Tiểu luận ứng dụng công nghệ sinh thái trong xử lí chất thải hữu cơ nông nghiệp trồng trọt

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NƠNG LÂM TP HỒ CHÍ MINH KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN  BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ: ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ SINH THÁI TRONG XỬ LÍ CHẤT THẢI HỬU CƠ NÔNG NGHIỆP TRỒNG TRỌT GVHD: TS LÊ QUỐC TUẤN Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hoài Nam Nguyễn Thị Linh Thảo Nguyễn Thị Xuân Đạt Lâm Thị Thu Thác Nguyễn Thị Thu Huyền MSSV 11157199 12149428 12149018 14163243 12149244 TP HCM, tháng 11 năm 2015 MỤC LỤC I ĐẶT VẤN ĐỀ II NỘI DUNG II.1 Tổng quan công nghệ sinh thái II.1.1 Khái niệm .3 II.1.2 Quá trình hình thành phát triển II.1.3 Các lĩnh vực ứng dụng công nghệ sinh thái II.1.3.1 Công nghệ sinh thái nông nghiệp II.1.3.2 Công nghệ sinh thái bảo vệ môi trường II.1.3.3 Công nghệ sinh thái lượng II.1.3.4 Các hoạt động khác công nghệ sinh thái II.2 Tổng quan chất thải hữu nông nghiệp II.2.1 Khái niệm nguồn gốc II.2.2 Thành phần chất thải hữu .8 II.2.3 Hiện trạng chất thải hữu ở Việt Nam II.2.4 Tác động chất thải hữu 12 II.2.4.1 Tác động đến môi trường .12 II.2.4.2 Ảnh hưởng đến người 13 II.2.5 Hiện trạng xử lý chất thải hữu nông nghiệp ở Việt Nam thế giới 13 II.2.5.1 Việt Nam 13 II.2.5.2 Thế giới 16 II.3 Ứng dụng công nghệ sinh thái xử lí chất thải hữu nông nghiệp trồng trọt 18 II.3.1 Sử dụng chế phẩm sinh học biến rơm rạ thành phân bón hữu 18 II.3.1.1 Chế phẩm sinh học FITO-BIOMIX-RR 19 II.3.1.2 Ứng Dụng Chế Phẩm Sinh Học (Nấm Trichoderma) 22 II.3.2 Sản xuất ethanol từ rơm rạ .27 II.3.2.1 Các loại tiền xử lý: 29 II.3.2.2 Thủy phân bởi enzim: .38 II.3.3 Sản xuất ethanol từ bã mía 41 II.3.3.1 Giới thiệu bã mía 41 II.3.3.2 Nguồn bã mía ở Việt Nam 42 II.3.3.3 Quy trình sản xuất ethanol .43 II.4 Lợi ích nông nghiệp, môi trường kinh tế xã hội 45 II.4.1 Nông nghiệp 45 II.4.2 Môi trường 46 II.4.3 Kinh tế xã hội 46 III KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 47 III.1 Kết luận 47 III.2 Kiến nghị 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO 48 I ĐẶT VẤN ĐỀ Ngành nông nghiệp ngành kinh tế quan trọng phức tạp Nó khơng ngành kinh tế đơn mà hệ thống sinh học – kỹ thuật, mặt sở để phát triển nông nghiệp việc sử dụng tiềm sinh học – trồng, vật nuôi Nông nghiệp chuyển mạnh sang cấu sản xuất hiệu đạt tốc độ tăng trưởng cao, an ninh lương thực bảo đảm Cơ cấu hộ nông dân theo ngành nghề chuyển dịch theo hướng tăng dần số lượng tỷ trọng nhóm hộ tham gia sản xuất phi nơng nghiệp công nghiệp, tiểu thủ công nghiệp dịch vụ Tỷ trọng phát triển ngành nghề công nghiệp, dịch vụ tăng lên rõ rệt, góp phần tạo việc làm, tăng thu nhập, xóa đói, giảm nghèo cho nơng dân Song song với chuyển biến tích cực, nơng thơn Việt Nam bộc lộ hạn chế, yếu kém: phát triển thiếu quy hoạch, tự phát hạn chế, yếu kéo theo tình trạng nhiễm mơi trường nơng thơn Một ngun nhân ô nhiễm môi trường nông thôn CTR từ hoạt động nông nghiệp, chăn nuôi, lạm dụng thuốc bảo vệ thực vật, phân bón sản xuất nơng nghiệp, CTR từ hoạt động làng nghề rác thải từ sinh hoạt Trong đó, nơng nghiệp làm phát sinh lượng lớn chất thải hửu cơ, từ hoạt động sản xuất nông nghiệp như: trồng trọt (thực vật chết, tỉa cành, làm cỏ ), thu hoạch nông sản (rơm, rạ, trấu, cám, lõi ngô, thân ngô)… Chất thải nông nghiệp không xử lý gây ô nhiễm môi trường không khí, môi trường đất, nước, làm vẻ mỹ quan , gây nhiều bệnh tật, tác động xấu đến sức khỏe người, môi trường, đánh nguồn lợi lớn kinh tế II NỘI DUNG II.1 Tổng quan công nghệ sinh thái II.1.1 Khái niệm Công nghệ sinh thái kết hợp quy luật sinh thái công nghệ để giải vấn đề môi trường điều tra ô nhiễm, cải tạo ô nhiễm, xử lý chất thải Có thể định nghĩa theo cách khác: “Cơng nghệ sinh thái thiết kế dùng cho xử lý chất thải, kiểm sốt xói mòn, phục hồi sinh thái nhiều ứng dụng khác nhằm hướng tới phát triển bền vững” II.1.2 Quá trình hình thành phát triển Công nghệ sinh thái năm 1960, xuất phát từ việc nghiên cứu trình làm mơi trường Ứng dụng sinh vật xử lý nước thải, chất thải phục hồi nguồn tài nguyên đất tài nguyên nước HT Odum người đầu kỹ thuật sinh thái để ứng dụng cho mục tiêu Ông tiến hành thí nghiệm thiết kế