Nội dung của tiểu luận trình bày hiện trạng chất thải hữu cơ ở Việt Nam; sử dụng chế phẩm sinh học biến rơm rạ thành phân bón hữu cơ; ứng dụng công nghệ sinh thái trong xử lí chất thải hữu cơ nông nghiệp trong trồng trọt.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NƠNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH KHOA MƠI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUN BÁO CÁO CHUN ĐỀ: ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ SINH THÁI TRONG XỬ LÍ CHẤT THẢI HỬU CƠ NƠNG NGHIỆP TRỒNG TRỌT GVHD: TS. LÊ QUỐC TUẤN Sinh viên thực hiện: MSSV Nguyễn Hồi Nam Nguyễn Thị Linh Thảo 11157199 12149428 Nguyễn Thị Xuân Đạt Lâm Thị Thu Thác 12149018 14163243 Nguyễn Thị Thu Huyền 12149244 TP. HCM, tháng 11 năm 2015 MỤC LỤC I. ĐẶT VẤN ĐỀ Ngành nơng nghiệp là một trong những ngành kinh tế quan trọng và phức tạp Nó khơng chỉ là một ngành kinh tế đơn thuần mà còn là hệ thống sinh học – kỹ thuật, bởi vì một mặt cơ sở để phát triển nơng nghiệp là việc sử dụng tiềm năng sinh học – cây trồng, vật ni. Nơng nghiệp đã chuyển mạnh sang cơ cấu sản xuất hiệu quả hơn và đạt tốc độ tăng trưởng khá cao, an ninh lương thực được bảo đảm. Cơ cấu hộ nơng dân theo ngành nghề đang chuyển dịch theo hướng tăng dần số lượng và tỷ trọng nhóm các hộ tham gia sản xuất phi nơng nghiệp như cơng nghiệp, tiểu thủ cơng nghiệp và dịch vụ. Tỷ trọng phát triển ngành nghề cơng 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 sự chuyển biến tích cực, nơng thơn Việt Nam vẫn còn bộc lộ những hạn chế, yếu kém: phát triển thiếu quy hoạch, tự phát những hạn chế, yếu kém này kéo theo tình trạng ơ nhiễm mơi trường nơng thơn Một trong những ngun nhân chính của ơ nhiễm mơi trường nơng thơn là do CTR từ hoạt động nơng nghiệp, chăn ni, sự lạm dụng thuốc bảo vệ thực vật, phân bón trong sản xuất nơng nghiệp, CTR từ hoạt động làng nghề và rác thải từ sinh hoạt. Trong đó, nơng nghiệp làm phát sinh một lượng lớn chất thải hửu cơ, từ các hoạt động sản xuất nơng nghiệp như: trồng trọt (thực vật chết, tỉa cành, làm cỏ ), thu hoạch nơng sản (rơm, rạ, trấu, cám, lõi ngơ, thân ngơ)… Chất thải nơng nghiệp nếu khơng được xử lý sẽ gây ra ơ nhiễm mơi trường khơng khí, mơi trường đất, nước, làm mất vẻ mỹ quan , gây nhiều bệnh tật, tác động xấu đến sức khỏe con người, mơi trường, đánh mất một nguồn lợi lớn về kinh tế II. NỘI DUNG II.1. Tổng quan về cơng nghệ sinh thái II.1.1. Khái niệm Công nghệ sinh thái là sự kết hợp các quy luật sinh thái và công nghệ để giải quyết các vấn đề của môi trường như điều tra ô nhiễm, cải tạo ô nhiễm, xử lý chất thải Có thể định nghĩa theo cách khác: “Cơng nghệ sinh thái là các thiết kế dùng cho xử lý chất thải, kiểm sốt xói mòn, phục hồi sinh thái và nhiều ứng dụng khác nhằm hướng tới sự phát triển bền vững” II.1.2. Q trình hình thành và phát triển Cơng nghệ sinh thái bắt đầu từ những năm 1960, xuất phát từ việc nghiên cứu các q trình làm sạch mơi trường. Ứng dụng các sinh vật trong xử lý nước thải, chất thải và phục hồi các nguồn tài ngun đất và tài ngun nước. HT Odum là người đi đầu trong kỹ thuật sinh thái để ứng dụng cho các mục tiêu. Ơng tiến hành các thí nghiệm thiết kế hệ sinh thái lớn Port Aranasa, Texa (HT Odum, 1963), thành phốMorehead, Bắc Carolina (HT Odum, 1985, 1989) và Gainesville, Florida (Ewel và HTOdum, 1984) Hiện nay người ta sử dụng các hệ sinh thái tự nhiên để tái tạo tài ngun; sử dụng hệ sinh thái nhân tạo để xử lý nguồn nước, đất và khơng khí; phục hồi tài ngun đất, tài ngun thực vật cho vùng nơng thơn; kiến tạo cảnh quan đơ thị. Các hệ sinh thái được ứng dụng hiệu quả trong vệc đóng kín các chu trình sinh địa hóa II.1.3. Các lĩnh vực ứng dụng của cơng nghệ sinh thái hiện nay Tuy là lĩnh vực khá mới nhưng sự phát triển và ứng dụng của cơng nghệ sinh thái rất đáng kể, bao gồm nơng nghiệp; cơng nghiệp; xử lý nước cấp, nước thải, chất thải, khí thải; xử lý kim loại nặng, chất hữu cơ; sử dụng năng lượng; phục hồi tài ngun đất, tài ngun nước, tài ngun rừng… II.1.3.1. Cơng nghệ sinh thái trong nơng nghiệp “Cơng nghệ sinh thái” là thiết kế lại hệ thống ruộng lúa sao cho đa dạng hóa về thực vật (Flora) và động vật (Fauna). Hay nói cách khác là làm cho các lồi trong