Giáo trình công nghệ vi sinh vật xử lý chất thải phần 1

Cuốn giáo trình Cổng nghệ vi sinh vật xử Ịý chất thải được biên soạn nhằm cung cấp các kiến thức cơ bản vể công nghệ xử lý chất thải, nước thải bằng biện pháp sinh học cho sinh viên, họ

LỜI NÓI ĐẦU

Tính đặc trưng của các quá trình trao đổi chất ở vi sinh vật đã được ứng dụng từ ỉâu vào sản xuất các loại thực phẩm lên men trước khi có sự hiểu biết về sự tổn tại của chúng Khả năng phân huỷ vật chất của quần thể vi sinh vật đã được sử dụng để quay vòng các chất thải có trong tự nhiên, bởi vì nếu chất thải tích tụ quá nhiều tại một vùng sinh thải sẽ cản trở khả năng tự làm sạch của vi sinh vật trong môi trường và làm ô nhiễm môi trường sống.

Giữa thế kỷ XX, con người đã nhận thấy hệ vi sinh vật trong tự nhiên đóng v-ai trò chính trong việc phân huỷ các chất thải do con người tạo ra và đã chủ động sử dụng khả năng phân huỷ này của hệ vi sinh vật trong từng hệ sinh thái nhằm tăng cường khả năng phân huỷ các chất thải bằng cách bắt chước các quá trình phân huỷ trong tự nhiên Từ đó, đã tìm ra các biện pháp xử íý làm tăng giá trị của các chất thải phục vụ trở lại đời sống con người Với sự cố gắng của các nhà vi sinh vật học, các kỹ SƯ công nghệ và các nhà nghiên cứu hoá học, các phương pháp phát triển quy trình loại bỏ chất thải và bảo vệ tài nguyên thiên nhiên đã được tìm ra Những cố gắng này đã tạo tiền để cho một phạm trù "công nghệ sinh học" mới.

Cùng với sự tăng trưởng kinh tế nhanh của đất nước, trong những năm gần đây, chất lượng môi trường sống của chúng ta ngày càng bị ô nhiễm nghiêm trọng, ảnh hưởng trước mắt và lâu dài đến sức khỏe con người, phá vỡ sự cân bằng sinh thái Lượng rác thải sinh hoạt ở các đỏ thị của nước ta ngày một gia tăng và hàng năm, chúng ta cần khá nhiều diện tích để chôn lấp rác thải sinh hoạt, chẳng hạn như ở Hà Nội, mỗi năm tốn khoảng 2,5ha đất dùng để chôn lấp rác thải Mặc dù tốn kém diện tích như vậy nhưng nếu xử lý rác thải bằng chôn lấp không đúng quy cách thì bên cạnh việc tốn nhiều diện tích canh tác, còn gây ra ô nhiễm nguồn nước ngầm và môi trưởng xung quanh.

Công nghệ vi sinh vật xử lý chất thải là một chủ để của một lĩnh vực lớn và quan

trọng, do điều kiện và thời gian có hạn nên giáo trình chĩ trình bày sơ lược các nguyên lý

và quá trình xử lý chất thải nhằm bổ sung thêm những hiểu biết rất cơ bản vể vai trò của vi sinh vật trong xử lý nước thải, rác thải mà chưa đi sâu về công nghệ xử lý chất thải và mô hình hoá các quy trình này.

Cuốn giáo trình Cổng nghệ vi sinh vật xử Ịý chất thải được biên soạn nhằm

cung cấp các kiến thức cơ bản vể công nghệ xử lý chất thải, nước thải bằng biện pháp sinh học cho sinh viên, học viên cao học, nghiên cứu sinh ngành Công nghệ sinh học và Công nghệ môi trường Tài liệu này gồm ba phần: Cơ sò sinh học xử lý chất thải, nước thải; Công nghệ vi sinh vật xử lý nước thải và Công nghệ vi sinh vật xử

lý chất thải.