hệ sinh thái lớn Port Aranasa, Texa (HT Odum, 1963), thành phốMorehead, Bắc Carolina (HT Odum, 1985, 1989) Gainesville, Florida (Ewel HTOdum, 1984) Hiện người ta sử dụng hệ sinh thái tự nhiên để tái tạo tài nguyên; sử dụng hệ sinh thái nhân tạo để xử lý nguồn nước, đất khơng khí; phục hồi tài ngun đất, tài nguyên thực vật cho vùng nông thôn; kiến tạo cảnh quan đô thị Các hệ sinh thái ứng dụng hiệu vệc đóng kín chu trình sinh địa hóa II.1.3 Các lĩnh vực ứng dụng cơng nghệ sinh thái Tuy lĩnh vực phát triển ứng dụng công nghệ sinh thái đáng kể, bao gồm nông nghiệp; công nghiệp; xử lý nước cấp, nước thải, chất thải, khí thải; xử lý kim loại nặng, chất hữu cơ; sử dụng lượng; phục hồi tài nguyên đất, tài nguyên nước, tài nguyên rừng… II.1.3.1 Công nghệ sinh thái nông nghiệp “Công nghệ sinh thái” thiết kế lại hệ thống ruộng lúa cho đa dạng hóa thực vật (Flora) động vật (Fauna) Hay nói cách khác làm cho loài hệ sinh thái ruộng lúa phong phú Từ tạo chuỗi thức ăn mạng lưới thức ăn biến động cân gọi dịch vụ sinh thái (Ecological Services) Từ dịch vụ sinh thái thiên địch cơng lồi sâu hại giữ mật số dịch hại mức thấp không gây mát suất không cần phải xử lý thuốc trừ sâu Trồng loại hoa có phấn hoa mật hoa bờ ruộng lồi thiên địch giai đoạn trưởng thành cần ăn thêm mật phấn hoa để bổ sung lượng cho sinh sản Do đó, bờ ruộng hay trồng khác xung quanh có nhiều hoa với lượng mật phấn hoa dồi thu hút chúng đến ăn cư ngụ ruộng lúa để công loại sâu rầy Công việc hiểu kiến thiết lại đồng ruộng, đảm bảo mơi trường tự nhiên hay gọi “Cơng nghệ sinh thái”(Ecological Engineering).Có nhiều lồi nhỏ có nhiều hoa hoa phát triển quanh năm thu hút nhiều trùng có ích Chúng trồng dễ dàng bờ ruộng, phải chăm sóc Những lợi ích mà cơng nghệ sinh thái mang lại:  Thu hút Ong mật Ong ký sinh đến bảo vệ ruộng lúa  Giảm chi phí thuốc trừ sâu  Tăng lợi nhuận  Tạo nguồn nguyên, nhiên liệu II.1.3.2 Công nghệ sinh thái bảo vệ môi trường Cùng với phát triển khoa học kỹ thuật, lồi người phải bắt đầu tìm cách giải vấn đề ô nhiễm môi trường biện pháp khác Trong đó, biện pháp cơng nghệ thái học ngày tỏ ưu việt so với biện pháp khác Nói chung, vấn đề bảo vệ môi trường giải theo ba hướng sau:  Phân hủy độc chất vô hữu cơ; phục hồi chu trình trao đổi chất C, N, P S tự nhiên; thu nhận sản phẩm có giá trị dạng nhiên liệu hợp chất hữu  Xử lý chất thải, như: xử lý sinh học hiếu khí, xử lý lên men phân hủy yếm khí  Thu nhận chất có ích từ lên men yếm khí, như: xử lý dạng nước thải khác tái sử dụng chúng để phục vụ cho ngành công nghiệp nặng  Xử lý chất thải công nghiệp như: xử lý chất thải công nghiệp chế biến sữa, xử lý chất thải công nghiệp dệt  Dùng vi sinh vật để khả ăn dầu để xử lí cố tràn dầu hay nhiễm dầu II.1.3.3 Công nghệ sinh thái lượng Như biết, lượng có vai trò quan trọng đời sống, sinh hoạt sản xuất người Mọi hoạt động từ nấu ăn, đun nước thường ngày hoạt động sản xuất nhà máy, xí nghiệp bắt buộc phải có lượng mà chủ yếu xăng, dầu, gas…đều có nguồn gốc từ lượng hóa thạch Việc sử dụng lượng hóa thạch mang lại thay đổi to lớn xã hội lồi người, nâng cao trình độ phát triển xã hội, đem lại sống ấm no Tuy nhiên việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch gây nên tàn phá môi trường, khan nguồn tài nguyên, biến đổi khí hậu…, đặt người trước thách thức phát triển Trước thách thức này, người ta nhận thấy việc ứng dụng công nghệ sinh thái vào lượng chìa khóa để giải vấn đề, vượt qua trở ngại quy luật phát triển Công nghệ sinh thái giúp khắc phục nhược điểm nhiên liệu hóa thạch việc thải CO2 loại khí gây nên tượng hiệu ứng nhà kính dẫn đến biến đổi khí hậu tồn cầu Ngồi lượng hóa thạch khơng phải nguồn tài ngun vơ tận, đến lúc chúng bị cạn kiệt, người trơng đợi vào chúng mà phải tìm nguồn lượng an toàn hơn, thân thiện để thay thế, mà cơng nghệ sinh thái giúp việc Vai trò cơng nghệ sinh thái lượng  Nghiên cứu tạo nguồn lượng mới, an toàn, thân thiện với môi trường  Khắc phục hậu môi trường việc khai thác sử dụng lượng II.1.3.4 Các hoạt động khác công nghệ sinh thái  Công nghệ sạch: liên quan đến thay dổi quy trình sản xuất, thay đổi cơng nghệ thay đổi nguyên liệu đầu vào  Công nghệ phân hủy sinh học: dùng thể sống phân hủy chất độc thành chất không độc nước, khí CO2 vật