hệ sinh thái ruộng lúa được phong phú. Từ đó tạo được chuỗi thức ăn và mạng lưới thức ăn trong sự biến động nhưng cân bằng còn được gọi là dịch vụ sinh thái (Ecological Services). Từ dịch vụ sinh thái này các thiên địch sẽ tấn cơng các lồi sâu hại và giữ mật số của dịch hại ở mức thấp nhất khơng gây ra sự mất mát năng suất và chúng ta khơng cần phải xử lý thuốc trừ sâu Trồng các loại hoa có phấn hoa và mật hoa trên các bờ ruộng thì các lồi thiên địch giai đoạn trưởng thành cần ăn thêm mật và phấn hoa để bổ sung năng lượng cho sự sinh sản. Do đó, nếu trên bờ ruộng hay các cây trồng khác xung quanh có nhiều hoa với lượng mật và phấn hoa dồi dào sẽ thu hút chúng đến ăn và rồi cư ngụ ngay trong ruộng lúa để tấn cơng các loại sâu rầy. Cơng việc này được hiểu như kiến thiết lại đồng ruộng, đảm bảo được mơi trường tự nhiên hay còn được gọi là “Cơng nghệ sinh thái”(Ecological Engineering).Có nhiều lồi cây nhỏ có nhiều hoa và hoa phát triển quanh năm sẽ thu hút nhiều cơn trùng có ích. Chúng có thể trồng dễ dàng trên bờ ruộng, ít phải chăm sóc Những lợi ích mà cơng nghệ sinh thái mang lại: Thu hút Ong mật và Ong ký sinh đến bảo vệ ruộng lúa Giảm chi phí thuốc trừ sâu Tăng lợi nhuận Tạo nguồn ngun, nhiên liệu sạch II.1.3.2. Cơng nghệ sinh thái bảo vệ mơi trường Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, lồi người phải bắt đầu tìm cách giải quyết vấn đề ơ nhiễm mơi trường bằng các biện pháp khác nhau. Trong đó, các biện pháp cơng nghệ thái học ngày càng tỏ ra ưu việt hơn so với các biện pháp khác Nói chung, hiện nay vấn đề bảo vệ mơi trường được giải quyết theo ba hướng sau: Phân hủy các độc chất vơ cơ và hữu cơ; phục hồi các chu trình trao đổi chất của C, N, P và S trong tự nhiên; thu nhận các sản phẩm có giá trị dạng nhiên liệu hoặc các hợp chất hữu cơ Xử lý chất thải, như: xử lý sinh học hiếu khí, xử lý bằng lên men phân hủy yếm khí Thu nhận các chất có ích từ lên men yếm khí, như: xử lý các dạng nước thải khác nhau và tái sử dụng chúng để phục vụ cho các ngành cơng nghiệp nặng Xử lý các chất thải cơng nghiệp như: xử lý chất thải cơng nghiệp chế biến sữa, xử lý chất thải cơng nghiệp dệt Dùng vi sinh vật để khả năng ăn dầu để xử l í các sự cố tràn dầu hay ơ nhiễm dầu II.1.3.3. Cơng nghệ sinh thái trong năng lượng Như chúng ta đã biết, năng lượng có vai trò rất quan trọng trong đời sống, sinh hoạt và sản xuất của con người. Mọi hoạt động từ nấu ăn, đun nước thường ngày cho đến các hoạt động sản xuất trong các nhà máy, xí nghiệp bắt buộc phải có năng lượng mà chủ yếu là xăng, dầu, gas…đều có nguồn gốc từ năng lượng hóa thạch. Việc sử dụng năng lượng hóa thạch đã mang lại những thay đổi to lớn trong xã hội lồi người, nâng cao trình độ phát triển của xã hội, đem lại cuộc sống ấm no hơn. Tuy nhiên việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch gây nên sự tàn phá mơi trường, khan hiếm các nguồn tài ngun, biến đổi khí hậu…, đang đặt con người trước những thách thức của sự phát triển. Trước những thách thức này, người ta nhận thấy rằng việc ứng dụng cơng nghệ sinh thái vào năng lượng là chìa khóa để giải quyết vấn đề, vượt qua các trở ngại của quy luật phát triển. Cơng nghệ sinh thái sẽ giúp chúng ta khắc phục các nhược điểm của nhiên liệu hóa thạch đó là việc thải ra CO2 một loại khí gây nên hiện tượng hiệu ứng nhà kính dẫn đến biến đổi khí hậu tồn cầu. Ngồi ra năng lượng hóa thạch khơng phải là nguồn tài ngun vơ tận, đến một lúc nào đó chúng sẽ bị cạn kiệt, do vậy con người khơng thể trơng đợi mãi vào chúng mà phải tìm ra được nguồn năng lượng mới an tồn hơn, thân thiện hơn để thay thế, mà cơng nghệ sinh thái có thể giúp chúng ta việc này Vai trò của cơng nghệ sinh thái trong năng lượng Nghiên cứu tạo ra nguồn năng lượng mới, an tồn, thân thiện với mơi trường Khắc phục hậu môi trường của việc khai thác sử dụng lượng hiện nay II.1.3.4. Các hoạt động khác của cơng nghệ sinh thái hiện nay Cơng nghệ sạch: liên quan đến sự thay dổi quy trình sản xuất, thay đổi cơng nghệ và thay đổi ngun liệu đầu vào Cơng nghệ phân hủy sinh học: dùng các cơ thể sống phân hủy các chất độc thành các chất khơng độc như nước, khí CO2 và các vật liệu khác. Bao gồm cơng nghệ kích thích sinh