Trong quá trình xử lý rác thải, vi sinh vật đóng vai trò quan trọng và quyết định nhất trong việc chuyển hoá các chất hữu cơ khó phân huỷ như cellulose, pectin, protein, thành những phần nhỏ hơn Vì vậy, đã có những nghiên cứu bổ sung các loại

vi sinh vật vào quá trình xử lý rác, nhằm thúc đẩy nhanh quá trình phân huỷ rác thải Giáo trình trình bày tóm lược các quá trình xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học

mà vai trò chính là sự đóng góp của các loại vi sinh vật nhằm bảo vệ các giá trị sinh học của thiên nhiên môi trường Đó là các nguyên lý sinh học-sinh thái học- cơ sở chung cho việc loại bỏ các chất phế thải và bảo vệ môi trường; nước thải và các đặc tính của nước thải; các quá trình xử lý nước thải truyền thống như xử lý bằng bùn hoạt tính, bằng phương pháp màng lọc, bằng ao hổ ổn định sinh học, ủ kỵ khí (sinh methan)

và trình bày một vài mô hình xử lý nước thải điển hình Công nghệ vi sinh vật xử lý nước thải là khái niệm liên quan đến việc bảo vệ môi trường mà ở đây sử dụng các biện pháp sinh học để loại bỏ các chất gây ô nhiễm.

Tác giả hy vọng sách sẽ phục vụ thiết thực cho việc học tập của sinh viên, học viên cao học, nghiên cứu sinh các ngành Công nghệ sinh học, Công nghệ môi trường

và đông đảo bạn đọc quan tâm tới xử !ý chất thải bảo vệ mối trường sống.

Tác giả xin chân thành cảm ơn những ý kiến đóng góp của bạn đọc để chúng tôi

có thể sửa chữa, bổ sung, hoàn thiện sách phục vụ bạn đọc ngày càng tốt hơn.

Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về Công ty Sách Đại học - Dạy nghề, Nhà xuất bản Giáo dục Việt Nam, 25 Hàn Thuyên, Hà Nội.

TÁC GIẢ

4

PHẦN THỨ NHẤT

C ơ SỞ SINH HỌC

XỬ LÝ CHẤT THẢI, NƯỚC THẢI

Chương 1

C ơ SỞ SINH HỌC KIỂM SOÁT CHẤT THẢI, NƯỚC THẢI

1.1 Cơ sở SINH HỌC KIỂM SOÁT MÕI TRƯỜNG

1.1.1 Khái niệm công nghệ vi sinh vật môi trường

1.1.1.1 Môi trường là gì?

Môi trưòng là hệ thống các yếu tô" sông và khòng sổng tạo nên điều kiện sông trê n h àn h tin h của chúng ta Trong đó, các yếu tô' sông là con

người, động vật, thực v ật và vi sinh vật, còn các yếu tố không sông là

đâ't, nước, không khí, khoáng chất và năng lượng M ặt Trời Như vậy, môi trường bao gồm các yếu tô" tự nhiên và vật chất n h ân tạo quan hộ

m ật th iết với nhau, bao quanh con người, có ảnh hưỏng tới đời sông, sản xuất, sự tồn tại, p h át triển của con người và thiên nhiên

Mồi trường theo nghĩa rộng là tấ t cả các nhân tô" tự nhiên và xã hội cần th iết cho sự sinh sống, sản xuất của con người, như tài nguyên thiên nhiôn, không khí, đất, nước, ánh sáng, cảnh quan, quan hệ xã hội , và

có tác động tương hỗ lẫn n h au (hình 1.1)

Hình 1.1 Môi trường sống và sự tác động môi trường

Môi trường theo nghĩa hẹp Jihong xét tới tài nguyên th iên nhiên, mà chỉ bao gồm các n h â n tô" tự nhiên và xã hội trực tiêp liên quan tới chất lượng cuộc sống con người, Nói ngắn gọn, môi trưòng là tấ t cả những gì

có xung q u an h ta, cho ta cơ sở để sông và p h át triển

Sinh quyển có nghĩa là toàn bộ tấ t cả các cơ thể sông trê n T rái Đất, tuy nhiên sinh quyển cũng như môi trường có th ể sông không có sự sông 'như trê n 4 tỷ năm về trưốc, nhưng không một ai trong chúng ta có thể sống không có sinh quyển hay môi trường Sinh' quyển do các môi trường chính tạo th àn h , đó là không khí, nước và đất

