Cụng nghệ sinh học truyền thống thƣờng sử dụng cỏc chủng vi sinh vật thuần khiết đó đƣợc chọn lọc và tối ƣu điều kiện lờn men để tổng hợp cỏc sản phẩm đặc hiệu. Mụi trƣờng lờn men thƣờng giới hạn ở cỏc thành phần đó biết làm nguồn năng lƣợng và nguồn dinh dƣỡng. Vi sinh vật học là một ngành khoa học chỉ quan tõm nghiờn cứu: sinh trƣởng, phỏt triển, sinh khối và cỏc sản phẩm liờn quan đến điều kiện nuụi cấy cỏc chủng sản thuần khiết trong mụi trƣờng dinh dƣỡng xỏc định.
Nhƣng cụng nghệ phõn huỷ cỏc chất bằng vi sinh vật dựa trờn cơ sở loại bỏ hỗn hợp nhiều chất cú trong chất thải và tỏi sử dụng chỳng. Trong chất thải, nồng độ của cỏc chất hoà tan thƣờng là thấp, phần lớn hợp chất cao phõn tử khú hoà tan và khú phõn huỷ. Do vậy, xử lý mụi trƣờng hỗn hợp gồm nhiều chất ụ nhiễm bằng cỏch sử dụng nhiều chủng vi sinh sẽ tăng cƣờng khả năng phõn huỷ cỏc chất, giảm thời gian cần thiết dẫn đến giảm giỏ thành sản phẩm.
Việc tỡm hiểu tớnh đa dạng vi sinh vật tham gia vào quỏ trỡnh phõn huỷ cỏc chất trong hệ sinh thỏi đất và nƣớc là cần thiết. Cỏc nguyờn lý sinh thỏi học trong phõn huỷ cỏc chất trong việc xử lý chất thải đó đƣợc cỏc nhà khoa học: Curds và Hawkes (1975/1983), Mittchell (1972/1978) và Rheinheiner (1985) tỡm ra và đề cập nhiều trong cỏc cụng trỡnh nghiờn cứu của mỡnh.
Vi sinh vật luụn tham gia vào quỏ trỡnh phõn giải cỏc chất. Tuy kớch thƣớc của cỏc vi sinh vật bộ nhƣng với số lƣợng lớn cú trong đất và nƣớc sẽ đúng vai trũ to lớn trong hệ sinh thỏi. Vớ dụ, chỳng tham gia vào quỏ trỡnh oxy hoỏ NH4
+ đến NO3- và NO2- đũi hỏi phải cú O2 và tiếp tục khử NO3 đến N2 đũi hỏi khụng cú O2.
1.3.2. Cỏc nhúm vi sinh vật phõn giải cỏc chất hữu cơ trong tự nhiờn +Cỏc nhúm vi sinh vật phõn giải tinh bột
Nhiều nhúm vi sinh vật cú khả năng sinh amilaza nhƣ vi khuẩn, nấm mốc, xạ khuẩn và nấm men.
Cỏc vi khuẩn gram dƣơng đặc biệt là Bacillus thƣờng tạo ra nhiều (-amilaza hơn cỏc vi khuẩn gram õm (Forgarty & Kelly, 1990). Ngoài (-amilaza ra, vi khuẩn cũn tạo ra - amilaza (- amilaza trƣớc đõy chỉ thấy ở thực vật). Vớ dụ ( -amilaza
từ B. polymyxa, khi thủy phõn tinh bột cú thể tạo ra 92 - 94% maltoza. Đõy là (- amilaza đầu tiờn đƣợc phỏt hiện ở vi khuẩn. Hoạt tớnh của nú gần giống nhƣ (- amilaza của thực vật. Sau này, ngƣời ta tỡm thấy (- amilaza ở một số vi khuẩn khỏc nhƣ Acetobacter, B. megaterium, B. Cereus.