học: bổ sung chất dinh dưỡng để kích thích sự sinh trưởng của các vi sinh vật phân hủy chất thải có sẵn trong mơi trường, cơng nghệ bổ sung vi sinh vật vào mơi trường để phân hủy chất ơ nhiễm, cơng nghệ xử lý ơ nhiễm kim loại và các chất ơ nhiễm khác bằng thực vật và nấm Dự phòng mơi trường: phát triển các thiết bị dò và theo dõi mơi trường, đặc biệt dò nước và khí thải cơng nghiệp trước khi giải phóng ra mơi trường Sử dụng các hệ sinh thái tự nhiên để tái tạo tài ngun Hệ sinh thái nhân tạo để xử lí nước, đất, khơng khí Kiến tạo cảnh quan đơ thị, phục hồi tài ngun đất, tài ngun thực vật cho vùng nơng thơn II.2 Tổng quan về chất thải hữu cơ nơng nghiệp II.2.1. Khái niệm và nguồn gốc Chất thải rắn hữu cơ là các chất thải có chứa các hợp chất hữu cơ(C, H, N, S, P) có khả năng dễ dàng phân hủy sinh học (phân hủy trong điều kiện tự nhiên.) VD: rau quả, cơm thừa… hay nói một cách đơn giản: Chất thải rắn hữu cơ là rác thải có nguồn gốc từ sinh vật (thực vật, động vật). Chúng có “tuổi thọ” thấp nhất, tồn tại trong mơi trường với thời gian ngắn rồi biến mất Chất thải rắn hữu cơ trong nơng nghiệp là các chất thải hữu cơ có nguồn gốc từ các hoạt động sản xuất nơng nghiệp như: Trồng trọt: gieo cấy, thực vật chết, rơm rạ, vỏ nơng sản sau thu hoạch, lá cành qua cắt tỉa, xác bã sau chế biến… Chăn ni: chăm sóc gia súc gia cầm, vệ sinh chuồng trại, các hoạt động giết mổ, phân gia súc gia cầm Các loại rác thải của vùng ngun liệu cơng nghiệp, như: vỏ hạt cà phê, vỏ lạc, bã mía, v.v Phế liệu nhà máy giấy, nhà máy sợi Phế thải của làng nghề chế biến tinh bột Về mặt hóa học, các rác hữu cơ ấy chứa các phân tử lớn mà tuỳ theo loại rác có thể giàu polysaccarit, protein, lipit, hoặc hỗn hợp của chúng, v.v II.2.2. Thành phần của chất thải hữu cơ Các thành phần của rác thải hửu cơ, tất cả, đều là từ xác động vật, thực vật hoặc các bộ phận của chúng. Do vậy, rác thải hửu cơ cũng có thành phần hóa học như thành phần thể sống, nhóm chất quan trọng (về lượng) là cacbonhydrat, protein và lipit. Tất cả chúng đều là những phần tử lớn (polime) gồm nhiều gốc liên kết với nhau Cacbonhydrat có thành phần tỷ lệ lớn trong sinh khối rác thải hửu cơ. Những nhóm chính của cacbonhydrat gồm: xenluloza, hemixenluloza, lignin, pectin và tinh bột II.2.3. Hiên trang ch ̣ ̣ ất thải hữu cơ ở Viêt Nam. ̣ Tổng quan Nơng nghiệp chiếm một tỉ trọng khá lớn trong nền kinh tế nước ta. Khơng chỉ cung cấp lương thực cho quốc nội mà còn xuất khẩu một lượng lớn sáng nước ngoải: Sản lượng nơng 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 đó ta có thể thấy sản lượng các sản phẩm tạo ra từ hoạt độn sản xuất nơng nghiệp là vơ cùng lớn, ước tính tổng giá trị lên tới 830 nghìn tỉ đồng đem lại nguồn tài chính dồi dào cho nền kinh tế. Tuy nhiên qua q trình sản xuất chế biến một phần lớn các phụ phẩm (rơm, rạ, chất thải gia súc gia cầm, thực vật chết) đều khơng được xử lí triệt để hoặc xử lí sơ xài gây ra lãng phí một nguồn tài ngun năng lượng đáng kể mà còn gây ơ nhiễm mơi trường 10 Tiền xử lý sinh học: Tiền xử lý sinh học cung cấp một số khái niệm quan trọng lợi thế như hóa chất thấp và sử dụng năng lượng, nhưng khơng tìm thấy được hệ thống điều khiển đầy đủ và nhanh chóng. Hóa chất tiền xử lý có những nhược điểm nghiêm trọng trong u cầu sử dụng cho các thiết bị chun ngành chống ăn mòn, mở rộng giặt, và xử lý thích hợp chất thải hóa học. Tiền xử lý sinh học là một phương pháp an tồn và thân thiện với mơi trường do lignin loại bỏ từ lignocellulose. Các vi sinh vật đầy hứa hẹn nhất trong tiền xử lý sinh học là nấm trắng thối thuộc về lớp Basidiomycetes (Taniguchi et al, 2005). Những ảnh hưởng của tiền xử lý sinh học của rơm rạ bằng cách sử dụng bốn nấm trắng thối (Phanerochaete chrysosporium, Trametes versicolor, Ceriporiopsis subvermispora và Pleurotus ostreatus) được đánh giá trên cơ sở những thay đổi về số lượng và cơ cấu trong thành phần của rơm đã qua xử lý cũng như tính nhạy cảm thủy phân enzym (Taniguchi et al, 2005). Trong số này nấm trắng thối họ P. ostreatus chọn lọc xuống cấp phần lignin gạo rơm chứ khơng phải là thành phần holocellulose. Khi rơm được xử lý trước với P. ostreatus trong 60 ngày, tổng trọng lượng giảm