Môi trường có các chức năng cơ bản là không gian sông của con người

và các loài sinh vật; nơi cung cấp tài nguyên cần thiết cho cuộc sông và hoạt động sản xuất của con người; nơi chứa đựng các chất p h ế thải do con ngưòi tạo ra trong cuộc sổng và hoạt động sản xuất của mình; nơi giảm nhọ các tác động có hại của thiên nhiên tới con người và sinh vật trên Trái Đất N hư vậy, con người luôn cần một khoảng không gian n h à ỏ, sản xuất lương thực và tái tạo môi trường, nhưng nếu khai thác và chuyển đổi chức năng sử dụng các loại không gian quá mức, không chú trọng đến bảo vộ môi trường, có thế làm cho chất lượng không gian sống m ất đi khả năng

tự phục hồi, sẽ ảnh hưỏng đến môi trường sông

Bảo vệ môi trường là giữ cho môi trường trong sạch, đảm bảo cân bằng sinh thái, ngăn chặn và khắc phục các h ậu quả xấu do con người

và thiên nhiên gây ra, khai thác, sử dụng hợp lý và tiế t kiệm tài nguyên thiên nhiên

Khoa học môi trường là ngành khoa học nghiên cứu mốì quan hệ và tương tác qua lại giữa con người và môi trường xung q u an h nhằm mục đích bảo vộ môi trường sông của con người trê n T rái Đất

N gành Khoa học môi trưòng nghiên cứu đặc điểm của các th à n h

p h ần môi trưòng (tự nhiên hoặc nhân tạo) có ảnh hưỏng hoặc chịu ảnh hương đên môi trường nước, không khí và đất; nghiên cứu công nghệ, kỹ

th u ậ t xử lý ô nhiễm bảo vệ chất lượng môi trường sông của con người; nghiên cứu tổng hợp các biện pháp quản lý kinh tế, lu ậ t pháp, xã hội nhằm bảo vệ môi trường và p h át triển bền vững Tuy nhiên, môi trường

là đối tượng nghiên cứu của nhiều ngành khoa học như sinh học, địa học, hóa'học, nhằm đề ra các biện pháp bảo vệ môi trường có hiệu quả, góp p h ần p h á t triể n ngành khoa học môi trường

1.1.1.2 Công nghệ vi sỉnh vật môi trường

Công nghệ vi sinh vật là sự tích hợp của khoa học về vi sinh vật và

công nghệ để có th ể ứng dụng vi sinh vật và các cấu phần của tế bào vi sinh vật để sản xuất các sản phẩm có giá trị mới dựa trê n tiến bộ của công

6

nghệ sinh học Như vậy, công nghệ vi sinh vật môi trường (hay còn gọi là

công nghệ sinh học môi trường) là việc ứng dụng các quá trìn h công nghệ

để bảo vệ và phục hồi chất lượng môi trường sông của con người

Đe hiểu công nghệ vi sinh vật môi trường, trước hết chúng ta phải định nghĩa công nghệ sinh học, vì công nghệ vi sinh vật là một phần quan trọng của công nghệ sinh học Vậy công nghệ sinh học là gì? Tuy có nhiều định nghĩa khác nhau về công nghệ sinh học, nhưng có thể tóm tắ t như sau: Công nghệ sinh học là các kỹ th u ậ t sử dụng cơ thể hoặc các phần của

cơ thể sông đế sản xuất hàng loạt các sản phẩm như sản xuất các loại thuốc chữa bệnh, các dược phẩm, các loại enzym, các hợp chất bổ dưdng, thực phẩm và các sản phẩm khác với sự trợ giúp của vi sinh vật Việc cải

ti ôn thực vật, động vật và vi sinh vật cho các mục đích khác nhau như tạo

ra sản phẩm mới hoặc tốt hơn, loại bỏ các chất độc," phòng chông bệnh, phát triển nông nghiệp, tạo các công nghệ sản xuất công nghiệp mới ít độc cho môi trường, Một ví dụ trên hình 1.2, cải biến tế b à o vi sinh vật bằng công nghệ sinh học ứng dụng trong bảo vệ môi trường