Khả năng sinh amilaza của nấm mốc là mạnh nhất trong cỏc nhúm vi sinh vật. Cỏc giống nấm mốc điển hỡnh cú khả năng phõn giải tinh bột mạnh đú là:
Aspergillus (A. niger, A. awamori, A. oryzae). Rhizopus (R. delemar, R. niveus..). Xạ khuẩn cũng là một nhúm vi sinh vật cú khả năng sinh amilaza mạnh, trong đú Streptomyces là nhúm giữ vị trớ tiờn phong sinh amilaza (S. limosus, S. aurefaciens, S. praecox ....). Nấm men là vi sinh vật ớt thấy cú khả năng tổng hợp amilaza. Tuy
nhiờn, gần đõy cũng đó cú nhiều cụng bố về nấm men cú khả năng thuỷ phõn tinh bột (Candida antaritica, lipomyces, ..).
+ Cỏc vi sinh vật phõn giải xenluloza
Trong tự nhiờn cú rất nhiều loại nấm, vi khuẩn và xạ khuẩn cú khả năng phõn giải xenluloza. Cỏc nghiờn cứu cho thấy trong điều kiện hiếu khớ, nấm thƣờng chiếm ƣu thế và ngƣợc lại trong điều kiện yếm khớ vi khuẩn và xạ khuẩn chiếm ƣu thế. Cỏc loại vi sinh vật cú khả năng phõn giải xenluloza mạnh mẽ thƣờng thuộc về cỏc chi sau: Achromobacter, P.Seudomonas, Vibrio, Cellvibrio, Bacillus, Cytophaga, Anginococcus, Micromonospora, Actinomyces, Streptomyces, Streptospotangium, Fusarium, Aspergillus.
Trong tự nhiờn, cú rất nhiều loài vi sinh vật cú khả năng phõn huỷ xenluloza bao gồm vi khuẩn, xạ khuẩn và cỏc loài nấm.
Vi khuẩn: Là nhúm vi sinh vật đƣợc nghiờn cứu nhiều. Năm 1785, lần đầu tiờn L. Popov đó phỏt hiện ra rằng cỏc vi khuẩn kỵ khớ tham gia vào quỏ trỡnh lờn men xenluloza. Thế kỷ 19 cỏc nhà khoa học đó phõn lập đợc một số vi sinh vật kị khớ cú khả năng phõn giải xenluloza từ phõn và dạ cỏ của động vật nhai lại. Năm 1902, V.L. Omelianski đó thuần khiết và mụ tả 2 giống vi khuẩn phõn giải xenluloza và nờu ra 2 kiểu lờn men xenluloza: Lờn men hydro do loài Bacillus cellulosae hydrogenicus và lờn men metan - Bacillus cellulosae metanicus. Chỳng là vi khuẩn ƣa ấm với nhiệt độ sinh trƣởng tối ƣu từ 30-35oC (Gusterov, 1970). Đầu thế kỷ 20, ngoài những nhúm vi khuẩn kỵ khớ, ngƣời ta phõn lập đƣợc cỏc nhúm vi khuẩn hiếu khớ ƣa ấm, ƣa nhiệt cú khả năng phõn giải xenluloza. Hơn nữa, trong mụi trƣờng cú độ ẩm cao hơn thƣờng khả năng phõn giải xenluloza và hemixenluloza của cỏc nhúm vi khuẩn cũng tăng lờn.
- Vi khuẩn hiếu khớ: Azotobacter, Flavobacterium, Archromobacter, Pseudomonas, Bacillus, Cellulomonas, Vibrio, Cellvibrio, Cytophaga, Angioccocus,
- Vi khuẩn kị khớ: Ngƣời ta thƣờng gọi quỏ trỡnh phõn giải xenluloza kị khớ là quỏ trỡnh lờn men xenluloza. Điển hỡnh là vi khuẩn trong khu hệ vi sinh vật trong dạ cỏ của động vật nhai lại: Ruminococcus flavofeciens, R. albus, R. parvum, Bacteroides succinpgenes, Butyrivibrio fibriosolvens, Clostridium cellobioparum,
Cillobacterium cellosolvens...
Xạ khuẩn: Xạ khuẩn một nhúm vi khuẩn đặc biệt, Gram dƣơng, hiếu khớ, tế bào đặc trƣng bởi sự phõn nhỏnh, thƣờng cú mặt quanh năm trong tất cả cỏc loại đất. Xạ khuẩn phõn giải xenluloza đƣợc phõn lập từ cỏc mẫu đất, mựn rỏc, mẫu mựn; ở những nơi cú chứa xenluloza.
Cỏc nhúm xạ khuẩn phõn giải xenluloza: Micromonospora, Proactinomyces,
Nocardia, Actinomyces, Streptomyces, Streptosporangium, Thermomonospora, Thermoactinomyces ....
Nấm: Cú rất nhiều loài nấm phõn giải xenluloza mạnh, nhƣng phần lớn chỳng thƣờng phõn huỷ xenluloza khi độ ẩm cao và ở nhiệt 20-30o
C, pH trong khoảng từ 3,5-6,6. Vỡ vậy chỳng thƣờng phõn huỷ xenluloza ở giai đoạn cuối của bể ủ, khi nhiệt độ bể ủ lạnh đi.
Cỏc loài nấm đƣợc nghiờn cứu nhiều là: Trichoderma viride, T. reesei, Fusarium solani, Phanerochaete chrysosporium. Penicilium pinophinum....Tuy
nhiờn cũng cú một số nấm ƣa nhiệt (40-45oC) cú thể sinh tổng hợp xenlulaza chịu nhiệt, chỳng sinh trƣởng và phỏt triển nhanh nhƣng hoạt lực xenlulaza trong dịch nuụi cấy lại thấp.
+ Cỏc vi sinh vật phõn giải protein
Proteaza đƣợc sinh tổng hợp từ nhiều loại vi sinh vật nhƣ: vi khuẩn, nấm sợi... Hầu hết proteaza thƣơng mại hiện nay đều đƣợc sản xuất từ vi khuẩn thuộc chi
Bacillus. Những proteaza chịu kiềm, chịu mặn thƣờng đƣợc phõn lập từ cỏc chủng
vi khuẩn ƣa kiềm, ƣa mặn. Nấm mốc cũng là một nguồn cung cấp proteaza đa dạng, một chủng nấm cú thể tổng hợp đƣợc nhiều loại proteaza khỏc nhau. Vớ dụ chủng
Aspergillus ozyzae sản sinh proteaza kiềm, axit và trung tớnh. Tuy nhiờn, proteaza (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
cú nguồn gốc từ nấm mốc lại kộm bền so với vi khuẩn.
1.3.3. Cơ chế phõn giải hợp chất cacbon trong tự nhiờn bằng vi sinh vật
Giống nhƣ cỏc quỏ trỡnh phõn giải cỏc chất hữu cơ trong tự nhiờn, quỏ trỡnh phõn giải hợp chất cacbon trong tự nhiờn là quỏ trỡnh sinh hoỏ phức tạp. Nhờ hoạt động sống của vi sinh vật, một số lƣợng lớn chất hữu cơ bị phõn giải và làm giảm trọng lƣợng. Trong quỏ trỡnh này, cỏc hydratcacbon (tinh bột, xenluloza, pectin, hemixenluloza, lignin...) đƣợc phõn giải thành những phần nhỏ hơn, sinh khối vi sinh vật mới đƣợc tạo thành đồng thời tạo ra cỏc sản phẩm của quỏ trỡnh trao đổi
chất, cỏc chất khớ (N2 ,CO2) .... Ngoài ra, tạo thành cỏc axit hữu cơ nhƣ: axit focmic, axit axetic, axit propionic, axit bộo, axit lactic... Cỏc chất này tiếp tục chuyển hoỏ thành cỏc sản phẩm khỏc.
Chu trỡnh chuyển hoỏ hợp chất cacbon đƣợc chuyển hoỏ qua hàng loạt cỏc phản ứng hoỏ học. Xỳc tỏc mỗi phản ứng là một enzym. Để duy trỡ sự sống, cỏc vi sinh vật sử dụng cỏc sản phẩm do chỳng phõn huỷ hay do vi sinh vật khỏc chuyển hoỏ. Trong quỏ trỡnh chuyển hoỏ vật chất trong tự nhiờn cú nhiều loại vi sinh vật cựng tham gia. Sản phẩm chuyển hoỏ của chủng vi sinh vật này lại là cơ chất cho vi sinh vật khỏc, hoạt động của vi sinh vật diễn ra phức tạp và cú mối liờn quan chặt chẽ.