liệu khác Bao gồm cơng nghệ kích thích sinh học: bổ sung chất dinh dưỡng để kích thích sinh trưởng vi sinh vật phân hủy chất thải có sẵn môi trường, công nghệ bổ sung vi sinh vật vào môi trường để phân hủy chất ô nhiễm, công nghệ xử lý ô nhiễm kim loại chất ô nhiễm khác thực vật nấm  Dự phòng mơi trường: phát triển thiết bị dò theo dõi mơi trường, đặc biệt dò nước khí thải cơng nghiệp trước giải phóng mơi trường  Sử dụng hệ sinh thái tự nhiên để tái tạo tài nguyên  Hệ sinh thái nhân tạo để xử lí nước, đất, khơng khí  Kiến tạo cảnh quan đô thị, phục hồi tài nguyên đất, tài nguyên thực vật cho vùng nông thôn II.2 Tổng quan chất thải hữu nông nghiệp II.2.1 Khái niệm nguồn gốc Chất thải rắn hữu chất thải có chứa hợp chất hữu cơ(C, H, N, S, P) có khả dễ dàng phân hủy sinh học (phân hủy điều kiện tự nhiên.) VD: rau quả, cơm thừa… hay nói cách đơn giản: Chất thải rắn hữu rác thải có nguồn gốc từ sinh vật (thực vật, động vật) Chúng có “tuổi thọ” thấp nhất, tồn môi trường với thời gian ngắn biến Chất thải rắn hữu nơng nghiệp chất thải hữu có nguồn gốc từ hoạt động sản xuất nông nghiệp như:  Trồng trọt: gieo cấy, thực vật chết, rơm rạ, vỏ nông sản sau thu hoạch, cành qua cắt tỉa, xác bã sau chế biến…  Chăn nuôi: chăm sóc gia súc gia cầm, vệ sinh chuồng trại, hoạt động giết mổ, phân gia súc gia cầm  Các loại rác thải vùng nguyên liệu công nghiệp, như: vỏ hạt cà phê, vỏ lạc, bã mía, v.v  Phế liệu nhà máy giấy, nhà máy sợi  Phế thải làng nghề chế biến tinh bột Về mặt hóa học, rác hữu chứa phân tử lớn mà tuỳ theo loại rác giàu polysaccarit, protein, lipit, hỗn hợp chúng, v.v II.2.2 Thành phần chất thải hữu Các thành phần rác thải hửu cơ, tất cả, từ xác động vật, thực vật phận chúng Do vậy, rác thải hửu có thành phần hóa học thành phần thể sống, nhóm chất quan trọng (về lượng) cacbonhydrat, protein lipit Tất chúng phần tử lớn (polime) gồm nhiều gốc liên kết với Cacbonhydrat có thành phần tỷ lệ lớn sinh khối rác thải hửu Những nhóm cacbonhydrat gồm: xenluloza, hemixenluloza, lignin, pectin tinh bột II.2.3 Hiện trạng chất thải hữu ở Việt Nam Tổng quan Nông nghiệp chiếm tỉ trọng lớn kinh tế nước ta Không cung cấp lương thực cho quốc nội mà xuất lượng lớn sáng nước ngoải: Sản lượng nông nghiệp năm 2014: Trồng trọt Sản phẩm Lúa gạo Rau Chè Cà phê Chăn ni Sản lượng (nghìn tấn) 45000 147,4 132,1 641,7 Sản phẩm Thịt trâu Thịt bò Thịt heo Thịt gia cầm Sản lượng ( nghìn tấn) 86,9 292,9 3400 875 Qua ta thấy sản lượng sản phẩm tạo từ hoạt độn sản xuất nơng nghiệp vơ lớn, ước tính tổng giá trị lên tới 830 nghìn tỉ đồng đem lại nguồn tài dồi cho kinh tế Tuy nhiên qua trình sản xuất chế biến phần lớn phụ phẩm (rơm, rạ, chất thải gia súc gia cầm, thực vật chết) không xử lí triệt để xử lí sơ xài gây lãng phí nguồn tài nguyên lượng đáng kể mà gây nhiễm mơi trường Nếu khơng xử lí triệt để tương lai cho dù tạo sản phẩm, giá trị có lớn so với chi phí chi để khắc phục hậu ô nhiễm môi trường hay việc lãng phí nuồn nguyên liệu lớn muối bỏ biển mà Trồng trọt Trong nông nghiệp trồng trọt có quy mơ lớn tạo lượng chất thải phụ phẩm nông nghiệp phát sinh chim đa số chất thải nông nghiệp Sau nhìn trạng thơng qua hai ví dụ tiêu biểu: Lúa nước: loại lương thực nước ta với khoảng 7, triệu hecta đất trồng lúa năm tạo lượng rơm thải lêm tới 76 triệu Tuy nhiên lượng rơm thải khơng tính tốn thống kê lượng chất thải phát sinh địa phương tồn quốc.bên cạnh có phụ phầm khác vỏ trấu, thực vật chết… Đối với rơm rạ phần nhỏ thường sử dụng làm thức ăn cho gia súc hay phân bón, nhiên phần lại thường đem đốt bỏ ruộng Hiện tượng ngày phổ biến không vùng quê Bắc Bộ: Hưng Yên, Nam Định, Thái Bình mà Đồng Bằng sơng Cửu Long vựa lúa lớn nước Nguyên nhân chủ yếu ngày việc xuất cụng loại chất đốt nhứ khí gas hay than thay rơm rạ phần rơm rạ dư xử lí sơ xài cách đốt hay chí vứt trực tiếp vào kênh rạch đường xá Quá trình đốt nguy hiểm chúng tạo loại khí CO, CO2, NOX, SO2 số khí độc hại Khi khơng cháy hết chúng tạo khí Báo cáo có sử dụng axit axetic cho tiền xử lý rơm (Taniguchi et al, 1982; Toyama Ogawa, 1975) Biến đổi lượng thành phần xử lý rơm, tinh thể rơm xử lý cellulose chiết xuất, nhạy cảm rơm xử lý acid acetic cho kết phương pháp xử lý acid acetic gây cố khơng có tinh thể cấu trúc