T ế bào vi sinh vật

Biểu hiện gen Trao đổi chất sơ cấp Trao đổi chất thứ cấp

Phân bón sinh học

- Cố định nitơ

- Hòa tan phosphate

- Giảm phân bón hóa học

- Chống ô nhiễm nước

Phân hủy sinh học Đâu tranh sinh học Kich thích quang hợp

- Làm sạch đất C ác chất trao đổi kháng khuẩn - sản xuất IAA

bị ô nhiêm _ Giảm thiểu sinh vật ký sinh - Kích thích rễ

- Giảm thiểu bệnh tật “ Tăng cường hấp phụ nitơ

- Giảm sử dụng chất diệt nấm ~ Gi^m sử dụng phân bón

Hình 1.2 Cải bỉến tế bào vi sinh vật bằng công nghệ sinh học

ứng dụng vào công tác bảo vệ môi trường

Nhiệm vụ của công nghệ sinh học môi trường là xử lý các hệ sinh thái

bị ô nhiễm; xử lý và khử độc chất thải rắn; xử lý nước thải, nguồn thải, sông hồ và biển bị ô nhiễm; khử nhiễm bẩn không khí bằng các cơ thể và các phần của cơ thể sông, bảo vệ môi trường bằng các công nghệ mới (hình

1.3) Ví dụ, công nghệ sinh học môi trưòng là sử dụng các phương pháp

7

không phải là các phương pháp phân loại truyền thông như các phương pháp sinh học phân tử và di truyền để phân lập, tuyển chọn các vi sinh vật mới ứng dụng có hiệu quả trong kiểm soát môi trường.

Hình 1.3 Hướng tập trung nghiên cứu của công nghệ sinh học môi trường

N hư vậy, công nghệ sinh học môi trường cũng có th ể hiểu là “quản

lý quần thể vi sinh v ật để cung cấp các dịch vụ cho xã hội” Ngày nay, dịch vụ chìa khoá bao gồm giải độc cho nước và đ ất bị ô nhiễm, phục hồi tài nguyên bị m ất và chuyển hoá năng lượng khuếch tán vào sinh khôi

th à n h dạng mà xã hội dễ dàng sử dụng Hai ví dụ tiêu biểu là khử các

ch ất gây ô nhiễm nước th ải bị oxy hoá (ví dụ như n itra t, các dung môi khử trùng), sản x u ất khí m ethan, hydro, điện, ethanol và nhiên liệu sinh học

1.1.1.3 ứng dụng công nghệ sinh học trong báo vệ môi trường

G ần đây công nghệ sinh học trên th ế giới đã và đang có vai trò rấ t quan trọng trong bảo vệ môi trường, m ang hiệu quả r ấ t rõ trong quan trắc, đánh giá mức độ ô nhiễm, xử lý ô nhiễm, phòng chông ô nhiễm Các

kỹ th u ậ t hiện nay như sinh học phân tử, di truyền phân tử và gần đây

là genomic, protonomic, công nghệ nano sinh học đã tạo nên những bước đột phá trong công tác bảo vệ môi trường trên toàn cầu Các kỹ th u ậ t hiện đại của sinh học được phôi hợp với các th à n h tựu phân tích bản chất hoá học của các yếu tô" gây ô nhiễm là công cụ đắc lực cho việc xây dựng, điều khiển và đánh giá các quy trìn h công nghệ xử lý ô nhiễm sự

8

cô môi trưòng và quan trắc sự biến động của môi trường Sử dụng tổng hợp của các phương pháp sinh học truyền thống và công nghệ sinh học hiện đại sẽ giúp cho chúng ta lựa chọn đúng các công nghệ trong phòng chông ô nhiễm.

a) Công n gh ệ sin h hoc tro n g xử lý ô n h iễm m ôi trư ờ n g

— Công nghệ sinh học ứng dụng trong xử lý nước th ải thường là công

nghệ hiếu khí, thiếu khí và kỵ khí Loại hình công nghệ hiếu khí đang

được sử dụng hiện nay trên th ế giới là bể phản ứng sinh học hiếu khí,

mương oxy hoá, lọc sinh học Riêng phương pụấp lọc sinh học được ứng

dụng với nhiều loại hình khác nhau như lọc nhỏ giọt, lọc với vật liộu ngập nước, lọc với các vật liệu là các h ạ t cô" định, đĩa quay sinh học Phương pháp xử lý hiếu khí được ứng dụng rộng rãi n h ấ t trong xử lý nước th ải sinh hoạt, nước thải của các công nghiệp chế biến thực phẩm Phương pháp này có ưu điểm không sinh ra mùi khó chịu, thời gian xử

lý ngắn, hiệu quả xử lý cao, nhưng chi phí cho xây lắp và vận h àn h cao,

tạo ra nhiều bùn thải Phương pháp xử lý kỵ khí tạo ra ít bùn, chi phí

thấp, ngoài ưu điểm thu được khí sinh học — được xếp vào loại năng lượng xanh, còn có th ể áp dụng để xử lý nước thải có nồng độ chất ô nhiễm hữu

