TÁC NHÂN VI SINH VẬT TRONG XỬ LÝ KHÍ THẢI NGUN LÝ CỦA Q TRÌNH XỬ LÝ SINH HỌC KHÍ THẢI I NGUYÊN LÝ CỦA QUÁ TRÌNH XỬ LÝ SINH HỌC KHÍ THẢI Khí thải hoạt động sống người nói chung khí thải cơng nghiệp nói riêng có mùi khó chịu chứa nhiều dẫn xuất lưu huỳnh dạng khí như: thiosulphate, H2S, methyl mercaptan dimethyl sulphite Phân rã hiếu khí: H2S + 2O2 → H2SO4 (CH3)2S + 5O2 → 2CO2 + H2SO4 + 2H2O Phân rã yếm khí: H2S + 8NaNO3 → 4Na2SO4 + H2SO4 + 4H2O + 4N2 (CH3)2S + 4NaNO3 → Na2SO4 + 2NaOH + 2H2O + 2N2 + 2CO2 Các chất nguồn cung cấp lượng cho hoạt động sống nhiều lồi vi sinh vật hiếu khí yếm khí Trong thực tế chúng bị phân huỷ mơ tả phương trình Người ta sử dụng số biện pháp khắc phục khác đường sinh học để xử lý muối cyanide Thí dụ, enzyme rhodanase Bacillus stearothermophilus tạo có khả xúc tác phản ứng biến đổi cyanide thành thicoyanate, enzyme cyanide hydratase, loại nấm sống ký sinh chứa cyanogene tạo ra, xúc tác phản ứng thuỷ giải biến cyanite thành formamide II CÁC HỆ THỐNG LÀM SẠCH KHƠNG KHÍ BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC Công nghệ sinh học đưa vào áp dụng rộng rãi biện pháp nhằm bảo vệ môi trường sinh thái tránh khỏi chất thải độc hại xí nghiệp cơng nghiệp Trước nước thải cơng nghiệp, cịn năm gần loại khí thải cơng nghiệp Trong hai trường hợp chất độc hại người loại động vật máu nóng khác Trong thiên nhiên có phân bố rộng rãi vi sinh vật có vai trị to lớn vịng tuần hồn chất hữu nhờ chúng có hệ enzyme có khả thủy giải chất độc tố khác mặt cấu tạo hóa học sau lại có khả đồng hóa sản phẩm tạo q trình thủy giải, sử dụng sản phẩm chất trao đổi kết cấu lượng Ngày người ta biết phổ rộng hợp chất hữu thuộc nhóm chất khác mà thể vi sinh vật có khả phân giải Trong thực tế người ta sử dụng chủng vi sinh vật hay quần thể vi sinh vật để làm môi trường xung quanh khỏi chất hữu độc hại Trong khơng khí thành phố công nghiệp lớn, người ta phát tới khoảng 150 chất hữu thuộc chất đồng đẳng benzol, hydrocarbons, phenol Các xí nghiệp hóa học, chế tạo giấy cellulose, sản xuất sơn cơng nghiệp thực phẩm, xí nghiệp chế biến nơng sản tổ hợp chăn nuôi, bể lắng nước thải thiết bị xử lý chất thải nguồn thải chất độc hại có mùi thối mà chí nồng độ khơng lớn gây cho người cảm giác khó chịu làm hại sức khỏe cộng đồng xã hội Phương pháp vi sinh vật làm khơng khí khác với phương pháp làm hoá học lý học khả tiến hành trình nhiệt độ bình thường áp suất khí Có ba kiểu hệ thống làm khơng khí phương pháp sinh học: Tấm lọc sinh học (Bio-filter); Các thiết bị làm sinh học (Bio-scrubber); Các Biocreactor chứa màng lọc polymer; Tấm lọc sinh học Biofilter Thành phần bio-filter lớp lọc, xảy q trình hấp thụ chất độc từ khơng khí bị nhiễm bẩn sau phân hủy chúng vi sinh vật Khơng khí cần làm đưa vào quạt gió Người ta thường sử dụng phân ủ, than bùn chất có nguồn gốc tự nhiên tương tự để làm vật liệu cho lớp lọc Bản thân vật liệu nói có chứa khống chất cần thiết để nuôi dưỡng vi khuẩn Thường người ta sử dụng quần thể vi sinh hỗn hợp thí dụ “bùn hoạt tính” chẳng hạn để làm nước thải xí nghiệp hóa chất Các thiết bị làm sinh học Bio - Scrubber Nguyên tắc hoạt động bio-scrubber khác với bio-filter chỗ chất độc hấp thụ nước bị phân hủy vi sinh vật nằm thiết bị khác Thành phần cấu tạo quan trọng bio-scrubber thiết bị hấp thụ (absorber) nơi diễn trao đổi khối lượng chất khí thải nhiễm bẩn chất hấp thụ Khi thiết kế kiểu absorber người ta phải đặc biệt ý đến việc làm tăng