cellulose rơm Mức độ enzyme hòa tan tương đối so với số lượng rơm lại 42% sau xử lý với axit axetic 20% E TIỀN XỬ LÝ BẰNG DUNG MÔI HỮU CƠ: Tiền xử lý dung mơi hữu tăng cường khả tiêu hố enzyme chủ yếu để loại bỏ lignin hemicellulose thu phần lại giàu cellulose, thủy phân enzym mức cao gần đạt sản lượng glucose theo lý thuyết Hemicellulose lignin thu hồi đồng thời để sản xuất sản phẩm có giá trị cao Sự thay đổi tinh thể cellulose dung môi hữu tiền xử lý rõ ràng khơng nêu ra, có nhắc đến cellulose dung môi hữu phụ thuộc nhiều vào loại dung môi hữu cơ, nồng độ dung môi nhiệt độ (Mantanis et al, 1994, 1995) Các q trình organosolv sử dụng dung mơi hữu nóng ethanol pH có tính axit để thành phần sinh khối tách Lần dùng làm giấy, gần xem xét tiền xử lý lignocellulose nguyên liệu cho sản xuất ethanol Có số nhược điểm cố hữu để tiền xử lý dung môi hữu Hiện tiền xử lý dung môi hữu đắt tiền so với trình tiền xử lý khác ứng dụng tách tái chế dung mơi làm giảm chi phí hoạt động q trình Nó đòi hỏi điều kiện nghiêm ngặt kiểm soát biến động dung môi hữu Loại bỏ dung môi từ xử lý trước cellulose thường cần thiết dung mơi ức chế enzyme thủy phân lên men tiêu hóa thủy phân (Xuebing et al., 2009) Dung môi hữu thường sử dụng cho tiền xử lý dung mơi có điểm sơi thấp ethanol, methanol cồn với điểm sôi cao ethylene glycol, glycerol, tetrahydrofurfuryl rượu hợp chất chất hữu dimethylsulfoxide, ete, xeton, phenol (Thring et al, 1990.) Nếu quy trình tiền xử lý dung mơi hữu tiến hành nhiệt độ cao (185-2100C), không cần cầu bổ sung axit nhiệt độ thấp 35 phải bổ sung axit, ngồi bổ sung chất xúc tác khác (Sun Cheng, 2002) Jamshid et al (2005) Báo cáo bột giấy rơm rạ cách sử dụng diethylene glycol, hỗn hợp chất diethylene glycol ethylene glycol áp suất khí Tiền xử lý với dung môi điểm sôi cao tăng cường delignification Ưu điểm quan trọng cho trình tiền xử lý rượu điểm sơi cao thực áp suất khí Jahan (2006) báo cáo acid acetic formic tiền xử lý rơm rạ với biến thể biến phản ứng Tối đa giải thể pentosan quan sát axit axetic 80% với chất xúc tác H2SO4 0,6% 800C cho 120 phút Axit axetic tan pentosan chậm so với axit formic  Tiền xử lý sinh học: Tiền xử lý sinh học cung cấp số khái niệm quan trọng lợi hóa chất thấp sử dụng lượng, khơng tìm thấy hệ thống điều khiển đầy đủ nhanh chóng Hóa chất tiền xử lý có nhược điểm nghiêm trọng yêu cầu sử dụng cho thiết bị chuyên ngành chống ăn mòn, mở rộng giặt, xử lý thích hợp chất thải hóa học Tiền xử lý sinh học phương pháp an toàn thân thiện với môi trường lignin loại bỏ từ lignocellulose Các vi sinh vật đầy hứa hẹn tiền xử lý sinh học nấm trắng thối thuộc lớp Basidiomycetes (Taniguchi et al, 2005) Những ảnh hưởng tiền xử lý sinh học rơm rạ cách sử dụng bốn nấm trắng thối (Phanerochaete chrysosporium, Trametes versicolor, Ceriporiopsis subvermispora Pleurotus ostreatus) đánh giá sở thay đổi số lượng cấu thành phần rơm qua xử lý tính nhạy cảm thủy phân enzym (Taniguchi et al, 2005) Trong số nấm trắng thối họ P ostreatus chọn lọc xuống cấp phần lignin gạo rơm thành phần holocellulose Khi rơm xử lý trước với P ostreatus 60 ngày, tổng trọng lượng giảm mức độ Klason lignin bị suy thoái 25% 41%, tương ứng Sau tiền xử lý, số lượng lại rơm khơng xử lý cellulose hemicellulose 83% 52% Thủy phân enzym với enzyme cellulase thương mại chuẩn bị 48h, holocellulose 52% 44% cellulose rơm 36 qua xử lý hòa tan Sản lượng đường tinh khiết dựa số lượng holocellulose cellulose không xử lý rơm 33% cho đường hòa tan tổng số từ holocellulose 32% glucose từ cellulose (Taniguchi et al, 2005) Kính hiển vi điện tử quét (SEM) quan sát cho thấy tiền xử lý với enzyme thủy phân P ostreatus dẫn đến gia tăng tính nhạy cảm rơm rạ suy thối phần lignin Patel et al (2007) làm nghiên cứu sơ tiền xử lý vi sinh vật lên men chất thải nông nghiệp rơm Một kết hợp năm loại nấm khác nhau: Aspergillus niger, Asp.awamori, Trichoderma reesei, Phenerochaete chrysosporium, Pleurotus sajor-caju, thu từ sàng lọc sử dụng cho tiền xử lý Saccharomyces cereviseae (NCIM 3095) sử dụng để thực trình lên men Tiền xử lý với A niger A Asp.awamori lên men sau mang lại sản lượng ethanol cao (2,2 g L-1)  Tiền xử lý kết hợp: Kun et al (2009) báo cáo tiền xử lý rơm rạ kiềm với hỗ trợ quang xúc tác