cơ cao Công nghệ kết hợp các modul hiếu khí — kỵ khí - th iếu khí đã được nghiên cứu và ứng dụng m ạnh mẽ tại N hật Bản để xử lý nước thải sinh hoạt, nước thải giàu nitơ (nước thải giết mổ gia súc gia cầm, nước

thải chế biến thuỷ sản, nước thải chăn nuôi) Phương pháp lọc sinh học

là sử dụng quá trìn h xử lý dựa trên quá trìn h hoạt động của vi sinh vật

ở m àng sinh học, oxy hoá các chất bẩn hữu cơ có trong nước Các m àng sinh học, là tập hợp của các vi sinh vật hiếu khí, kỵ khí và kỵ khí tuỳ tiện Ngoài ra, người ta còn sử dụng hồ sinh học để loại bỏ các yếu tô" ô nhiễm trong môi trưòng nước Đây là quá trìn h làm sạch tự nhiên vổi tốc độ chậm nên thời gian lưu thuỷ học khá dài và phương pháp cần cỉiện tích m ặt thoáng lớn Hồ sinh học bao gồm các loại hồ hiếu khí, hồ

kỵ khí và dạng hồ tru n g gian, có th ể sử dụng thực v ật thuỷ sinh để xử lý

ô nhiễm nước th ải có độ ô nhiễm hữu cơ không cao và ô nhiễm kim loại nặng (xem chương 6 và chương 8)

- ứ n g dụng công nghệ sinh học để xử lý chất th ải rắn là phương pháp

ủ hiếu khí hay kỵ khí nhằm tạo ra sản phẩm phân bón phục vụ nông nghiệp (xem chương 1 1) Nhiều chế phẩm vi sinh vật chứa các vi sinh vật hữu hiệu được sản xuất để ứng dụng vào lĩnh vực này nhằm thúc đẩy nhanh quá trìn h xử lý rác thải sinh hoạt, xử lý bùn ao nuôi thuỷ sản, xử

9

lý các p h ế th ải rắ n từ công nghiệp thực phẩm, ủ kỵ khí là biện pháp đơn giản, dỗ thực hiện, chi phí thấp và có thể thu khí m ethan làm chất đôt u hiếu khí là biện pháp đang được sử dụng ở nhiều nước trên thê giới với ưu điểm là quá trìn h phân hưỷ nhanh, tiêt kiệm được diện tích chôn lấp và

có thể tậ n dụng m ùn làm phân bón (xem chương 12)

Phương pháp lọc sinh học mới được ph át triển là công nghệ kiểm soát ô nhiễm không khí, xử lý khí thải chứa chất hữu cơ bay hơi hoặc các chất độc vô cơ Công nghệ này được ứng dụng th à n h công ở các nước

châu Âu như Đức và H à Lan từ đầu những năm 1980 cho các cơ sở công

nghiệp tạo nhiều khí thải độc hạì Trong những chất khí gây ra hiệu ứng nhà kính, C 02 đóng vai trò lớn trong sự nóng lên của T rái Đất, nhưng

m ethan cũng được coi là chết khí hiệu ứng nhà kính tiềm tàng n hất, bởi

vi mỗi p h ân tử CH , trong khí quyến có tác dụng làm nóng T rái Đ ất gấp

21 lần so với m ột phân tử C 0 2 H àng năm lượng khí me th a n tăng lôn với

tỷ ìệ 1%, n h a n h gấp nhiều lần khí C 0 2 Đề giảm bớt lượng khí m ethan thải ra trong quá trìn h chôn lấp cổ truyền, M astui Saburo đã nghiên cứu và đề xuất quy trìn h công nghệ chôn lấp mới, dựa trê n nguyên tác kích thích sự p h á t triển của vi sinh vật khử sulfat bằng sục khí tăng cường nưốc rác để oxy hoá sulfit th àn h sulfat, h ạn chế sự hĩnh th àn h khí m eth an trong quá trìn h phân huỷ kỵ khí (mục 12.5 và 12.6)