và mức độ của Klason lignin bị suy thối là 25% và 41%, tương ứng. Sau khi tiền xử lý, số lượng còn lại trong rơm khơng được xử lý của cellulose và hemicellulose là 83% và 52%. Thủy phân enzym với enzyme cellulase thương mại chuẩn bị 48h, holocellulose 52% và 44% cellulose trong rơm đã qua xử lý được hòa tan. Sản lượng đường tinh khiết dựa trên số lượng holocellulose và cellulose khơng được xử lý trong rơm là 33% cho đường hòa tan tổng số từ holocellulose và 32% glucose từ cellulose (Taniguchi et al, 2005). Kính hiển vi điện tử qt (SEM) quan sát cho thấy tiền xử lý với enzyme thủy phân P. ostreatus dẫn đến sự gia tăng tính nhạy cảm của rơm rạ do suy thối một phần của lignin. Patel et al. (2007) đã làm một nghiên cứu sơ bộ về tiền xử lý vi sinh vật và lên men các chất thải nông nghiệp như rơm. Một sự kết hợp của năm loại nấm khác nhau: Aspergillus niger, Asp.awamori, Trichoderma reesei, Phenerochaete chrysosporium, Pleurotus sajorcaju, thu được từ sàng lọc được sử dụng 39 cho tiền xử lý và Saccharomyces cereviseae (NCIM 3095) đã được sử dụng để thực hiện q trình lên men. Tiền xử lý với A. niger và A. Asp.awamori và lên men sau đó mang lại sản lượng ethanol cao nhất (2,2 g L1) Tiền xử lý kết hợp: Kun et al. (2009) báo cáo tiền xử lý rơm rạ bằng kiềm với sự hỗ trợ của quang xúc tác làm thay đổi tính chất vật lý và vi cấu trúc của rơm, dẫn đến giảm dung lượng lignin và do đó làm tăng tốc độ thủy phân enzym của rơm trước khi được xử lý. Xử lý rơm rạ bằng kiềm khi khơng có xúc tác H2O2 thúc đẩy sự hòa tan các hemicelluloses có kích thước phân tử nhỏ, giàu glucose (có lẽ có nguồn gốc từ một –glucan), trong khi xử lý ở giai đoạn thứ hai của giải thể bằng kiềm tăng cường peroxide của hemicelluloses có kích thước phân tử lớn hơn , giàu xylose (Sun et al , 2000) . Tiền xử lý bằng vi sóng là một phương pháp tiền xử lý quan trọng và hiệu quả khi áp dụng kết hợp với các phương pháp khác. Zhu et al. (2006) báo cáo một số kết hợp tiền xử lý vi sóng của rơm rạ cùng với axit và kiềm trong đó loại bỏ hemicellulose và lignin, và vi sóng loại bỏ lignin nhiều hơn so với tiền xử lý bằng chất kiềm một mình. Kết quả cho thấy cơng suất tiền xử lý bằng vi sóng cao hơn với thời ngắn hơn và điện năng thấp hơn. Vi sóng tăng cường một số phản ứng trong tiền xử lý, nhưng cơ chế chi tiết vẫn chưa rõ Lu và Minoru (1993) báo cáo tiền xử lý bằng bức xạ của rơm rạ trong sự có mặt của dung dịch NaOH bằng cách sử dụng một máy gia tốc chùm tia điện tử. Chùm electron chiếu xạ làm thay đổi cấu trúc lignocellulosic để dung dịch NaOH có thể xâm nhập dễ dàng vào lignocellulosic phức tạp và gia tăng tốc độ phản ứng để dễ dàng loại bỏ lignin, cellulose hemicellulose scissored tăng khả tiếp cận enzyme. Jin và Chen (2006) đã nghiên cứu một sự kết hợp của sự bùng nổ hơi nước và nghiền siêu mịn rơm rạ và thủy phân enzym của nó. Việc nghiền siêu mịn đã được kết hợp với sự bùng nổ hơi mức độ nghiêm trọng thấp để xử lý rơm rạ rút ngắn thời gian nghiền, tiết kiệm chi phí năng lượng, tránh các chất ức chế, và thủy phân enzym 40 cao. Nghiền siêu mịn rơm rạ được tiến hành sau khi được hơi nước đã phát nổ tại R0 thấp (yếu tố mức độ của nổ hơi) để tránh phân hủy q mức của hemicellulose và sản phẩm thế hệ từ các loại đường và lignin. Nó cho thấy sự khác biệt trong q trình thủy phân enzym về thành phần hóa học, đặc điểm chất xơ và các tế bào bao gồm dung lượng của hơi nước mặt đất bùng nổ với sản phẩm rơm rạ siêu mịn và hơi 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 là bước thứ hai trong việc sản xuất ethanol từ nguyên liệu lignocellulose Nó liên quan đến trình bẻ gãy polyme của cellulose và hemicellulose. Cellulose thường chỉ chứa glucans, trong khi hemicellulose polyme chứa nhiều đường như Mannan, xylan, glucan, galactan, và arabinan. Do đó, các sản phẩm thủy phân chính của cellulose là glucose, trong khi hemicellulose còn sản sinh ra một số pentoses và hexoses (Taherzadeh và Niklasson, 2004). Tuy nhiên, lượng lignin cao ngăn chặn enzyme tiếp cận, gây ra sự ức chế sản phẩm cuối cùng, làm giảm tốc độ và năng suất thủy phân. Ngồi lignin, cellobiose và glucose cũng hoạt động như các chất ức chế mạnh mẽ của cellulases (Knauf và Moniruzzaman, 2004) Nhiều yếu tố khác nhau ảnh hưởng đến năng suất của lignocellulose, đường monomeric và những sản phẩm khác, ví dụ như kích thước hạt, nồng độ acid, nhiệt độ và thời gian phản ứng, cũng như độ dài của các đại phân tử, mức độ trùng hợp của cellulose, cấu hình của chuỗi cellulose, sự kết hợp của cellulose với các cấu trúc khác bảo vệ polyme trong thành tế bào thực vật như lignin, pectin, hemicellulose, protein, và các yếu tố khống chất Tiến bộ mới trong công nghệ enzym cho việc chuyển đổi sinh khối cellulose thành đường đã mang lại tiến bộ đáng kể trong nghiên cứu ethanol lignocellulosic Thủy phân enzym thường được tiến hành trong điều kiện nhẹ, tức là áp lực thấp và thời gian lưu giữ kết nối lâu dài trong quá trình thủy phân hemicellulose. Valdes và Planes (1983) nghiên cứu quá trình thủy phân của rơm rạ bằng cách sử dụng H 2SO4, 5 41 10% nhiệt độ từ 801000C Họ báo cáo sản lượng đường tốt 1000C với H2SO410% 240 phút Yin et al (1982) nghiên cứu trình thủy phân hemicellulose của rơm rạ với H2SO42% ở 1101200 C, và đã thủy phân hơn 70% đường pentoses. Valkanas et al. (1998) thực hiện thủy phân rơm rạ với các axit khác nhau với các nồng độ khác nhau (H2SO40,51%, HCl 23% và H3PO40,51%) và họ thấy rằng sau thời gian lưu giữ 3h , pentosans trong rơm chuyển đổi sang monosaccharides thích hợp cho q trình lên men. Roberto et al. (2003) nghiên cứu tác dụng của H2SO4 và thời gian lưu giữ về sản xuất đường và các sản phẩm từ rơm rạ nhiệt độ tương đối thấp 1210C và thời gian lưu giữ từ 1030 phút trong một lò phản ứng hàng loạt 350L . Và kết quả cho thấy nồng độ axit tối ưu 1% và thời gian lưu giữ tối thiểu 27 phút đã được tìm thấy để đạt được năng suất xylose cao (77%). Tiền xử lý rơm với dung dịch acid sulfuric lỗng, kết quả trong 0,72 g g1 năng suất đường trong 48h thủy phân enzym cao hơn so với hơi nước pretreated (0,60 g g 1), và khơng được xử lý rơm (0,46 g g 1) (Abedinifar et al. , 2009). Khi tăng nồng độ chất nền từ 20 đến 50 và 100g L1 năng suất đường giảm tương ứng từ 13% đến 16% Động học của sản xuất glucose từ rơm rạ bởi Aspergillus niger đã được nghiên cứu bởi Aderemi et al (2008) đã cho thấy năng suất Glucose tăng từ 43% đến 87% khi cỡ hạt rơm giảm từ 425 đến 75 µm, trong khi nhiệt độ và pH tối ưu đã được tìm thấy trong phạm vi tương ứng lần lượt là 45500C và 4,55. Nghiên cứu cho thấy nồng độ và tốc độ sản sinh glucose là phụ thuộc vào tiền xử lý rơm, nồng độ chất nền và chất tải tế bào. Kết quả việc thuỷ phân enzim bằng kiềm dưới tác động của ánh sáng là tốc độ cao gấp 2.56 lần so với q trình thủy phân bằng kiềm khơng có xúc tác (Kun et al, 2009) trong khi đó, xử lý rơm bằng amoniac dẫn đến sự gia tăng của các loại đường monomeric từ 11% khi khơng được xử lý đến 61% (SulbarandeFerrer et al, 2003) Hiệu suất thuỷ phân của nhiên liệu sinh học lignocellulosic gia tăng khi có sự kết hợp của các enzyme như cellulase, xylanases và pectinaza nhiều hơn là chỉ dùng cellulase 42 (Zhong et al, 2009) nhưng chi phí của q trình tăng mạnh mặc dù có những quan điểm sinh học rất hấp dẫn Lên men: Phần cellulose hemicellulose rơm rạ có thể chuyển đổi thành ethanol hoặc đường hóa đồng thời với q trình lên men (SSF) hoặc các quy trình thủy phân enzym riêng biệt và lên men (SHF). SSF là được ưa chuộng hơn vì chi phí thấp (Wyman, 1994) và năng suất ethanol cao hơn so với SHF bằng cách giảm thiểu sự ức chế sản phẩm. Một trong những hạn chế của q trình này là sự khác biệt về nhiệt độ tối ưu của các enzym thủy phân và vi sinh vật lên men Hầu hết các kết quả báo cáo rằng nhiệt độ tối ưu cho thủy phân enzym 40 50 0C, nhưng các vi sinh vật có năng suất và sản lượng ethanol tốt thường khơng chịu đựng được nhiệt độ cao này. Vấn đề này có thể tránh được bằng cách áp dụng các vi sinh vật chịu nhiệt như Kluyveromyces marxianus, Candida lusitaniae, và Zymomonas Mobilis hay cấy hỗn hợp số vi sinh vật Brettanomyces clausenii và Saccharomyces cerevisiae (Golias et al, 2002;. Spindler et al, 1988) Punnapayak và Emert (1986) nghiên cứu SSF của kiềm trước khi được xử lý rơm với Pachysolen tannophilus và Candida brassicae , nơi P. tannophilus dẫn đến kết quả sản lượng ethanol cao hơn