làm thay đổi tính chất vật lý vi cấu trúc rơm, dẫn đến giảm dung lượng lignin làm tăng tốc độ thủy phân enzym rơm trước xử lý Xử lý rơm rạ kiềm khơng có xúc tác H 2O2 thúc đẩy hòa tan hemicelluloses có kích thước phân tử nhỏ, giàu glucose (có lẽ có nguồn gốc từ –glucan), xử lý giai đoạn thứ hai giải thể kiềm tăng cường peroxide hemicelluloses có kích thước phân tử lớn , giàu xylose (Sun et al , 2000) Tiền xử lý vi sóng phương pháp tiền xử lý quan trọng hiệu áp dụng kết hợp với phương pháp khác Zhu et al (2006) báo cáo số kết hợp tiền xử lý vi sóng rơm rạ với axit kiềm loại bỏ hemicellulose lignin, vi sóng loại bỏ lignin nhiều so với tiền xử lý chất kiềm Kết cho thấy cơng suất tiền xử lý vi sóng cao với thời ngắn điện thấp Vi sóng tăng cường số phản ứng tiền xử lý, chế chi tiết chưa rõ Lu Minoru (1993) báo cáo tiền xử lý xạ rơm rạ có mặt dung dịch NaOH cách sử dụng máy gia tốc chùm tia điện tử Chùm electron 37 chiếu xạ làm thay đổi cấu trúc lignocellulosic để dung dịch NaOH xâm nhập dễ dàng vào lignocellulosic phức tạp gia tăng tốc độ phản ứng để dễ dàng loại bỏ lignin, cellulose hemicellulose scissored tăng khả tiếp cận enzyme Jin Chen (2006) nghiên cứu kết hợp bùng nổ nước nghiền siêu mịn rơm rạ thủy phân enzym Việc nghiền siêu mịn kết hợp với bùng nổ mức độ nghiêm trọng thấp để xử lý rơm rạ rút ngắn thời gian nghiền, tiết kiệm chi phí lượng, tránh chất ức chế, thủy phân enzym cao Nghiền siêu mịn rơm rạ tiến hành sau nước phát nổ R thấp (yếu tố mức độ nổ hơi) để tránh phân hủy mức hemicellulose sản phẩm hệ từ loại đường lignin Nó cho thấy khác biệt trình thủy phân enzym thành phần hóa học, đặc điểm chất xơ tế bào bao gồm dung lượng nước mặt đất bùng nổ với sản phẩm rơm rạ siêu mịn nước mặt đất phát nổ với cặn bã rơm rạ II.3.2.2 Thủy phân bởi enzim: Chế phẩm enzim dùng để thủy phân bước thứ hai việc sản xuất ethanol từ nguyên liệu lignocellulose Nó liên quan đến trình bẻ gãy polyme cellulose hemicellulose Cellulose thường chứa glucans, hemicellulose polyme chứa nhiều đường Mannan, xylan, glucan, galactan, arabinan Do đó, sản phẩm thủy phân cellulose glucose, hemicellulose sản sinh số pentoses hexoses (Taherzadeh Niklasson, 2004) Tuy nhiên, lượng lignin cao ngăn chặn enzyme tiếp cận, gây ức chế sản phẩm cuối cùng, làm giảm tốc độ suất thủy phân Ngoài lignin, cellobiose glucose hoạt động chất ức chế mạnh mẽ cellulases (Knauf Moniruzzaman, 2004) Nhiều yếu tố khác ảnh hưởng đến suất lignocellulose, đường monomeric sản phẩm khác, ví dụ kích thước hạt, nồng độ acid, nhiệt độ thời gian phản ứng, độ dài đại phân tử, mức độ trùng hợp cellulose, cấu hình chuỗi cellulose, kết hợp cellulose với cấu trúc khác bảo vệ polyme thành tế bào thực vật lignin, pectin, hemicellulose, protein, yếu tố khống chất 38 Tiến cơng nghệ enzym cho việc chuyển đổi sinh khối cellulose thành đường mang lại tiến đáng kể nghiên cứu ethanol lignocellulosic Thủy phân enzym thường tiến hành điều kiện nhẹ, tức áp lực thấp thời gian lưu giữ kết nối lâu dài trình thủy phân hemicellulose Valdes Planes (1983) nghiên cứu trình thủy phân rơm rạ cách sử dụng H 2SO4, 5-10% nhiệt độ từ 801000C Họ báo cáo sản lượng đường tốt 100 0C với H2SO410% 240 phút Yin et al (1982) nghiên cứu trình thủy phân hemicellulose rơm rạ với H 2SO42% 110-1200 C, thủy phân 70% đường pentoses Valkanas et al (1998) thực thủy phân rơm rạ với axit khác với nồng độ khác (H 2SO40,5-1%, HCl 2-3% H3PO40,5-1%) họ thấy sau thời gian lưu giữ 3h , pentosans rơm chuyển đổi sang monosaccharides thích hợp cho trình lên men Roberto et al (2003) nghiên cứu tác dụng H2SO4 thời gian lưu giữ sản xuất đường sản phẩm từ rơm rạ nhiệt độ tương đối thấp 121 0C thời gian lưu giữ từ 10-30 phút lò phản ứng hàng loạt 350-L Và kết cho thấy nồng độ axit tối ưu 1% thời gian lưu giữ tối thiểu 27 phút tìm thấy để đạt suất xylose cao (77%) Tiền xử lý rơm với dung dịch acid sulfuric loãng, kết 0,72 g g -1 suất đường 48h thủy phân enzym cao so với nước pretreated (0,60 g g -1), không xử lý rơm (0,46 g g-1) (Abedinifar et al , 2009) Khi tăng nồng độ chất từ 20 đến 50 100g L-1 suất đường giảm tương ứng từ 13% đến 16% Động học sản xuất glucose từ rơm rạ Aspergillus niger nghiên cứu Aderemi et al (2008) cho thấy suất Glucose tăng từ 