Xenluloza là hợp chất cacbon phõn bố nhiều nhất, là thành phần cơ bản của tế bào thực vật và là nguồn cacbon dự trữ lớn nhất trong tự nhiờn. Do vậy, sản phẩm của quỏ trỡnh phõn giải xenluloza là một phần cơ bản nhất tạo nờn phõn hữu cơ và mựn rỏc. Chỳng giữ vai trũ to lớn trong sản xuất nụng nghiệp.
Lờn men xenluloza là quỏ trỡnh phõn giải kỵ khớ nhờ cỏc vi khuẩn khử sunfat hay vi khuẩn sinh metan. Cơ chế hoỏ học của quỏ trỡnh lờn men xenluloza rất phức tạp, song cú thể túm tắt theo cỏc phƣơng trỡnh sau:
1. (C6H10O5)n + nH2O n C6H12O6
2. n C6H10O5 n CH3CH2CH2COOH + CH3COOH + H2 + CO2 + Kcal. 3. n C6H10O5 n CH3CH2CH2COOH + CH3COOH + CH4 + CO2 + Kcal. Sơ đồ trờn cũng chỉ là giả định, vỡ metan đƣợc hỡnh thành hoặc do axit axetic phõn giải hoặc do CO2 hoàn nguyờn nhờ phản ứng hydro:
1. CH3COOH CH4 + CO2 2. CO2 + 4H2 CH4 + 2H2O
Do vậy, lờn men hydro lƣợng khớ (CO2 + H+) chỉ bằng 1/3 trọng lƣợng xenluloza bị phõn giải, cũn lờn men metan thỡ lƣợng khớ (CH4 + CO2) cao hơn, bằng 1/2 trọng lƣợng xenluloza bị phõn giải. Nhờ cú sự phõn bố cỏc vi sinh vật phõn giải xenluloza trong tự nhiờn mới thực hiện đƣợc chu trỡnh cacbon từ xenluloza (Gusterov, 1970).
Quỏ trỡnh phõn huỷ cỏc hợp chất chứa nitơ trong tự nhiờn:
Nhiều vi sinh vật cú khả năng chuyển húa cỏc hợp chất chứa nitơ, nhƣng vi khuẩn đƣợc chỳ ý nhiều vỡ chỳng vai trũ quyết định trong tất cả cỏc bƣớc chuyển húa của vũng tuần hoàn nitơ.
Nhúm này phõn giải protein và cỏc hợp chất hữu cơ chứa nitơ tạo thành amonia (NH3). Tất cả cỏc vi khuẩn amụn húa đều tiết men phõn giải protein vào mụi trƣờng. Cỏc sản phẩm đặc trƣng của quỏ trỡnh phõn giải protein là NH3 (ở pH trung tớnh cú dạng ion là NH4) và H2S.
Trong quỏ trỡnh phõn giải protein cú thể xảy ra trong điều kiện kỵ khớ và hiếu khớ. Trong điều kiện hiếu khớ, cỏc hợp chất hữu cơ đƣợc phõn giải bởi cỏc loài trong chi Bacillus và Pseudomonas. Một số loài trong chi Clostridium thực hiện quỏ trỡnh amụn húa trong điều kiện kỵ khớ. Cũng nhƣ cỏc vi sinh vật phõn hủy cỏc hợp chất hữu cơ núi chung, hoạt động của nhúm vi khuẩn amụn húa giỳp loại bỏ cỏc chất hữu cơ gõy ụ nhiễm nguồn nƣớc nuụi tụm.
- Quỏ trỡnh nitrat húa
Nitrat hoỏ là quỏ trỡnh oxy hoỏ amon thành nitrat đƣợc thực hiện bởi * Giai đoạn nitrat hoỏ I (quỏ trỡnh nitrit hoỏ)
NH4 + HCO3- + O2 + PO42- NO2- + SKTB
Đõy là quỏ trỡnh oxy húa amon thành nitrit nhờ hai enzym là Amonia monooxygenaza và Hydroxylamin oxydoreductaza.