C. brassicae trong tất cả các thử nghiệm . Tuy nhiên, họ đã đạt được chỉ có ít hơn 30 % sản lượng ethanol lý thuyết. Nghiên cứu SSF của axit trước khi rơm được xử lý với indicus Mucor, Rhizopus oryzae, và S. cerevisiae kết quả cho thấy năng suất tổng thể ethanol tối đa đạt 4074 % sản lượng lý thuyết (Karimi et al, 2006). SSF của kiềm và lò vi sóng / kiềm tiền xử lý rơm rạ đến ethanol sử dụng cellulase từ nấm T. reesei và S. cerevisiae đã được nghiên cứu bởi Zhu et al (2006) Dưới điều kiện tối ưu nồng độ ethanol đạt 29,1g L1 và suất ethanol 61,3%. Nghiên cứu cho thấy sản xuất ethanol từ lò vi sóng /rơm đã qua xử lý kiềm có sự tải enzyme thấp hơn, rút ngắn thời gian phản ứng, và nồng độ ethanol đạt được cao 43 hơn và năng suất hơn so với rơm chưa được xử lý bằng kiềm. Có nhiều báo cáo nói rằng đường hóa và lên men (SSF) đồng thời vượt trội hơn so với sự đường hóa truyền thống và sau đó lên men trong sản xuất ethanol từ rơm rạ bởi vì q trình SSF có thể cải thiện năng suất ethanol, loại bỏ sản phẩm cuối cùng khơng cần thiết cho các lò phản ứng riêng biệt cho đường hóa và lên men (Chadha et al, 1995) Thủy phân riêng biệt enzyme và lên men gạo bằng M. indicus, R. oryzae, và S. cerevisiae đã được nghiên cứu bởi Abedinifar et al. (2009). Nghiên cứu của họ kết luận rằng M. indicus có thể để sản xuất ethanol từ pentoses. Lồi này là một giống tốt cho sản xuất ethanol từ lignocelluloses, đặc biệt là đối với rơm Ngồi q trình SSF và SHF có một q trình được gọi là hợp nhất bioprocessing (CBP). Trong q trình này, sản xuất cellulase, thủy phân sinh khối, và lên men ethanol được thực hiện cùng nhau trong một lò phản ứng duy nhất. Một vi sinh vật có hiệu quả có thể lên men xenlulose trực tiếp thành ethanol, chẳng hạn như chủng Clostridium phytofermentans, sẽ là phù hợp nhất cho q trình này Glucose và xylose là hai đường chiếm ưu thế trong các q trình thủy phân lignocellulose. Khó khăn chính của việc sử dụng hai vi sinh vật cho q trình lên men đồng thời của hai đường là khơng có khả năng cung cấp các điều kiện mơi trường tối ưu của hai loại cùng một lúc (Chandrakant và Bisaria, 1998). Đa số các nghiên cứu trước đây về dòng đồng chủng báo cáo rằng, khi q trình lên men glucose trong hỗn hợp đường tiến hành hiệu quả bằng một loại đường lên men truyền thống, sự lên men của xylose thường chậm và hiệu quả thấp do u cầu oxy xung đột giữa hai chủng và/hoặc ức chế sản phẩm dị hóa trên, đồng hóa xylose do glucose (Grootjen et al, 1991; Kordowskawiater và Targonski, 2002). Phương pháp tiếp cận trong các quy trình cơng nghệ và chủng cơng nghệ đã được thực hiện để vượt qua những khó khăn và 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 của một trong các chủng (Grootjen et al, 1991.), đồng cố định của hai chủng (Grootjen et al, 1991; 44 deBari et al, 2004.), hai giai đoạn lên men trong một lò phản ứng sinh học (tức là tuần tự ni cấy) (Fu và Peiris, 2008), và lên men riêng biệt trong 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 về bã mía Ngành cơng nghiệp sản xuất mía đường đã tạo ra một lượng lớn phế phẩm từ cây mía (bã mía). Bã mía chiếm 2530% trọng lượng mía đem ép. Trong bã mía chứa trung bình 49% là nước, 48% là xơ (trong đó chứa 4555% cellulose) 2.5% là chất hồ tan (đường). Bã mía được cắt nhỏ và được tiền xử lý bằng NaOH để phá vỡ cấu trúc. Sau đó,được tiến hành thuỷ phân bằng enzyme cellulase hoặc thuỷ phân và lên men đồng thờibằng enzyme cellulase và nấm men Saccharomyces cerevisiae Bã mía là một trong số nhiều nguồn biomass phổ biến và có nhiều tiềm năng ở Việt Nam II.3.3.2. Nguồn bã mía ở Việt Nam Về mặt tài ngun tự nhiên như khí hậu, đất đai, Việt Nam được đánh giá là nước có tiềm năng trung bình khá để phát triển mía cây. 