43% đến 87% cỡ hạt rơm giảm từ 425 đến 75 µm, nhiệt độ pH tối ưu tìm thấy phạm vi tương ứng 45-50 0C 4,5-5 Nghiên cứu cho thấy nồng độ tốc độ sản sinh glucose phụ thuộc vào tiền xử lý rơm, nồng độ chất chất tải tế bào Kết việc thuỷ phân enzim kiềm tác động ánh sáng tốc độ cao gấp 2.56 lần so với trình thủy phân kiềm khơng có xúc tác (Kun et al, 2009) đó, xử lý rơm amoniac dẫn đến gia tăng loại đường monomeric từ 11% không xử lý đến 61% (Sulbaran-de-Ferrer et al, 2003) Hiệu suất thuỷ phân nhiên liệu sinh học lignocellulosic gia tăng có kết hợp enzyme cellulase, 39 xylanases pectinaza nhiều dùng cellulase (Zhong et al, 2009) chi phí q trình tăng mạnh có quan điểm sinh học hấp dẫn Lên men: Phần cellulose hemicellulose rơm rạ chuyển đổi thành ethanol đường hóa đồng thời với trình lên men (SSF) quy trình thủy phân enzym riêng biệt lên men (SHF) SSF ưa chuộng chi phí thấp (Wyman, 1994) suất ethanol cao so với SHF cách giảm thiểu ức chế sản phẩm Một hạn chế trình khác biệt nhiệt độ tối ưu enzym thủy phân vi sinh vật lên men Hầu hết kết báo cáo nhiệt độ tối ưu cho thủy phân enzym 40-50 0C, vi sinh vật có suất sản lượng ethanol tốt thường không chịu đựng nhiệt độ cao Vấn đề tránh cách áp dụng vi sinh vật chịu nhiệt Kluyveromyces marxianus, Candida lusitaniae, Zymomonas Mobilis hay cấy hỗn hợp số vi sinh vật Brettanomyces clausenii Saccharomyces cerevisiae (Golias et al, 2002; Spindler et al, 1988) Punnapayak Emert (1986) nghiên cứu SSF kiềm trước xử lý rơm với Pachysolen tannophilus Candida brassicae , nơi P tannophilus dẫn đến kết sản lượng ethanol cao C brassicae tất thử nghiệm Tuy nhiên, họ đạt có 30 % sản lượng ethanol lý thuyết Nghiên cứu SSF axit trước rơm xử lý với indicus Mucor, Rhizopus oryzae, S cerevisiae kết cho thấy suất tổng thể ethanol tối đa đạt 40-74 % sản lượng lý thuyết (Karimi et al, 2006) SSF kiềm lò vi sóng / kiềm tiền xử lý rơm rạ đến ethanol sử dụng cellulase từ nấm T reesei S cerevisiae nghiên cứu Zhu et al (2006) Dưới điều kiện tối ưu nồng độ ethanol đạt 29,1g L-1 suất ethanol 61,3% Nghiên cứu cho thấy sản xuất ethanol từ lò vi sóng /rơm qua xử lý kiềm có tải enzyme thấp hơn, rút ngắn thời gian phản ứng, nồng độ ethanol đạt cao suất so với rơm chưa xử lý kiềm Có nhiều báo cáo nói đường hóa lên men (SSF) đồng thời 40 vượt trội so với đường hóa truyền thống sau lên men sản xuất ethanol từ rơm rạ q trình SSF cải thiện suất ethanol, loại bỏ sản phẩm cuối không cần thiết cho lò phản ứng riêng biệt cho đường hóa lên men (Chadha et al, 1995) Thủy phân riêng biệt enzyme lên men gạo M indicus, R oryzae, S cerevisiae nghiên cứu Abedinifar et al (2009) Nghiên cứu họ kết luận M indicus để sản xuất ethanol từ pentoses Lồi giống tốt cho sản xuất ethanol từ lignocelluloses, đặc biệt rơm Ngồi q trình SSF SHF có q trình gọi hợp bioprocessing (CBP) Trong trình này, sản xuất cellulase, thủy phân sinh khối, lên men ethanol thực lò phản ứng Một vi sinh vật có hiệu lên men xenlulose trực tiếp thành ethanol, chẳng hạn chủng Clostridium phytofermentans, phù hợp cho trình Glucose xylose hai đường chiếm ưu q trình thủy phân lignocellulose Khó khăn việc sử dụng hai vi sinh vật cho trình lên men đồng thời hai đường khơng có khả cung cấp điều kiện mơi trường tối ưu hai loại lúc (Chandrakant Bisaria, 1998) Đa số nghiên cứu trước dòng đồng chủng báo cáo rằng, q trình lên men glucose hỗn hợp đường tiến hành hiệu loại đường lên men truyền thống, lên men xylose thường chậm hiệu thấp yêu cầu oxy xung đột hai chủng và/hoặc ức chế sản phẩm dị hóa trên, đồng hóa xylose glucose (Grootjen et al, 1991; Kordowskawiater Targonski, 2002) Phương pháp tiếp cận quy trình cơng nghệ chủng công nghệ thực để vượt qua khó khăn nâng cao hiệu sản xuất Ví dụ quy trình kỹ thuật bao gồm nuôi cấy liên tục (Grootjen et al, 1991; Laplace et al, 1993; Delgenes et al, 1996), cố định chủng (Grootjen et al, 1991.), đồng cố định hai chủng (Grootjen et al, 1991; deBari et al, 2004.), hai giai đoạn lên men lò phản ứng sinh học (tức nuôi cấy) (Fu Peiris, 41 2008), lên men riêng biệt hai lò phản ứng sinh học (Taniguchi et al, 1997; Grootjen et al, 1991) II.3.3 Sản xuất ethanol từ bã mía II.3.3.1 Giới thiệu bã mía Ngành cơng nghiệp sản xuất mía đường tạo lượng lớn phế phẩm từ mía (bã mía) Bã mía chiếm 25-30% trọng lượng mía đem ép Trong bã mía chứa trung bình 49% nước, 48% xơ (trong chứa 45-55% cellulose) 2.5% chất hồ tan (đường) Bã mía cắt nhỏ tiền xử lý NaOH để phá vỡ cấu trúc Sau đó,được tiến hành thuỷ phân enzyme cellulase thuỷ phân lên men đồng thờibằng enzyme cellulase nấm men Saccharomyces cerevisiae Bã mía số nhiều nguồn biomass phổ biến có nhiều tiềm Việt Nam II.3.3.2 Nguồn bã mía ở Việt Nam Về mặt tài nguyên tự nhiên khí hậu, đất đai, Việt Nam đánh giá nước có tiềm trung bình để phát triển mía Việt Nam có đủ đất đồng bằng, lượng mưa nói chung tốt (1400 mm đến 2000 mm/năm), nhiệt độ phù hợp, độ nắng thích hợp Trên phạm vi nước, vùng tây nguyên vùng Đông Nam Bộ, đặc biệt duyên hải Nam Trung Bộ có khả trồng mía đường tốt 42 Hình: Biểu đồ biểu diễn sản lượng mía vùng Hiện năm có khoảng 1.3 triệu đường sản xuất (quy mô công nghiệp dân tự chế biến), tức khoảng triệu bã mía thải Đây nguồn nguyện liệu lớn cho việc sản xuất ethanol Nước ta có quy hoạch phát triển ngành mía đường, đến năm 2010 diện tích trồng mía dự kiến đạt khoảng 30x104 ha, suất 65 tấn/ha Phụ phẩm mía đường dồi dào, chất lượng cao, thích hợp cho sản xuất nhiên liệu sinh học 43 Hình: Bảng thành phần khối lượng sinh khối có bã mía Hiện trạng sử dụng lượng từ bã mía Việt Nam Mặc dù bã mía nguồn lượng lớn nguồn bã mía nói riêng nguồn biomass nói chung không sử dụng cách hiệu Việt Nam Phần lớn bã mía sử dụng làm chất đốt, làm thức ăn cho gia súc… II.3.3.3 Quy trình sản xuất ethanol  Tổng quát 44 Hình: sơ đồ chuyển hóa bã mía thành ethanol Q trình chuyển hóa bao gồm thủy phân thành phần bã mía để tạo loại đường lên men thực việc lên men chúng để tạo ethanol Giai đoạn tiền xử lý cần thiết để nâng cao hiệu trình thủy phân cellulose thành đường Quá trình thủy phân thường thực acid enzyme cellulase, trình lên men thực vi khuẩn nấm men Các yếu tố ảnh hưởng đến trình thủy phân cellulose bao gồm độ xốp vật liệu, kích thước vi sợi cellulose, có mặt lignin, hemicellulose vật liệu Sự diện lignin hemicellulose làm cho hoạt động enzyme cellulase trở nên khó khăn hơn, hiệu 45 suất trình thủy phân thấp Tiền xử lý cần thiết để thay đổi cấu trúc kích thước sinh khối, thành phần hóa học nó, cho trình thủy phân hydrocarbon thành loại đường đơn diễn nhanh chóng đạt hiệu cao Quá trình thủy phân đạt hiệu cao việc loại bỏ lignin hemicellulose, giảm kích thước vi sợi cellulose, tăng cường độ xốp thông qua trình tiền xử lý Ở trình thủy phân, loại đường đơn tạo việc phân cắt mắc xích cellulose, trước chúng lên men sản xuất rượu Quá trình thủy phân cellulose thực acid enzyme thủy phân Các mắt xích cellulose bị phân cắt thành phân tử đường glucose riêng lẻ enzyme cellulase Nguồn thu enzym cellulase lớn vi sinh vật (nấm, vi khuẩn) Các loại đường sáu carbon (hexoses) glucose, galactose, mannose dễ dàng lên men thành ethanol hoạt động tự nhiên nhiều sinh vật Nấm men Saccharomyces cerevisiae sử dụng từ lâu công nghiệp sản xuất bia để tạo ethanol từ hexoses Hai bước cuối để biến đổi bã mía thành ethanol (thủy phân lên men) thực cách độc lập đồng thời Thu hồi ethanol từ dịch lên men trình chưng cất kết hợp trình chưng cất với trình hấp phụ Các thành phần khác, bao gồm lignin, cellulose hemicellulose không phản ứng, enzyme tích lũy đáy tháp chưng cất II.4 Lợi ích nơng nghiệp, mơi trường kinh tế xã hội II.4.1 Nông nghiệp Trong sản xuất nông nghiệp đặc biệt lĩnh vực trồng trọt, phân bón vi sinh (chế phẩm công nghệ sinh học) sở việc nâng cao suất, chất lượng trồng, góp phần cải thiện độ màu mỡ đất Tiềm sử dụng chế phẩm sinh học canh tác trồng lớn, hướng đắn, hướng tới nông nghiệp hữu cơ, sinh thái bền vững thân 46 thiện với môi trường Tuy nhiên, thực tế, việc sử dụng chế phẩm sinh học Việt nam hạn chế, đặc biệt nhóm chế phẩm sinh học phòng trừ sâu bệnh hại trồng Giải tận dụng hiệu nguồn nguyên liệu rơm, rạ dồi dào, sẵn có địa phương, góp phần thực tiêu chí mơi trường chương trình quốc gia xây dựng nông thôn II.4.2 Môi trường Tốt cho môi trường Vì sản xuất mang tính hướng theo thiên nhiên nên đảm bảo không gây ô nhiễm môi trường, phế phẩm nông nghiệp ủ để làm phân hữu trả lại vào đất nên tạo cân cho hệ sinh thái Ngồi ra, phân hữu góp phần cải tạo đất tăng độ màu mỡ cho