b) Công n g h ệ sin h hoc và sả n x u ấ t các sả n p h â m th â n th iê n

m ôi trư ờ n g

Sản xu ất các sản phẩm th ân thiện với môi trưòng để thay th ế các hoá ch ất độc hại như sử dụng vi sinh vật để sản xu ất phân bón sinh học (thuốc trừ sâu sinh học, phân hữu cơ vi sinh) và các ch ất bảo vệ môi trường đang ngày càng p h át triển m ạnh mẽ trên th ế giới Các sản phẩm công nghệ sinh học được tạo ra hiện nay góp phần râ't lớn vào tăng năng suâ'1 cây trồng cũng như giảm thiểu đáng kể các chất th ả i độc hại Sản xuất các loại enzym đê sử dụng trong công nghiệp da giày, công nghiệp dệt, sản x u ất bột giặt, công nghiệp sản xuất bột giấy, Sử dụng công nghệ sin h học để chuyển hoá sinh khôi thực v ật th à n h các nguyên liệu sản x u ất polyme sinh học, vật liệu composit sinh học sử dụng trong các ngành công nghiệp và y tế

c) C ông n g h ệ sin h hoc và sả n x u ấ t n ă n g lư ơn g m ới k ế t hợp bảo vệ m ô i trư ờ n g

Hiện nay, nhiều nước trên th ế giới, kể cả các nước có nguồn dầu khí lớn, đã sản x u ất và sử dụng ethanol thay xăng, diesel, như Mỹ, Brasil,

10

An Độ, T rung Quốc, Với sự hỗ trợ của công nghệ sinh học ngưòi ta có thế sản x u ất được từ 20 — 40 tỷ thùng ethanol sinh học từ cellulose sinh khôi Điều này m ang lại lợi ích đáng kể cho nông dân, góp p h ần bảo vệ môi trường và giúp th ế giới giảm bớt phụ thuộc vào nguồn cung ứng nhiên liệu hoá thạch Ân Độ là nước dẫn đầu châu Á sử dụng ethanol làm nhiên liệu Trưng Quốc đã sử dụng ethanol thay xăng ở 5 th à n h phô" lớn với các n h à máy có công su ấ t từ 200.000 - 800.000 tấn/năm ở Đông Nam Á như Thái Lan, Indonesia, M alaysia đã p h át triển công nghệ sản xuất ethanol dùng thay xăng.

Hiện nay người ta đã quen dùng th u ậ t ngữ “Biogas” như một nguồn năng lượng mới Các phụ phẩm nông nghiệp như rơm, rạ, phân gia súc, gia cầm được ủ kỵ khí trong các bể ủ khí Nhờ hoạt động của vi sinh vật, các chất hữu cơ được phân huỷ và tạo ra sản phẩm khí là m ethan Khí

m ethan có thể dùng làm nguồn năng lượng để sản xuất điện, làm chất đốt thay th ế cho củi hoặc dầu hoả (hình 1.4) Như vậy, viộc sản xuất khí sinh học vừa góp phần làm sạch môi trưòng vừa mang lại lợi ích kinh tế Với

ưu điểm trên, công nghộ này đang được đầu tư phát triển ở nhiều nước

- Sản xuất công nghiệp

- Tiêu dùng của người

Hình 1.4 Chu trình của khí sinh học (biogas)

d) C ông n gh ệ s in h hoc và c ả i ta o 9 p h u c h ồ i m ô i trư ờ n g

Phương pháp xử lý ô nhiễm bằng thực vật có tín h khả th i cao để xử

lý các vùng đ ấ t bị ô nhiễm kim loại nặng Các linh vực nghiên cứu liên

11

quan bao gồm công nghộ đ ất ngập nước, công nghệ xử lý trà n dầu và các loại thực v ậ t tích luỹ kim loại nặng Hiện nay, để tăn g cường hiệu quả

xử lý ô nhiễm bằng thực vật, công nghệ sinh học đã và đang tạo ra các loài thực v ậ t mới thông qua công nghệ tái tổ hợp di truyền

1.1.2 Công nghệ vi sinh vật xử lý chất thải

Công nghệ sinh học xử lý chất thải là một trong những hướng p h át triển ưu tiẽn h àn g đầu trong đó chú trọng sử dụng các công nghệ sạch, công nghệ xử lý để tạo đà cho việc p h át triển bền vững Xu hướng của các quổc gia trê n th ế giới trong việc phòng ngừa ô nhiễm môi trường là hạn chế ph ải xử lý cuối đường ông, đẩy m ạnh ứng dụng và p h át triến các công nghệ sạch, công nghệ sinh học

