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

53 127 0
Tiểu luận Ứng dụng công nghệ sinh thái trong xử lí chất thải hữu cơ nông nghiệp trồng trọt

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

Thông tin tài liệu

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 

Ngày đăng: 15/05/2020, 23:21

Từ khóa liên quan

Tài liệu cùng người dùng

  • Đang cập nhật ...

Tài liệu liên quan