đất tránh tượng xói mòn II.4.3 Kinh tế xã hội Theo chuỗi giá trị sản phẩm hữu mang lại cho người sản xuất thu nhập cao Hiện đa số sản phẩm hữu Việt Nam xuất mang lại khoản lợi nhuận lớn cho công ty Biến nguồn gây ô nhiễm thành phân bón hữu dạng bùn dạng nước, phục vụ sản xuất nông nghiệp Việc tái chế khơng có ý nghĩa mặt mơi trường mà đem lại lợi ích kinh tế Vì với lượng lớn chất thải hữu cơ, cung cấp nguồn nguyên liệu dồi để sản xuất phân vi sinh - loại phân tốt cho trồng thân thiện với mơi trường Bên cạnh đó, việc doanh nghiệp bán sản phẩm tái chế nông dân mua nguồn phân bón giá rẻ giúp doanh nghiệp nơng dân giảm chi phí, tăng lợi nhuận Có lợi cho sức khỏe Vì khơng sử dụng hóa chất sản xuất nên người sản xuất không bị tác hại hóa chất mà lại tận hưởng môi trường thiên nhiên tốt cho sức khỏe Hơn vùng canh tác hữu chọn lựa kỹ nên sản phẩm tạo an tồn tuyệt đối cho người sử dụng bên canh, bón phân hữu nên sử dụng tổng cộng 53 nguyên tố cho sinh trưởng phát triển (điều khơng có sản xuất khơng hữu phân bón tổng hợp 13 nguyên tố cần thiết) tạo 47 cho sản phẩm có hương vị thơm ngon, màu sắc đẹp, lại có nhiều dinh dưỡng cung cấp cho người III KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ III.1 Kết luận - Hằng năm nông nghiệp nước ta tạo 70 triệu chất thải cho ngành trồng trột chăn nuôi Việc xử lí lượng chất thải vấn đề đau đầu cho nhà quản lí - Ứng dụng công nghệ sinh thái giúp giải lượng chất thải khổng lồ để bảo vệ môi trường phòng chống nhiễm, loại dịch bệnh nhiễm khuẩn, tả, lị, bệnh hô hấp… - Quan trọng ứng dụng cơng nghệ sinh thái giúp biến đổi lượng chất thải thành sản phẩm có ích cho hoạt động nơng nghiệp phân bón, chất đốt, thúc ăn gia súc… Điều không lãng phí chất thải lượng chất thải mơi trường mà tạo sản phẩm có ích phục vụ cho nộng nghiệp đem lại lợi ích kinh tế lớn cho nhà nơng Cơng nghệ sinh thái cơng nghệ tương lai III.2 Kiến nghị - Công nghệ sinh thái mang lại nhiều ích lợi nhiên lại áp dụng đơn lẻ số địa phương cần có mơ hình cụ thể để nhân rộng việc ứng dụng công nghệ sinh thái xử lí chất thải nơng nghiệp - Ứng dụng công nghệ sinh thái cần chung tay phối hợp tất ngành để xây dựng hệ thống xử lí chất thải tối ưu - Tăng cường công tác tuyên truyền giáo dục cho người dân hiểu lợi ích tầm quan trọng việc ứng dụng công nghệ sinh thái thân nhà nơng có khuến khích họ ứng dụng cơng nghệ Bên cạnh nên có sách vay vốn hỗ trợ bước đầu nhằm nhân rộng việc ứng dụng 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO T.S Lê Quốc Tuấn, giảng Công nghệ sinh thái, Đại học Nông Lâm TP.HCM http://mttd.tnus.edu.vn/_editor/assets/chuong%203.pdf http://khoahoc.tv/khampha/sinh-vat-hoc/sinh-hoc/22843_san-xuat-dien-nangtu-rom.aspx http://tvnn.vn/47//journal_content/56_INSTANCE_Y7rZ/10157/64389;jsessio nid=2352BF5E2B5D4AC6A0B1D1A6E647757D?refererPlid=10450 http://www.quantracmoitruong.gov.vn/portals/0/CTR%20nong%20thon.pdf? &tabid=36 http://voer.edu.vn/m/xu-ly-sinh-hoc-chat-thai-ran-huu-co/a4752d70 http://www.vietnamplus.vn/trichoderma-co-kha-nang-xu-ly-rom-ra-ngay-taidong/191386.vnp http://www.chephamsinhhoc.net/tin-tuc-che-pham-sinh-hoc/tin-che-phamsinh-hoc-noi-bat/ung-dung-che-pham-sinh-hoc-phuc-vu-cho-cay-trong.html https://diendancntpdhnt.wordpress.com/2012/11/06/tong-quan-ve-san-xuatethanol-sinh-hoc-tu-rom-ra/ 10 http://khoahoc.tv/timkiem/ch%E1%BA%BF+ph%E1%BA%A9m+sinh+h %E1%BB%8Dc+FITO-BIOMIX-RR/index.aspx 11 http://baothaibinh.com.vn/12/8280/dung_che_pham_vi_sinh c111n_duong_d i_toi_nen_nong_nghiep_sach.htm 12 http://tpbackan.backan.gov.vn/Pages/tin-tuc-su-kien-327/khoa-hoc-381/vaitro-cua-che-pham-vi-sinh-trong-chan-nuo-33779a77737e5d3a.aspx 49 ... như: xử lý dạng nước thải khác tái sử dụng chúng để phục vụ cho ngành công nghiệp nặng  Xử lý chất thải công nghiệp như: xử lý chất thải công nghiệp chế biến sữa, xử lý chất thải công nghiệp. .. hệ sinh thái ứng dụng hiệu vệc đóng kín chu trình sinh địa hóa II.1.3 Các lĩnh vực ứng dụng công nghệ sinh thái Tuy lĩnh vực phát triển ứng dụng công nghệ sinh thái đáng kể, bao gồm nông nghiệp; ... hợp với đối tác công nghiệp để nâng quy mô thử nghiệm lên công suất megawatt II.3 Ứng dụng cơng nghệ sinh thái xử lí chất thải hữu nông nghiệp trồng trọt II.3.1 Sử dụng chế phẩm sinh học biến