CHƯƠNG 6: CÔNG NGHỆ SINH HỌC TRONG BẢO VỆ MÔI TRƯỜNG Trong vài thập kỷ trở lại đây, ô nhiễm môi trường là một trong những vấn đề đang đè nặng cuộc sống của chúng ta. Con người cũng đang sử dụng nhiều biện pháp để bảo vệ môi trường khác nhau, tuy nhiên sử dụng công nghệ sinh học trong bảo vệ môi trường là biện pháp ưu việt hơn cả. Đây là biện pháp sử dụng vi sinh vật, tái thiết lập lại các chu trình trao đổi chất của tự nhiên như chu trình C, N, S, P, … do ô nhiễm đã làm các chu trình này bị phá vỡ. Vì vậy biện pháp công nghệ sinh học là biện pháp tự nhiên, hiệu quả, không làm mất cân bằng sinh thái như các biện pháp hoá học, lý học. 6.1. Xử lý nước thải Trong hoạt động sống của con người (sinh hoạt, sản xuất) đã thải ra một lượng khổng lồ phế thải ra môi trường tự nhiên. Các phế thải này không được xử lý sẽ tích tụ dẫn đến ô nhiễm môi trường. Công nghệ sinh học có hai hướng để xử lý phế thải này là xử lý sinh học hiếu khí và xử lý sinh học yếm khí. 6.1.1. Xử lý sinh học hiếu khí Bản chất là quá trình xử lý phân giải sinh học phế thải có sự hiện hiện của oxy. Cung cấp oxy cho vi sinh vật làm tăng quá trình hô hấp hiếu khí, phân huỷ triệt để các hợp chất hữu cơ trong nước thải thành CO 2 và H 2 O. Nhờ vậy các chỉ số BOD (nhu cầu oxy sinh học, Biochemical Oxygen Demand) và COD (nhu cầu oxy hoá học, Chemical Oxygen Demand) của nước thải giảm nhanh chóng. Phản ứng tổng quát: Chất hữu cơ + O 2 ___________ CO 2 + H 2 O + Năng lượng Năng lượng được vi sinh vật sử dụng để tăng sinh tế bào. Các vi sinh vật hiếu khí thường sử dụng để xử lý hiếu khí là vi khuẩn Zoogloea, Pseudomonas, Flavobacterium, hoặc tảo lam như Cyanobacterium, Chlorella. Trong trường hợp nước thải giàu S, Fe, N thì có các vi khuẩn lưu huỳnh Thiobacillus, Ferrobacillus, Nitromonas, Nitrobacter. Qui trình xử lý nước thải hiếu khí như sau bao gồm các công đoạn sau: + Xử lý sơ cấp (Primary treatment): - Là giai đoạn tiền xử lý, bao gồm các công đoạn loại bỏ chất rắn không tan, rác vô cơ, hữu cơ nổi trên bề mặt. - Sau đó nước chảy được chảy vào bể lắng sơ cấp (Primary sedimentation tank), bể này có tác dụng lắng chất huyền phù (lơ lửng), các chất này lắng xuống đáy tạo thành bùn lắng gọi là bùn sơ cấp (primary slugde). Ơ công đoạn này khoảng 40 – 60% chất huyền phù được lắng. Ơ bước này vai trò của vi sinh vật phân giải không đáng kể. + Xử lý thứ cấp (Secondary treatment): - Là bước xử lý sinh học quan trọng, phân huỷ hữu cơ và làm giảm BOD. Trong giai đoạn này nước thải từ bể lắng sơ cấp sẽ chảy vào bể hiếu khí(aeration tank). Không khí được xục liên tục để cung cấp oxy cho vi khuẩn và các vi sinh vật khác hoạt động phân giải hữu cơ thành CO 2 và H 2 O và sinh sôi. Nhờ hoạt động của vi sinh vật trong một thời gian ngắn chỉ số BOD của nước thải giảm từ 75 – 95%. - Sau khi BOD nước thải giảm đáng kể, sẽ được chảy qua bể lắng (settling tank). Ơ đây xác vi sinh vật sẽ được lắng xuống đáy bể để tạo thành bùn thứ cấp 34 (secondary sludge), nước được chảy qua hệ thống khử trùng bằng chlorin, đủ tiêu chuẩn để chảy ra sông, hồ. - Bùn sơ cấp và bùn thứ cấp sẽ được chuyển đến hầm yếm khí(anaerobic sludge digester). Quá trình lên men yếm khí bùn sẽ tạo ra CH 4 (biogas) làm nhiên liệu, sản phẩm lên men còn lại làm phân hữu cơ giàu dinh dưỡng (do chủ yếu là xác bã vi sinh vật). Ơ công đoạn này còn có tác dụng tiêu diệt vi sinh gây bệnh. Tóm lại toàn bộ qui trình xử lý khép kín, từ nước thải sinh hoạt, nhà máy chế biến sau khi xử lý sẽ thành nước sạch, phân hữu cơ, khí gas, ngoài ra vi sinh gây bệnh cũng bị tiêu diệt. Sơ đồ qui trình như sau: Sơ đồ: Các bước của hệ thống xử lý nước thải Qui trình xử lý sinh học hiếu khí có cường độ và hiệu quả xử lý cao nên thích hợp cho sử lý nước thải sinh hoạt thành phố, xử lý nước thải các nhà máy