng kể chất th ải độc hại Sản xuất loại enzym đê sử dụng công nghiệp da giày, công nghiệp dệt, sản xuất bột giặt, công nghiệp sản xuất bột giấy, Sử dụng cơng nghệ sinh học để chuyển hố sinh khôi thực vật thành nguyên liệu sản xuất polyme sinh học, vật liệu composit sinh học sử dụng ngành công nghiệp y tế c) C ông n g h ệ sin h hoc sả n x u ấ t n ă n g lư ơng m ới k ết hợp bảo vệ m ôi trư n g Hiện nay, nhiều nước th ế giới, kể nước có nguồn dầu khí lớn, sản xuất sử dụng ethanol thay xăng, diesel, Mỹ, Brasil, 10 An Độ, Trung Quốc, Với hỗ trợ cơng nghệ sinh học ngưịi ta sản xuất từ 20 —40 tỷ thùng ethanol sinh học từ cellulose sinh khôi Điều mang lại lợi ích đáng kể cho nơng dân, góp phần bảo vệ môi trường giúp th ế giới giảm bớt phụ thuộc vào nguồn cung ứng nhiên liệu hoá thạch Ân Độ nước dẫn đầu châu Á sử dụng ethanol làm nhiên liệu Trưng Quốc sử dụng ethanol thay xăng thành phô" lớn với nhà máy có cơng su ất từ 200.000 - 800.000 tấn/năm Đông Nam Á Thái Lan, Indonesia, M alaysia phát triển công nghệ sản xuất ethanol dùng thay xăng Hiện người ta quen dùng th u ật ngữ “Biogas” nguồn lượng Các phụ phẩm nông nghiệp rơm, rạ, phân gia súc, gia cầm ủ kỵ khí bể ủ khí Nhờ hoạt động vi sinh vật, chất hữu phân huỷ tạo sản phẩm khí m ethan Khí m ethan dùng làm nguồn lượng để sản xuất điện, làm chất đốt thay th ế cho củi dầu hoả (hình 1.4) Như vậy, viộc sản xuất khí sinh học vừa góp phần làm mơi trưịng vừa mang lại lợi ích kinh tế Với ưu điểm trên, công nghộ đầu tư phát triển nhiều nước Năng lượng Mặt Trời ị - Chăn nuôi - Sản xuất nhièn liệu sinh học - Thu hoạch sản phẩm trồng - Sản xuất công nghiệp - Tiêu dùng người Quang hợp Năng lượng điện và/ nhiệt Chất thải hữu ĩ' Phán huỷ kỵ khí Ơng dẫn khí ' ị gas tự nhiên Khí sinh học Hình 1.4 Chu trình khí sinh học (biogas) d) C ông nghệ sin h hoc i ta o 9p h u c h ồi m ôi trư n g Phương pháp xử lý nhiễm thực vật có tính khả thi cao để xử lý vùng đ ất bị ô nhiễm kim loại nặng Các linh vực nghiên cứu liên 11 8.5 GIẾT MỔ ĐỘNG VẬT 8.5.1 Nhà máy, sản phẩm nhà máy trình sản xuất Nhà máy giết mổ động vật Oberding gần Munich, CHLB Đức sản xuất 380 nguyên liệu thô tuần Chúng bao gồm 80% chất thải nội tạng, da, lông, Xương chiếm 30 - 40% tổng khối luỢng dộng vật Sản phẩm cuốỉ th ịt mõ sử dụng phương pháp sản xuất "khơ", có nghĩa thịt/ mỡ nhận sau khử trùng làm khô trước loại 1Ĩ1Ỡ Về nguyên tắc, đế hoàn thiện chất lượng mỡ, người ta bổ sung acid sulfuric trùng Sau đun sôi, nguyên liệu làm khô máy sấy loại mõ 8.5.2 Lưu lượng thành phần nước thải Nước ngưng hình thành với tỷ lộ 0,6m'7 nguyên liệu thơ q trình dun sơi làm khơ hỗn hợp thịt/ mỡ Cịn nguồn nước thải khác chí chiếm 0,18m3/ Nước thải nhà máy giết mổ động vật có nồng độ cao chất hữu (mercaptan, amin, acid hữu cơ, ) Giá trị BODõ tài liệu trung bình 7.000mg/l COD khoảng 9.200mg/l (Metzner, 1984) Nguồn amon cao, song nguồn dinh dưỡng khác muối vệt nước thải nhà máy lại thấp, đòi hỏi phải bổ sung thêm để xử lý biện pháp sinh học Các loại nước thải số* lượng chúng thông kô bảng 8.8 Bảng 8.8 Các loại nưóc thải tỷ lệ sản xuất chúng lị mổ Loại nưóc thải Nước ngưng Nước rửa Nước vệ sinh Nước thải làm khí Nước thải loai bùn Năng suất sản xuất riêng (m3/ tấn) Năng suất sản xuất hàng tuần(m3/ tuần) 0,61 0,18 231,8 69,4 10 - - 2,1 3,5 Chất lượng nước thải thô (nước vào) đặc trưng thông số bảng 8.9 Lưu lượng nước thải thô nằm khoảng từ 1,9 - ,lm ;ỉ/ 8.5.3 xử lý nước thải 8.5.3.1 sỏ liệu nhà máy Số liệu quan trọng trình tạo nguyên liệu thơ Nhìn chung tải trọng chất hữu amon nước thô cần loại bỏ 185 cần quan tâm đen việc sử dụng acid sulfuric th an h trùng, pH thấp tải trọng amon thấp cần tách làm mõ Bảng 8.9 Chất lượng nước thải thô nước đẩu phân xưởng xử lý nước thải nhà máy giết mổ động vặt Chỉ số Nước thải thô (nước vào) Nước xử iý (nước ra) ,9 -2 ,1 ,3 -8 ,9 ,2 -7 ,6 Độ dẫn điện (mS/cm) ,8 -6 ,1 Chlorid (mg/l) 11 - 390 I 1,9-2,1 pH cô Tỷ lệ nước sản xuất (m3) 60 - 480 60 -580