diện tích bề mặt phân chia phase, yếu tố định hiệu việc hấp thụ Bên absorber chất độc oxy di chuyển vào nước, khí khỏi absorber dạng làm sạch, cịn nước trạng thái nhiễm bẩn Sơ đồ thiết bị lọc mơ tả hình 9.1, bao gồm phận thu góp (aerotank) nằm phần đáy absorber (1) Một đường ống lắp vào bên aerotank để đưa khí nhiễm bẩn vào (2) Khơng khí làm ngồi qua lỗ số (3) Ở phần bioscrubber lắp màng lọc (4) ống dẫn (5) nằm bên cạnh vịi phun (6) Nước tuần hồn hệ thống có chứa bùn hoạt tính nằm aerotank (1), ln có độ pH trì mức cần thiết nhờ trợ giúp thiết bị chuyên dụng Hệ thống sử dụng than hoạt tính, khoảng 4g/l, trộn lẫn với bùn hoạt tính Khi thiết bị hoạt động, khơng khí bẩn vào theo ống dẫn (2) qua lớp màng lọc (4) tới lỗ thoát Đồng thời từ aerotank (1) máy bơm theo đường ống (8) dịch lỏng tẩy rửa phun qua vòi phun Khi xuất dịng xốy mạnh đạt số trao đổi chất cao, trình làm khí khỏi tạp chất độc hại coi đạt yêu cầu Sự có mặt than hoạt tính làm tăng số làm sạch, số chất độc có mặt khơng khí hấp thụ lớp than q trình phân huỷ chúng diễn aerotank Các tế bào vi sinh vật tham gia vào thành phần bùn hoạt tính enzyme ngoại bào chúng tiết giữ lại than hoat tính Nước cung cấp vào aerotank theo đường ống (9) đồng thời theo đường ống thoát (10), lượng tương ứng nước rửa với bùn hoạt tính đổ vào bể lắng (12) Khi cần thiết đưa chất kết tủa từ bể lắng trở lại earotank theo (14), (15) hay đưa khỏi hệ thống theo đường (11), (13) 3 Bioreacter Những bioreactor có chứa màng polymer gắn tế bào vi sinh vật (người ta gọi chúng bioreactor bọc lớp rửa) hệ thống làm khơng khí tiên tiến Việc làm khỏi chất độc diễn nhờ vào hoạt tính enzyme tế bào vi sinh cố định màng Đôi thay vào chỗ tế bào người ta cố định enzyme lên màng polymer nói Tuy nhiên để thực quy trình cơng nghệ người ta chủ yếu sử dụng tế bào vi sinh vật cố định Một nguyên nhân chủ yếu khả dễ dàng thâu nhận chúng với giá thành rẻ so với chế phẩm enzyme Ngoài ra, số ưu mặt công nghệ khác phải kể tới mức độ ổn định cao enzyme tế bào vi sinh vật so với enzyme tách từ tế bào, khả tái sinh tự nhiên cofactor q trình hóa sinh xảy liên tục Trong việc tái sinh cofactor trường hợp sử dụng chế phẩm enzyme tinh khiết quy trình sản xuất lớn địi hỏi chi phí cao kèm theo thiết bị công nghệ phức tạp Tuy nhiên việc sử dụng tế bào cố định có nhược điểm cần phải lưu ý Có thể xảy phản ứng phụ có mặt tế bào số lượng lớn enzyme khác So với chế phẩm enzyme không tan, hoạt động enzyme tế bào vi sinh vật tính đơn vị diện tích bề mặt bioreactor thấp Protease có mặt tế bào gây biến tính enzyme, tế bào cố định tạo cản trở khuếch tán bổ sung Dịch ngưng kết Hiện có số giải pháp thiết kế kiểu bioreactor nói trên, giải pháp có tính đến yếu tố có liên quan tới chế độ khai thác liên tục xí nghiệp cơng nghiệp Trên hình 9.2 sơ đồ nguyên tắc mô tả phương pháp vi sinh vật làm khơng khí đề nghị sử dụng Trong quy trình cơng nghệ người ta sử dụng vi sinh vật đất, chúng phân bố đất mang có chứa nước muối khống cần thiết cho dinh dưỡng vi sinh vật Khi chất hữu qua bioreactor, chúng bị đồng hố vi sinh vật bị oxy hóa phàn tới CO2 H2O Hệ thống nói không yêu cầu tái sinh hay thay độ ẩm bên hệ thống việc cung cấp chất dinh dưỡng hữu cần thiết cho vi sinh vật trì Như mơ tả hình 9.2 hệ thống kênh quạt gió, bề mặt chất mang (có thể bọt xốp, bơng thủy tinh vật liệu có diện tích bề mặt riêng lớn) người ta cố định thể vi sinh vật Chất mang với vi sinh vật gắn xếp