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 cả nước, các vùng tây ngun và vùng Đơng Nam Bộ, đặc biệt là dun hải Nam Trung Bộ có khả năng trồng mía đường tốt 45 Hình: Biểu đồ biểu diễn sản lượng mía tại mỗi vùng Hiện nay mỗi năm có khoảng 1.3 triệu tấn đường được sản xuất (quy mơ cơng nghiệp và dân tự chế biến), tức khoảng 3 triệu tấn bã mía được thải ra. Đây là nguồn nguyện liệu rất lớn cho việc sản xuất ethanol Nước ta đã có quy hoạch phát triển ngành mía đường, đến năm 2010 diện tích trồng mía dự kiến đạt khoảng 30x104 ha, năng suất 65 tấn/ha. Phụ phẩm của mía đường rất dồi dào, chất lượng cao, thích hợp cho sản xuất nhiên liệu sinh học 46 Hình: Bảng thành phần khối lượng sinh khối trong đó có bã mía Hiện trạng sử dụng năng lượng từ bã mía ở Việt Nam Mặc dù bã mía là nguồn năng lượng lớn thì nguồn bã mía nói riêng và nguồn biomass nói chung đã khơng được sử dụng một cách hiệu quả ở Việt Nam. Phần lớn bã mía được sử dụng làm chất đốt, làm thức ăn cho gia súc… II.3.3.3. Quy trình sản xuất ethanol Tổng qt 47 Hình: sơ đồ chuyển hóa bã mía thành ethanol Q trình chuyển hóa bao gồm sự thủy phân các thành phần chính của bã mía để tạo ra những loại đường có thể lên men và thực hiện việc lên men chúng để tạo ra ethanol. Giai đoạn tiền xử lý là cần thiết để nâng cao hiệu quả q trình thủy phân cellulose thành đường Quá trình thủy phân thường thực hiện bởi acid hoặc enzyme cellulase, và q trình lên men được thực hiện bởi vi khuẩn hoặc nấm men Các yếu tố ảnh hưởng đến q trình thủy phân cellulose bao gồm độ xốp của vật liệu, kích thước vi sợi cellulose, và sự có mặt của lignin, hemicellulose trong vật liệu. Sự 48 hiện diện của lignin và hemicellulose làm cho hoạt động của enzyme cellulase trở nên khó khăn hơn, do đó hiệu suất của q trình thủy phân sẽ thấp. Tiền xử lý là cần thiết để thay đổi cấu trúc và kích thước của sinh khối, cũng như thành phần hóa học của nó, sao cho q trình thủy phân các hydrocarbon thành các loại đường đơn diễn ra nhanh chóng và đạt hiệu quả cao. Q trình thủy phân sẽ đạt hiệu quả cao bằng việc loại bỏ lignin và hemicellulose, giảm kích thước vi sợi cellulose, tăng cường độ xốp thơng qua q trình tiền xử lý Ở q trình thủy phân, các loại đường đơn sẽ được tạo ra bằng việc phân cắt các mắc xích của cellulose, trước khi chúng được lên men sản xuất rượu. Q trình thủy phân cellulose được thực hiện bởi acid hoặc enzyme thủy phân. Các mắt xích của cellulose có thể bị phân cắt thành các phân tử đường glucose riêng lẻ bằng enzyme cellulase. Nguồn thu enzym cellulase lớn nhất hiện nay là vi sinh vật (nấm, vi khuẩn) Các loại đường sáu carbon (hexoses) như glucose, galactose, và mannose dễ dàng lên men thành ethanol hoạt động tự nhiên nhiều sinh vật Nấm men Saccharomyces cerevisiae đã được sử dụng từ lâu trong nền cơng nghiệp sản xuất bia để tạo ra ethanol từ hexoses Hai bước cuối để biến đổi bã mía thành ethanol (thủy phân và lên men) có thể được thực hiện một cách độc lập hoặc đồng thời Thu hồi ethanol từ dịch lên men bằng q trình chưng cất hoặc kết hợp q trình chưng cất với q trình hấp phụ. Các thành phần khác, bao gồm lignin, cellulose và hemicellulose khơng phản ứng, và enzyme thì tích lũy ở dưới đáy của tháp chưng cất 49 II.4. Lợi ích nơng nghiệp, mơi trường và kinh tế xã hội II.4.1. Nơng nghiệp Trong sản xuất nơng nghiệp đặc biệt trong lĩnh vực trồng trọt, phân bón vi sinh (chế phẩm của cơng nghệ sinh học) là cơ sở của việc nâng cao năng suất, chất lượng cây trồng, góp phần cải thiện độ màu mỡ của đất Tiềm năng sử dụng các chế phẩm sinh học trong canh tác cây trồng rất lớn, là hướng đúng đắn, hướng tới nông nghiệp hữu cơ, sinh thái bền vững và thân thiện với môi trường. Tuy nhiên, trên thực tế, việc sử dụng chế phẩm sinh học ở Việt nam còn rất hạn chế, đặc biệt là nhóm chế phẩm sinh học phòng trừ sâu bệnh hại cây trồng Giải quyết và tận dụng hiệu quả nguồn ngun liệu rơm, rạ dồi dào, sẵn có ở địa phương, góp phần thực hiện tiêu chí mơi trường trong chương trình quốc gia về xây dựng nơng thơn mới II.4.2. Mơi trường Tốt cho mơi trường. Vì sản xuất mang tính hướng theo thiên nhiên nên đảm bảo khơng gây ơ nhiễm mơi trường, các phế phẩm nơng nghiệp được ủ để làm phân hữu trả lại vào đất nên sẽ tạo cân bằng cho hệ sinh thái. Ngồi ra, phân hữu cơ góp phần cải tạo đất tăng độ màu mỡ cho đất và tránh các hiện tượng xói mòn II.4.3. Kinh tế và xã hội Theo đúng chuỗi giá trị thì sản phẩm hữu cơ sẽ mang lại cho người sản xuất thu nhập cao. Hiện nay đa số sản phẩm hữu cơ của Việt Nam được xuất khẩu mang lại khoản lợi nhuận lớn cho các cơng ty. Biến nguồn gây ơ nhiễm thành phân bón hữu cơ dạng bùn hoặc dạng nước, phục vụ sản