Ứng dụng công nghệ vi sinh vật trong xử lý rác thải

Sự phát triển khoa học kỹ thuật dẫn đến sự phát triển mạnh mẽ các ngành công nghiệp , song song với nó là sự bùng nổ về dân số kéo theo vấn nạn chất thải gây ô nhiễm môi trường. Hiện nay, ô nhiễm môi trường đã và đang trở thành vấn đề cấp thiết và được quan tâm trên toàn thế giới.

Đứng trước những thực trạng trên, đòi hỏi cần có những giải pháp lâu dài, hiệuquả, mang tính công nghệ và đặc biệt là an toàn cho môi trường để xử lí rácthải Ngày nay, sự phát triển của công nghệ sinh học đặc biệt là công nghệ vi

sinh vật ngày càng đóng một vai trò quan trọng trong lĩnh vực bảo vệ môitrường Nhiều qui trình công nghệ xử lí ô nhiễm môi trường hiện tại được xâydựng trên cơ sở tham gia tích cực của vi sinh vật.

II Nội dung

1 Nguyên lí sử dụng vi sinh vật trong xử lí rác thải

Xử lí rác thải bằng công nghệ vi sinh vật là nhờ hoạt động sống của vi sinh vậtphân hủy rác thải thành các thành phần nhỏ hơn, hình thành sinh khối vi sinhvật cao hơn, các sản phẩm trao đổi chất của vi sinh vật và các loại khí như CO2,CH4,…Các quá trình chuyển hóa này có thể xảy ra ở điều kiện hiếu khí hay kịkhí

Việc lựa chọn các vi sinh vật xử lí rác thải cần dựa trên những nguyên tắc sau:

 Các chủng vi sinh vật phải có hoạt tính sinh học cao như khả năng sinh phức

hệ enzyme cellulase cao và ổn định

 Sinh trưởng và phát triển tốt trong điều kiện thực tế của đống ủ

 Có tác dụng cải tạo đất và có lợi cho thực vật khi sản xuất được phân ủ bónvào đất

 Không độc cho người, cây trồng, động vật và vi sinh vật hữu ích trong đất

 Nuôi cấy dễ dàng, sinh trưởng tốt trên môi trường tự nhiên, thuận lợi choquá trình xử lí

Phân loại rác thải:

- Phân loại dựa vào đặc tính tự nhiên như: các chất hữu cơ, vô cơ, chất có thểcháy hoặc không có khả năng cháy

Rác thải có thể phân loại bằng nhiều cách khác nhau:

- Phân loại dựa vào nguồn gốc phát sinh như: rác thải sinh hoạt, văn phòng,thương mại, công nghiệp, đường phố, chất thải trong quá trình xây dựng hayđập phá nhà xưởng.

2 Thành phần của rác thải hữu cơ

Các chất hữu cơ trong rác thải là các phần của thực vật, động vật bị loại bỏ,chúng có chứa các thành phần như trong cơ thể sinh vật, trong đó quan trọngnhất là: hydratcacbon, protein, lipit

Các Hydratcacbon: chiếm tỷ trọng lớn nhất trong sinh khối động vật, thực vật,

vi sinh vật Chúng tương đối phức tạp và khó phân hủy Trong rác thải thườnggặp các loại như: cenlulose, hemicenlulose, lignin, tinh bột, pectin

Protein là hợp chất hữu cơ cao phân tử chứa nitơ, thường chứa 15%-17,5% nitơ,

là thành phần quan trọng trong cơ thể động vật, thực vật, vi sinh vật

Lipit: lipit và các chất sáp có nhiều trong cơ thể sinh vật

3 Các vi sinh vật phân giải các chất hữu cơ

Các vi sinh vật phân giải cellulose

Các nhóm vi khuẩn và xạ khuẩn: Trong thiên nhiên có nhiều nhóm vi sinh

vật có khả năng phân huỷ cellulosenhờ có hệ enzym cellulose ngoại bào nhưngchủ yếu là các chi thuộc nhóm vi khuẩn hiếu khí, vi khuẩn kị khí và các xạkhuẩn hiếu khí Các vi sinh vật hiếu khí có khả năng phân giải cellulose thuộc về

các chi: Arzotobacter, Achromobacter, Pseudomonas, Cellulomonas, Vibrio,

Cellvibrio, Bacillus, Cytophaga, Angiococcus, Polyangium, Sorangium,…(vi

khuẩn hiếu khí); Micromonospora, Proactinomyces, Actinomyces, Streptomyces,

…(xạ khuẩn) Nhưng trong thực tế, trong nghiên cứu người ta thấy chi Bacillus,

Fravobacterium và Pseudomonas là các chi phân lập được có tần suất cao nhất.