container (1) có lỗ để khí qua Container lại xếp vào thiết bị chứa (4) có chứa muối khống Khơng khí bẩn qua container sau qua thiết bị điều chỉnh khơng khí đến thành phần nhiệt độ độ ẩm cần thiết Bộ phận chuẩn bị khơng khí (3)có thể cải tiến để đốt nóng làm lạnh cách cho qua thiết bị nhiệt dạng ống xoắn (2) Cuối khí sau làm đưa thông số cần thiết vào hệ thống quạt để Trong hệ thống đại phổ biến chất mang polymer dạng lỗ dạng sợi có gắn tế bào vi sinh vật xếp cách đặc biệt container Không loại trừ khả cố định tế bào vi sinh vật chất mang vơ cơ, thí dụ silicagel cải biến, tế bào vi sinh vật cố định tạo lớp ép không chặt Theo nguyên tắc, tế bào vi sinh vật cố định chất mang nhồi vào thiết bị chứa container nhỏ có hình viên đạn, nước muối khoáng cần thiết cho tế bào vi sinh vật đưa vào containner Các chất cần phân huỷ có mặt khơng khí bẩn qua lớp xúc tác sinh học phân bố phase khí màng nước bọc hạt xúc tác, chúng khuếch tán qua màng sau bị phân rã lớp xúc tác sinh học Tốc độ làm khí bị giới hạn khuếch tán chất từ phase khí qua màng nước vào hạt xúc tác, tốc độ phân rã chúng tế bào vi sinh vật gây Tốc độ khuếch tán phụ thuộc vào chất nồng độ chất khuếch tán ranh giới phía ngồi phía màng nước Còn tốc độ phân rã chúng lại phụ thuộc vào hoạt độ hệ enzyme tế bào vi sinh vật thực trình Nếu xảy phân rã toàn chất khuếch tán qua màng nước nhờ enzyme, điều có nghĩa trình hoạt động chế độ khuếch tán Điều xét đốn theo ảnh hưởng chất mang nồng độ sinh khối lên khả phân hủy Mức độ biến đổi chất phản ánh q trình làm khí, bị giảm tốc độ dịng khí gia tăng Bioreactor có lớp rửa thường có chu kỳ hoạt động khoảng 5-10 ngày, người ta bổ sung vào nước tưới lên reactor sinh học khoảng 5% bùn hoạt tính lấy từ hồ đọng nước Tuy nhiên việc sử dụng vi sinh vật thích nghi với phát triển chất độc tố có khơng khí cần làm sạch, làm thời hạn giảm chí cịn vài Cùng với thời gian, độ cản khí động học lớp xúc tác sinh học gia tăng gia tăng hàm lượng sinh khối bị giữ lại nó, vài tháng người ta lại phải làm chất xúc tác sinh học nói Để phân huỷ với hiệu suất cao chất hữu cụ thể đó, cần phải sử dụng bioreactor chứa chủng chuyên biệt có hoạt tính phân hủy chất nói cao Thực tế cho thấy rằng, để thực chức xúc tác phân hủy hợp chất hữu cần phải có chế độ nuôi cấy riêng biệt chủng vi sinh vật trước cố định chúng Cơ sở chế độ nuôi cấy làm cho quần thể vi sinh vật thích nghi với chất cụ thể đó, điều cần thiết quần thể vi sinh vật trường hợp không đồng Có thể khó khăn xuất nuôi cấy vi sinh vật chất cụ thể, chất chất bay không tan nước Đối với số chất, sử dụng chất tương đồng mặt cấu trúc để tạo thể gen chịu trách nhiệm tổng hợp enzyme tương ứng, có nghĩa gây cảm ứng khơng đặc hiệu cho q trình tổng hợp enzyme phân huỷ Đồng thời phải nghiên cứu đặc tính động học trình phân huỷ số trường hợp cần thiết, để chắn khơng có chất ức chế tạo thành trình phân hủy chất nói trên, xác định ngưỡng nồng độ hoạt động hệ thống Trong vấn đề cần thiết phải có thơng tin tế bào bị chết khơng cịn khả tái tạo trình cố định, trrình tiến hành đồng thời với q trình polymer hóa sợi mang Cũng cần phải biết ảnh hưởng chất hữu tham gia vào q trình polymer hóa lên khả sống sót tế bào vi sinh vật giai đoạn riêng biệt Điều cần bắt buộc lý phải thay đổi chế độ cố định tế bào chế độ ni cấy chúng Vì container chứa tế bào cố định chuẩn bị trước, phải tính đến việc sấy khô, giữ hoạt độ tế bào sau sấy, thời gian thích nghi tế bào sau