xuất nơng nghiệp. Việc tái chế khơng chỉ có ý nghĩa về mặt mơi trường mà còn đem lại lợi ích kinh tế. Vì với lượng lớn chất thải hữu cơ, sẽ cung cấp nguồn 50 ngun liệu dồi dào để sản xuất phân vi sinh loại phân rất tốt cho cây trồng và thân thiện với mơi trường. Bên cạnh đó, việc doanh nghiệp bán các sản phẩm tái chế và nơng dân được mua nguồn phân bón giá rẻ sẽ giúp doanh nghiệp và nơng dân giảm chi phí, tăng lợi nhuận Có lợi cho sức khỏe. Vì khơng sử dụng hóa chất trong sản xuất nên người sản xuất khơng bị tác hại của hóa chất mà lại được tận hưởng một mơi trường trong sạch và thiên nhiên rất tốt cho sức khỏe. Hơn nữa vùng canh tác hữu cơ được chọn lựa kỹ càng nên sản phẩm tạo ra an tồn tuyệt đối cho người sử dụng. bên canh, vì bón phân hữu cơ nên cây sử dụng được tổng cộng 53 ngun tố cho sự sinh trưởng phát triển (điều này sẽ khơng có đối với sản xuất khơng hữu cơ vì phân bón chỉ tổng hợp được 13 ngun tố cần thiết) tạo cho sản phẩm có hương vị thơm ngon, màu sắc đẹp, lại có nhiều dinh dưỡng cung cấp cho con người III. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ III.1. Kết luận Hằng năm nền nơng nghiệp nước ta tạo ra hơn 70 triệu tấn chất thải cho mỗi ngành trồng trột và chăn ni. Việc xử lí lượng chất thải trên đang là vấn đề đau đầu cho các nhà quản lí Ứng dụng cơng nghệ sinh thái đã giúp giải quyết lượng chất thải khổng lồ này để bảo vệ mơi trường phòng chống các ơ nhiễm, các loại dịch bệnh như nhiễm khuẩn, tả, lị, bệnh hơ hấp… Quan trọng hơn ứng dụng cơng nghệ sinh thái còn giúp biến đổi lượng chất thải này thành những sản phẩm có ích cho hoạt động nơng nghiệp như phân bón, chất đốt, thúc ăn gia súc… Điều này khơng chỉ lãng phí chất thải lượng chất thải này ra mơi trường mà còn tạo ra sản phẩm có ích phục vụ cho nộng nghiệp 51 đem lại lợi ích kinh tế lớn cho nhà nơng. Cơng nghệ sinh thái chính là cơng nghệ của tương lai III.2 Kiến nghị Cơng nghệ sinh thái mang lại nhiều ích lợi tuy nhiên lại chỉ đang được áp dụng đơn lẻ tại một số địa phương do đó cần có một mơ hình cụ thể để nhân rộng việc ứng dụng cơng nghệ sinh thái trong xử lí chất thải nơng nghiệp Ứng dụng cơng nghệ sinh thái cần sự chung tay phối hợp của tất cả các ngành để xây dựng một hệ thống xử lí chất thải tối ưu nhất Tăng cường cơng tác tun truyền và giáo dục cho người dân hiểu được lợi ích và tầm quan trọng của việc ứng dụng cơng nghệ sinh thái đối với bản thân nhà nơng có như vậy mới khuến khích họ ứng dụng cơng nghệ này. Bên cạnh đó nên có các chính sách vay vốn hỗ trợ bước đầu nhằm nhân rộng việc ứng dụng hơn nữa TÀI LIỆU THAM KHẢO T.S Lê Quốc Tuấn, bài giảng Cơng nghệ sinh thái, Đại học Nơng Lâm TP.HCM http://mttd.tnus.edu.vn/_editor/assets/chuong%203.pdf http://khoahoc.tv/khampha/sinhvathoc/sinhhoc/22843_sanxuatdiennang turom.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/xulysinhhocchatthairanhuuco/a4752d70 52 http://www.vietnamplus.vn/trichodermacokhanangxulyromrangaytai dong/191386.vnp http://www.chephamsinhhoc.net/tintucchephamsinhhoc/tinchepham sinhhocnoibat/ungdungchephamsinhhocphucvuchocaytrong.html https://diendancntpdhnt.wordpress.com/2012/11/06/tongquanvesanxuat ethanolsinhhocturomra/ 10 http://khoahoc.tv/timkiem/ch%E1%BA%BF+ph%E1%BA%A9m+sinh+h %E1%BB%8Dc+FITOBIOMIXRR/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/tintucsukien327/khoahoc381/vai trocuachephamvisinhtrongchannuo33779a77737e5d3a.aspx 53 ... đoạn kế tiếp của Dự án, theo các nhà khoa học là phối hợp với các đối tác cơng nghiệp để nâng quy mơ thử nghiệm lên cơng suất 2 megawatt II.3. Ứng dụng cơng nghệ sinh thái trong xử lí chất thải hữu cơ nơng nghiệp trong trồng trọt II.3.1. Sử dụng chế phẩm sinh học biến rơm rạ thành phân bón hữu cơ. .. phát triển và ứng dụng của cơng nghệ sinh thái rất đáng kể, bao gồm nơng nghiệp; cơng nghiệp; xử lý nước cấp, nước thải, chất thải, khí thải; xử lý kim loại nặng, chất hữu cơ; sử dụng năng lượng; phục hồi tài ... thải khác nhau và tái sử dụng chúng để phục vụ cho các ngành cơng nghiệp nặng Xử lý các chất thải cơng nghiệp như: xử lý chất thải cơng nghiệp chế biến sữa, xử lý chất thải cơng nghiệp dệt Dùng vi sinh vật để khả năng ăn dầu để xử l í các sự cố tràn dầu hay ơ