* Giai đoạn nitrat húa II (quỏ tỡnh nitrat húa) NO2- + HCO3- + O2 + PO42- NO3- + SKTB
Đõy là giai đoạn oxy húa nitrat do enzym Nitrit oxydaza và Cytochrom oxydaza.
Quỏ trỡnh nitrat hoỏ chủ yếu đƣợc thực hiện dƣới tỏc động của nhúm vi khuẩn hiếu khớ hoặc hiếu khớ tựy tiện. Chỳng bao gồm một số đại diện nhƣ: Pseudomonas,
Azospirillum, Rhizobium, Bacillus.
- Quỏ trỡnh phản nitrat hoỏ
Trong điều kiện tự nhiờn, sự chuyển hoỏ nitrat hoỏ hoặc nitrit thành cỏc hợp chất nitơ dạng khớ đƣợc gọi là quỏ trỡnh phản nitrat hoỏ. Quỏ trỡnh khử nitrat đến nitơ phõn tử là quỏ trỡnh phản nitrat hoàn toàn.
Quỏ trỡnh phản nitrat hoàn toàn xảy ra qua bốn giai đoạn, mỗi giai đoạn do một emzym xỳc tỏc.
( Giai đoạn 1: Khử nitrat thành nitrit do enzym Nitrat reductaza)
( Giai đoạn 2: Khử nitrit thành oxit nitơ (NO) do enzym Nitrit reductaza) ( Giai đoạn 3: Khử NO thành N2O do enzym Dinitro reductaza)
Quỏ trỡnh phản nitrat hoỏ cú thể đƣợc thực hiện nhờ cỏc loại vi khuẩn Pseudononas,
Alcaligenes, Azospirillum, Rhizobium, Rhodopseudomonas, Bacillus. Cỏc vi khuẩn (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
phản nitrat hoỏ cú hại cho nụng nghiệp vỡ làm mất nguồn dinh dƣỡng NO3 -
cho cõy nhƣng chỳng lại rất cú lợi cho quỏ trỡnh xử lý nƣớc thải vỡ loại đƣợc nguồn nitơ độc hại.
1.3.4. Chế phẩm vi sinh vật sử dụng trong xử lý hầm cầu và nước thải ở Việt Nam
Hiện nay trờn thị trƣờng Việt Nam đó và đang cú hàng trăm cỏc chế phẩm vi sinh đƣợc lƣu hành đƣợc sản xuất trong nƣớc và nhập khẩu: Chế phẩm vi sinh Microphốt của Cụng ty Cổ Phần sinh hoỏ Nam Định, chế phẩm DW 98 Cụng ty sinh hoỏ Việt Nam, BIO-Phốt của cụng ty Vi sinh mụi trƣờng…, nhỡn chung thành phần chớnh của cỏc chế phẩm trờn đều cú chứa cỏc vi sinh vật cú tỏc dụng phõn huỷ cỏc hợp chất hữu cơ nhƣ tinh bột, protein và xenluloza. Do tớnh chất của cỏc vi sinh vật sử dụng để sản xuất chế phẩm cũng nhƣ cụng nghệ sản xuất lờn hiệu quả phõn huỷ chất thải trong bể phốt của cỏc chế phẩm rất khỏc nhau. Cho đến hết năm 2010, cỏc chế phẩm vi sinh trờn khi lƣu hành chƣa cú cơ quan nào kiểm định đỏnh giỏ chất lƣợng. Theo thụng tƣ 19/2010 của Bộ tài Nguyờn và mụi trƣờng cỏc chế phẩm sinh học dựng trong xử lý mụi trƣờng khi lƣu hành ở Việt Nam phải xin cấp phộp lƣu hành chế phẩm.
Chế phẩm vi sinh BIOMIX1 của phũng Vi sinh vật mụi trƣờng, Viện Cụng nghệ mụi trƣờng:
Thành phần vi sinh vật: Mật độ vi sinh vật hữu hiệu: 109 CFU/gam
Bao gồm cỏc chủng vi khuẩn Bacillus Subtilis và cỏc chủng xạ khuẩn thuộc chi
Streptomyces.