đưa container vào hệ thống thay đổi cho phép số lượng tế bào khả sống sót sau thời gian bảo quản điều kiện quy định Phụ thuộc vào chất, tế bào thực chức thủy giải, thí dụ esterase enzyme cắt liên kết ester ester phức (như ethylacetate, butylacetate) đồng hoá chất sử dụng chúng trình trao đổi cấu trúc lượng Cơ sở trình làm khí phương pháp vi sinh vật dựa phát triển vi sinh vật khuấy trộn mạnh mẽ, cịn gọi chemostate Trong người ta không quan tâm nhiều đến vấn đề chất cần phân huỷ dạng dung dịch hay dạng phase khí có hịa tan khuếch tán vào phase nước hệ thống khử hay không Khác với toán cổ điển giải theo kiểu chemostate, q trình nói có trường hợp có liên quan với nồng độ chất thấp kèm theo yếu tố giới hạn thay đổi tốc độ phát triển thấp Trong tính tốn chọn kiểu bioreactor sử dụng phương trình khơng tuyến tính Monod để tính tốc độ sử dụng chất Cơ sở lý thuyết phương thức giải nhiệm vụ đề hiểu biết sinh hóa vi sinh vật chế đồng hóa chất cần phân huỷ tế bào vi sinh vật Vì chất sử dụng trình trao đổi cấu trúc lượng Do cần phải biết thơng số tính tốn tối ưu cho biết phần chất bị oxy hóa đến sản phẩm cuối phần tham gia vào trao đổi cấu trúc, có nghĩa tạo sinh khối Cũng cần phải xác định thực nghiệm giá trị ngưỡng sinh khối mà cịn diễn tiến q trình diễn tiến q trình xúc tác nồng độ cho chất Hơn phải ý tác động xúc tác thực tế bào sống trình hoạt động hệ thống bioreactor Do phải tính tốn cho gia tăng sinh khối ln mức tối thiểu, gia tăng sinh khối nói chung tạo nên cản trở bổ sung màng Người ta đưa phương pháp phổ biến làm phương pháp khởi đầu để tối ưu hóa thơng số nói Một hai phương pháp phương pháp tính theo hiệu kinh tế, có nghĩa phải tính tương quan tối ưu gia tăng sinh khối tối thiểu tiêu tốn cao cho trao đổi lượng Phương pháp thứ hai dựa sở tính tốn hệ số biến đổi chất cao thành sản phẩm Ypmax theo lý thuyết oxy-hóa khử Những yêu cầu chủ yếu thiết bị sinh học làm khơng khí là: đơn giản vận hành, hiệu làm sạch, suất hoạt động riêng (là tỷ lệ khơng khí qua thiết bị thể tích làm việc hệ thống) cao độ can trở khí động học thấp Thiết bị làm sinh học không khí phổ biến biofilter có chi phí sản xuất không đáng kể (vật liệu lớp lọc rẻ phổ biến, tiêu tốn nước, điện thấp) Năng suất hoạt động bioreactor cao nhiều so với thiết bị sinh học làm khí khác, có nồng độ sinh khí cao thể tích làm việc reactor nhờ cố định vi sinh vật chất mang polymer vơ Ngồi vai trò tập trung sinh khối, chất mang thực chức quan trọng khác đảm bảo diện tích bề mặt phân cách lớn hai phase nước-khí Bởi hiệu suất làm khơng khí bioreactor thể tích tốc độ dịng khí lớn bị giới hạn tốc độ khuếch tán chất cần loại bỏ qua màng nước bao bọc lớp sinh học, muốn gia tăng suất bioreactor, có lẽ phải hoàn thiện thiết kế bioreactor tìm kiếm vật liệu để cố định vi sinh vật nhằm tạo diện tích bề mặt ngăn cách phase lớn ... pháp vi sinh vật làm khơng khí khác với phương pháp làm hoá học lý học khả tiến hành trình nhiệt độ bình thường áp suất khí Có ba kiểu hệ thống làm khơng khí phương pháp sinh học: Tấm lọc sinh học. .. pháp vi sinh vật làm khơng khí đề nghị sử dụng Trong quy trình cơng nghệ người ta sử dụng vi sinh vật đất, chúng phân bố đất mang có chứa nước muối khoáng cần thiết cho dinh dưỡng vi sinh vật. .. bào vi sinh vật so với enzyme tách từ tế bào, khả tái sinh tự nhiên cofactor q trình hóa sinh xảy liên tục Trong vi? ??c tái sinh cofactor trường hợp sử dụng chế phẩm enzyme tinh khiết quy trình