chế biến thực phẩm như nhà máy đường, cao su, chế biến thịt, sữa, bia, … Tuy nhiên nhược điểm của phương pháp này là tiêu tốn nhiều năng lượng cho quá trình cung cấp khí. 6.1.2. Xử lý sinh học yếm khí Là quá trình xử lý phế thải yếm khí. Có ba nhóm vi khuẩn tham gia vào quá trình trên : - Nhóm vi khuẩn chịu trách nhiệm thuỷ giải và lên men. - Nhóm vi khuẩn lên men axit acetic và H 2 35 - Nhóm vi khuẩn tạo khí methan tự dưỡng sử dụng H 2 , là các vi khuẩn nhóm Methanobacterium. Sơ đồ quá trình lên men yếm khí tạo methane như sau: Sơ đồ: Quá trình lên men yếm khí sinh methane. Ưu điểm của phương pháp này là thiết bị đơn giản, ít tốn kém. Có hai loại thiết bị lên men yếm khí khá phổ biến như sau: SS Sơ đồ : Thiết bị lên men yếm khí xử lý chất thải. 36 Hydratcarbon Lipid Lignin Protein ĐườngAxit béo Hợp chất thơm Axit amin Axit pyruvic xetoaxit Rượu Lactic Propionic c Axit acetic Butylic Axit focmic Methane CO 2 Biogas Biogas Vao Ra Bun hoat tính (active sludge) Bun hoat tính (active sludge) Quá trình lên men yếm khí gồm ba giai đoạn: - giai đoạn đầu là thuỷ phân các hợp chất hữu cơ cao phân tử thành các chất đơn giản. - Giai đoạn hai là quá trình lên men các chất hữu cơ đơn giản thành các axit như butylic, axetic, propionic. - Giai đoạn ba là quá trình tạo methane từ axit hữu cơ. Xử lý phế thải bằng phương pháp lên men yếm khí thích hợp với xử lý chất thải chăn nuôi, vừa xử lý chất thải giàu hữu cơ, khử mùi ô nhiễm và sinh biogas. Qui trình xử lý yếm khí rất phổ biến ở Trung quốc, Ấn độ, năm 1985 trung quốc có hơn 70 triệu hầm ủ yếm khí biogas, sinh ra hàng chục tỉ m 3 khí biogas, tạo ra một nguồn năng lượng đáng kể. Ở Việt nam, từ những năm 1980 bắt đầu nghiên cứu và xây dựng biogas, hiện nay cũng khá phổ biến, nhất là ở các vùng nông thôn. 6.2. Xử lý rác thải Trong đời sống hàng ngày con người đã thải ra một lượng đáng kể rác thải sinh hoạt, nhất là các thành phố lớn. Theo báo cáo của các công ty môi trường đô thị thì hàng ngày thành phố Hà nội thải ra trên 15000 tấn rác, Tp. Hồ Chí Minh hàng ngày thải ra 25000 – 30000 tấn. Với lượng rác thải khổng lồ như vậy nếu không được xử lý thì trong tương lai không có một bãi rác nào có thể chứa nổi. Rác sinh hoạt có thành phần chủ yếu là các chất hữu cơ giàu cenlulose, ngoài ra còn có các chất rắn vô vơ, các chất hữu cơ không có khả năng phân huỷ sinh học như bao bì PE, PP… Ngày nay để xử lý rác thải người ta xử dụng các chủng xạ khuẩn, vi khuẩn chịu nhiệt có hoạt tính phân giải cenlulose cao để rút ngắn thời gian ủ rác. Ở các thành phố lớn của Việt nam như Hà nội, Tp. HCM, Đà nẵng, đang nghiên cứu triển khai sử dụng vi sinh vật để xử lý rác thải. Qui trình xử lý rác thải sinh hoạt thường tiến hành theo các bước sau: Rác sinh hoạt sẽ được phân loại, các rác vô cơ, nhựa được phân loại để tái sử dụng. Ơ nước ngoài người dân khi thải rác đã tự phân loại, cho vào các túi rác khác nhau sẽ giảm chi phí cho phân loại ở giai đoạn xử lý sau. Các rác hữu cơ, có khả năng phân huỷ sinh học được ủ với xạ khuẩn, vi khuẩn chịu nhiệt có hoạt tính phân giải cenlulose cao, bổ sung urea, rỉ đường để rút ngắn thời gian ủ. Với qui trình này có thể rút ngắn quá trình ủ từ 7-10 ngày. Sau khi ủ sẽ tạo ra phân hữu cơ, giàu mùn, N, P, K so với ủ tự nhiên. Ngoài ra quá trình ủ, nhiệt độ ủ tăng cao, có tác dụng tiêu diệt các vi sinh vật gây bệnh. 37 Rác vô cơ, nhựa tổng hợp Tái sử dụng Rác sinh hoạt Xạ khuẩn, vi khuẩn Rác hữu cơ Phân hữu cơ Ure, rỉ đường bổ sung . môi trường. Công nghệ sinh học có hai hướng để xử lý phế thải này là xử lý sinh học hiếu khí và xử lý sinh học yếm khí. 6.1.1. Xử lý sinh học hiếu khí. chất của tự nhiên như chu trình C, N, S, P, … do ô nhiễm đã làm các chu trình này bị phá vỡ. Vì vậy biện pháp công nghệ sinh học là biện pháp tự nhiên,