Cụng dụng của chế phẩm BIOMIX 1: Cú tỏc dụng phõn huỷ cỏc thải hữu cơ, khử mựi và ức chế sự phỏt triển của nhúm vi khuẩn Coliform trong chất thải. Chế phẩm đó và đang đƣợc sử dụng trong xử lý phế nụng nghiệp thành phõn hữu cơ vi sinh và sử dụng để bổ sung vào chất độn lút chuồng nuụi gia cầm tại Vĩnh Phỳc và 1 số địa phƣơng khỏc.
Trong luận văn này, tụi sử dụng chế phẩm BIOMIX 1 để bổ sung vào chất mang cacbon trong quỏ trỡnh thớ nghiệm cho chế tạo Biotoilet khụ.
CHƢƠNG 2 - ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIấN CỨU 2.1. Đối tƣợng nghiờn cứu
Trong đề tài này, đối tƣợng nghiờn cứu là chất thải sinh học của ngƣời (phõn và nƣớc tiểu). Đƣợc lấy trực tiếp từ cỏc cỏn bộ nghiờn cứu của Viện Cụng nghệ mụi trƣờng.
2.1.1. Phõn
Phõn là sản phẩm chất thải của hệ thống tiờu hoỏ của con ngƣời bao gồm Hydratcarbon chiếm đến 37 - 40%, protein, cỏc chất khoỏng 5 - 10%, nƣớc chiếm 50 - 55% và cỏc vi sinh vật gõy bệnh, chủ yếu là nhúm Coliform.
2.1.2. Nước tiểu
Nƣớc tiểu là một chất lỏng đƣợc thận sản xuất để loại bỏ cỏc chất thải từ mỏu. Nƣớc tiểu ngƣời cú màu vàng trong và cú thành phần rất phức tạp. Nƣớc tiểu bao gồm chủ yếu là nƣớc cựng với cỏc chất hữu cơ hoà tan nhƣ ure, creatinine, axit uric, vết của một số enzyme, cacbonhydrat, axit bộo và cỏc ion vụ cơ nhƣ Natri (Na+), Kali (K+), clorua (Cl-), magie (Mg2+), canxi (Ca2+), amoni (NH4+), sulfat (SO42-) và phốt phỏt.
Thành phần hoỏ học điển hỡnh trong nƣớc tiểu là:
Bảng 2.1. Thành phần hoỏ học trong nước tiểu
Nƣớc Urờ Clorua Natri Kali Creatinin
95% 9,3g/l 1,87g/l 1,17g/l 0,750g/l 0,670g/l
2.1.3. Giỏ thể sinh học - than cacbon hoỏ tre
Hiện nay, giỏ thể sinh học rất đa dạng, phong phỳ. Trờn thế giới, Bio-toilet thƣờng dựng mựn cƣa là giỏ thể sinh học bởi giỏ thành rẻ và tớnh tận dụng rỏc thải của nú.Tuy nhiờn, vỡ là gỗ chƣa đƣợc hoạt hoỏ, diện tớch bề mặt thấp nờn hiệu suất khụng cao, số lƣợng dựng lớn kộo theo thể tớch bể phản ứng lớn. Vỡ vậy, Bio-toilet dựng mựn cƣa chỉ thớch hợp với điều khiện lƣu lƣợng sử dụng thấp, cú diện tớch mặt bằng nhƣ miền nỳi, hải đảo, trang trại.
Tại Việt Nam, đặc biệt là địa điểm cụng cộng, lƣu lƣợng sử dụng lớn, diện tớch mặt bằng thiếu, Bio-toilet dựng mựn cƣa là khụng hợp lý. Tại đõy, đũi hỏi toilet cú hiệu quả xử lý cao, khụng mựi, diện tớch nhỏ. Chớnh vỡ vậy, giỏ thể sinh học bằng than cacbon hoỏ tre là một phƣơng phỏp giải quyết hữu hiệu.
Ƣu điểm của than cacbon hoỏ tre là cú thành phần TOC rất cao cú thể tự phõn huỷ theo thời gian. Cấu trỳc, mật độ lỗ trờn than đƣợc phõn tớch trờn thiết bị