Một số vi khuẩn kị khí tham gia vào quá trình phân giải cellulose, điển hình là

các vi khuẩn trong dạ cỏ của động vật nhai lại: Ruminococcus flavefeciens, R.

albus, R parvum, Bacteroides succinpgenes, Butyrivibrio fibrisolvens, Clostridium cellobioparum, Cillobacterium cellulosolvens,…

Các nhóm vi nấm: 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 phát triển mạnh ở môi trường xốp có độ ẩm trên 70%,tối ưu 95% và nhiệt độ ấm (240C), các loại thường gặp thuộc nấm bất toàn

và Ascomysetes Các loại nấm này chủ yếu thuộc các chi Aspergillus,

Penicillium, Trichoderma, Fusarium,…trong đó đáng chú ý là Trichoderma

(hầu hết các loài thuộc chi Tricoderma sống hoại sinh trong đất, rác và có khả

năng phân huỷ cellulose)

 Nấm đốm là các loại nấm phát triển sâu trong tế bào gỗ tạo thành các

đốm màu nâu Hầu hết các loài thuộc nhóm nấm bất toàn và nấm Ascomysetes.

Sống phụ thuộc vào độ ẩm của gỗ (khoảng 30%) và nhiệt độ 30-350C, quầnthể nấm phát triển lúc đầu là màu xanh sau đó tạo thành màu nâu Ví dụ các

loài: Ceratocystis sp, Cladosporium sp, Aureobasidium sp,…

 Nấm mục: Nấm mục xốp có khoảng 300 loài thuộc các chi:

Chaetomium, Humocola và Phialophora của nấm bất toàn và Ascomysetes,

chủ yếu phát triển bên trong thành tế bào gỗ Nấm mục nâu thuộc nhóm của

nấm bất toàn và Basidiomycetes, chúng xâm nhập vào thành tế bào gỗ và phân

hủy chúng, nhiệt độ sinh trưởng tối ưu 22-310C, độ ẩm thấp khoảng 40-55%,

các loài quan trọng như: Phaeolus schweiniti, Piptopous betulinus, Laetipous

sulphureus, Sperassis srispa,… Nấm mục trắng thuộc nhóm của nấm bất toàn

và Basidiomycetes, nhiệt độ sinh trưởng tối ưu 22-310C, tối đa không quá

440C, độ ẩm tối ưu có loài thấp, cao và rất cao, các loài điển hình như:

Armillaria mellea, Fonus fomentatius, Meripilus giganteus, Fomes annosus,…

Vi khuẩn có khả năng phân huỷ cellulose, tuy nhiên cường độ không mạnhbằng vi nấm Nguyên nhân là do số lượng enzym tiết ra môi trường của vikhuẩnthường ít hơn, thành phần các loại enzym không đầy đủ Thường ở trongđống ủ rác có ít loài vi khuẩn có khả năng tiết ra đầy đủ bốn loại enzymtrong hệ enzym cellulose Nhóm này tiết ra một loại enzym, nhóm khác tiết raloại khác, chúng phối hợp với nhau để phân giải cơ chất trong mối quan hệ hỗsinh

Các 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 hợpchất đạm như protein, axit amin.Khi cơ thể sinh vật chết đi, lượng nitơ hữu cơnày tồn tại trong đất (rác)

Nhóm vi khuẩn chính phân giải protein là vi khuẩn nitrat hoá, vi khuẩn nitrithóa vi khuẩn cố định nitơ

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

Nhóm vi khuẩn nitrat hoá tiến hành oxi hoá NO2- thành NO3- bao gồm ba chi

khác nhau: Nitrobacter, Nitrospira và Nitrococcus

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, lòai phổ biến nhất

là Clostridium pastenisium có hình que ngắn Clostridium có khả năng đồng hoá

nhiều nguồn cacbon khác nhau như các loại đường, rượu, tinh bột

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 visinh vật có khả năng tiết ra môi trường đầy đủ các loại enzym trong hệ enzymamilaza Ví dụ như một số vi nấm bao gồm một số loại trong các chi

Aspergillus, , 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, 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 amilaza Các loài Aspergillus oryzae,Clostrinium acetobuliticum

chỉ tiết ra môi trường enzyme amiolaza Một số loài khác chỉ có khả năng tiết

ra môi trường enzym gluco amilaza Các nhóm này cộng tác với nhau trongquá trình phân huỷ tinh bột thành đường Trong chế biến rác thải hữu cơngười ta cũng sử dụng những chủng vi sinh vật có khả năng phân huỷ tinh bột đểphân huỷ tinh bột có trong thành phần rác hữu cơ

Vi sinh vật phân giải phosphat

Trong rác thải, phospho tồn tại ở nhiều dạng hợp chất khác nhau Phospho đượctích luỹ trong rác khi động thực vật chết đi, những hợp chất phospho hữu cơ nàyđược vi sinh vật phân giải tạo thành các hợp chất phospho vô cơ

Vi khuẩn phân giải phospho hữu cơ chủ yếu thuộc hai chi: Bacillus và

Pseudomonas Các loài có khả năng phân giải mạnh là B Megatherium, B Mycoides, B.butyricus, B.mycoides và Pseudomonas sp, Pseudomonas radiobacter, P.gracilis.

Ngày nay, người ta đã phát hiện ra một số xạ khuẩn và vi nấm cũng có khả năng

phân giải phospho hữu cơ 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 vôcơ

Hình ảnh một số chủng vi sinh vật:

4 Các phương pháp xử lí rác thải hữu cơ

a) Ủ kị khí – anaerobic composting

Khái niệm: là quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ không có mặt của oxy

(tinh bột, cellulose, lipit và protein), sản phẩm cuối cùng là khí CH4, CO2, NH3,một lượng nhỏ các loại khí khác, acid hữu cơ và sinh khối vi sinh vật.

Đây là phương pháp đã được áp dụng từ lâu, các rác thải hữu cơ được bổ sungthêm phân bùn và vi sinh vật phân giải,sau đó được ủ thành đống trong điềukiệnnhiệt độ, độ ẩm, độ xốp thích hợp, Sản phẩm thu được là các chất dễ tan,hỗn hợp các chất khí CH4, CO2, NH3, trong đó CH4 chiếm đại đa số

Qua thực nghiệm tính toán cho thấy, quá trình phân hủy rác thải hữu cơ bằngphương pháp ủ kị khí thì cứ 200kg chất thải rắn cần 800kg nước sẽ chuyển hóathành 50kg chất rắn và 150kg khí sinh học (biogas) Thành phần khí sinh họcgồm: CH4 55,65%, CO2 35,45%, N2 0,3%, H2 0,1%, H2S 0,1%

Trong quá trình xử lí phế thải yếm khí (lên men tạo khí methane) Có ba nhóm vikhuẩn 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 hoànthiện các loại giống, chủng, vi khuẩn lên men kị khí bằng biện pháp chọn lọc

tự nhiên hoặc nhờ phương pháp công nghệ di truyền Đặc biệt về mặt công nghệngười ta cần phải chú ý khắc phục các yếu tố giới hạn tốc độ phân huỷ cơ chất cómặt trong phế thải như cellulose, tinh bột , và tốc độ tạo khí methane Cầnlưu 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 khuẩntạo khí methane

a.1 Các giai đoạn của quá trình sinh tổng hợp methan (Biogas).

Giai đoạn thủy phân cơ chất: các thành phần hữu cơ của rác thải bị phân hủy dưới

tác động của men hydrolaza do vi sinh vật tiết ra để hình thành các hợp chất đơngiản (đường đơn, peptit, glyxerin, axit béo, axit amin, vi sinh vật tham gia vào

giai đoạn này là Clostridium thermocellum.

Giai đoạn hình thành các axit hữu cơ: dưới tác dụng của enzym vi sinh vật, các

chất hữu cơ dễ tan chuyển thành các axit hữu cơ (axit axetic, axit propionic, axit

butyric, ), rượu etylic, rượu metylic, CO2, H2 Các vi sinh vật có mặt trong giai

đoạn này là Bacteroides, Suminicola, Clostridium, Bifido bacterium.

Các loài vi khuẩn tham gia:

Hình: Hình ảnh của Bacillus Cereus.

Giai đoạn hình thành methan: Các axit hữu cơ và các hợp chất khác

chuyển thành CH4, CO2, O2, N2, H2,

4CH3CH2COOH + 2H2O  7CH4 + 5CO2

2CH3(CH2)2COOH + 2H2O + CO2 CH4 + 4CH3COOH

2CH3CH2OH  3CH4 + CO2

2CH3CH2OH + CO2 CH4 + 2CH3COOH

Methanobacterium

Methanococcus Methanosarcina

CH3COCH3 + H2O  2CH4 + CO2

Sơ đồ lên men các hợp chất hữu cơ do các vsv kị khí.

a.2 Các loại hầm lên men kị khí

Lên men chất hữu cơ theo mẻ

Lên men chất hữu cơ liên tục: loại hầm sinh khí kiểu vòm cố định, loại hầm sinhkhí có nắp đậy di động, loại hầm sinh khí kiểu túi

a.3 Kiểm soát sinh học các hệ xử lý:

Thông thường người ta theo dõi theo nhu cầu sử dụng oxy, độ pH và hàm lượngATP của quần thể vi sinh vật và dựa vào các thông số này để kiểm soát vàđiều hòa quá trình lên men yếm khí Trong đó việc theo dõi biến thiên hàmlượng ATP là quan trọng nhất Thông thường để đánh giá khả năng hoạt độngcủa hệ xử lý người ta tiến hành xác định sự biến thiên của hàm lượng ATP nội

a.4 Kiểm soát nguồn bệnh:

Một trong những ưu điểm của quá trình lên men yếm khí là nó giúp loại bỏ cácnguồn gây bệnh Nguyên nhân chủ yếu là do sự có mặt của acid béo bão hòađược tạo thành bởi phản ứng oxy hóa trong dịch lên men Các acid này thườngkết hợp với H2, cũng được tạo thành trong quá trình trên, tạo ra octanic acid làchất kháng khuẩn rất mạnh

a.5 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 sửdụng các chất hữu cơ có trong phế thải Nội dung của vấn đề này bao gồm haikhía cạnh: 1) Tách và cô đặc các chất hữu ích có trong phế thải; 2) Biến phếthải thành sản phẩm có ích Trong thực tế, hiện người ta đặc biệt quan tâm đếnvấn đề xử lý và tái sử dụng nguồn nước, xử lý phế thải nói chung để sản xuấtkhí sinh học, đồng thời tạo ra sản phẩm làm nguồn thức ăn gia súc hoặc phân bónhữu cơ

 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 nănglượng, sản xuất phân bón và khai thác than Vì nói chung nước sử dụng trong cáclĩnh vực nói trên không đòi hỏi độ sạch như đối với nước dân dụng

 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 lượngprotein chiếm tới khoảng 30 - 40% sinh khối khô Tiếp tục xử lý chúng sẽ tạo

Muối kháng và vi sinh vật với thể tích, khối lượng và hàm lượng hơi ẩm giảm.

được một nguồn thức ăn cho gia súc rất có giá trị

b) Ủ hiếu khí - aerobic composting.

Khái niệm: là quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ có mặt của oxy sản phẩm

cuối cùng là H20, CO2 và sinh khối vi sinh vật

b.1 Sơ đồ nguyên tắc phương pháp ủ hiếu khí

CO2 và các khí khác

Oxy

Sơ đồ chung của hệ thống xử lí rác thải bằng phương pháp ủ hiếu khí:

Quá trình này thể hiện như sau:

+ Oxy hóa carbon hiếu khí:

+Nitrat hóa hiếu khí:

Giai đoạn 1:

Giai đoạn 2:

Qua thực nghiệm cho thấy quá trình phân hủy rác thải hữu cơ bằng ủ hiếu khíthì cứ 400kg chất thải rắn cần 600kg nước và 180kg oxy sẽ chuyển hóa thành250kg chất rắn, 245kg CO2 và nhiệt lượng thoát ra ngoài.

b2 Các dạng công nghệ

Các mô hình công nghệ ủ hiếu khí hiện nay trên thế giới, phân loại theo nhiềucách:

 Theo trạng thái của khối ủ: tĩnh hoặc động

 Theo phương pháp thông khí khối ủ: cưỡng bức hay tự nhiên

 Theo đặc điểm hệ thống ủ: hệ thống mở hay kín, liên tục hay không liêntục

Mô hình ủ theo hệ thống mở phổ biến nhất là các phương pháp ủ luống tĩnhhoặc luống động có kết hợp thông khí cưỡng bức hoặc đảo trộn theo chu kì.Tuy nhiên nhược điểm của hệ thống này là chịu ảnh hưởng bởi thời tiết và thờigian ủ có thể kéo dài, thường áp dụng cho qui mô nông trường, trang trại códiện tích mặt bằng lớn và xa khu dân cư hay đô thị

Đối với qui mô công nghiệp trong các nhà máy lớn thường áp dụng mô hình hệthống kín, được thiết kế hoạt động liên tục Dựa trên cấu trúc và dòng chuyểnđộng của vật liệu phân loại mô hình ủ hiếu khí trên qui mô công nghiệp thành:

mô hình kiểu ngang, mô hình kiểu quay

Các dạng công nghệ thường áp dụng ở nước ta:

 Ủ rác thành đống, lên men tự nhiên có đảo trộn (Windrow composting):

Đây là phương pháp cổ điển nhất, rác được chất thành từng đống cóchiều cao khoảng 1,5-2,5m, hàng tuần đảo trộn hai lần, nhiệt độ trungbình trong quá trình ủ là 550C Quá trình ủ có đảo trộn kéo dài 4 tuần độ