H ai yếu tô" quan trọng n h ấ t do hoạt động sông của con người ảnh hưởng đến môi trường là chất thải và nước thải Khả năng phân huỷ vật

ch ất của quần th ể vi sinh v ật đã được sử dụng để quay vòng các chất

th ải có trong tự nhiên Bơi vì, nếu chất thải tích tụ quá nhiều tại một vùng sinh th ái sẽ cản trở khả năng tự làm sạch của vi sinh vật trong môi trường, làm ô nhiễm môi trường sổng

Các quá trìn h xử lý ch ất thải, nước thải bằng biện pháp sinh học mà vai trò chính là sự đóng góp của các loại vi sinh vật nhằm bảo vệ các giá trị sinh học của môi trường thiên nhiên

Công nghệ p h ân huỷ các chất bằng vi sinh vật dựa trê n cơ sỏ loại bỏ hỗn hợp nhiều ch ất có trong chất thải và tái sử dụng chúng Nồng độ của các ch ất hoà ta n trong nước thường là thấp, các chất không hoà tan

là hợp ch ất cao phân tử và phân huỷ kém Do vậy, xử lý môi trường hỗn hợp nhiều chất ô nhiễm bằng cách sử dụng nhiều chủng vi sinh sẽ tăn g cường k h ả năng p h ân huỷ các chất, giảm thời gian p h ân huỷ dẫn đôn giảm giá th à n h sản phẩm

Mỗi hệ sinh th á i được quy định bỏi các điều kiện lý học, hoá học, vì trí địa lý và thực tế địa chất của nó Những yếu tô' th iế t yếu là nước (hay

độ ẩm), n h iệt độ, án h sáng, khả năng cung cấp oxy, các ch ất dinh dưỡng,

pH và khả năng k h u ấy trộn cơ học (xem chương 2)

Các loại sinh vật tồn tại, ph át triển và tái sinh trong môi trường sống (mỗi hệ sinh thái) và do vậy, chúng lắng đọng lâu dài trong sinh cảnh cấu

th àn h quần lạc sinh v ậ t- phần thứ cấp của hệ sinh thái Chính sinh vật sống trong hệ sinh thái sẽ làm thay đổi các điều kiện của sinh cảnh

Công nghệ vi sinh v ật xử lý chất thải/ nước th ải là sự p h á t triển của

12

công nghệ sinh học nhằm ứng dụng vi sinh vật và các cấu phần của tế bào vi sinh v ật để sản xuất các chế phẩm có giá trị mới và ứng dụng các quá trìn h công nghệ mới, thích hợp trong bảo vệ và phục hồi ch ất lượng môi trường sống của con ngưòi.

1.1.2.1 Chất thải, nước thải

— Chất thải (còn gọi là rác thải) ỉà các chất do hoạt động của con ngươi

tạo ra và không còn giá trị sử dụng vào mục đích phục vụ cuộc sống của con người Nước th ải là nước đã qua sử dụng trong sản x u ất hoặc sinh

hoạt chứa các chất bẩn và được th ải ra môi trường.

- Để kiểm soát nước thải, chất thải cần:

+ Lựa chọn quá trình xử lý phải phụ thuộc vào bản chất tự nhiên của nước thải

+ T h àn h p h ần chất độc nguy hại cần tách ra khỏi nước, còn dạng không nguy h ại mới cho phép th ải ra môi trường

+ Quá trình đánh giá có thể thực hiện theo một hay nhiều bước (CID)

+ Thành phần nguy hại phải xử lý thành phần không còn độc hại nữa

1.1.2.2 Tách chất rán khói môi trường nước

Tách ch ất th ải rắn huyền phù khỏi nước th ải có thể thực hiện theo nhiều quá trìn h phụ thuộc vào kích thước và khối lượng của chúng Chất thải rắn dạng h ạ t to có th ể làm hỏng máy bơm Trước khi đưa vào bể xử

lý, cần p h ân loại sơ bộ để loại bỏ được chất thải h ạ t lớn bằng cách cho qua lưới lọc bằng kim loại, bằng tre nứa, để tạo môi trường nước th ải đồng nhất, mịn Công việc ban đầu này có thể được thực hiện bằng các cách sau đây:

a) L ắ n g g ạ n

Để nước th ả i tĩn h một thời gian n h ấ t định để cho một số th à n h phần huyền phù trong nước thải k ết lại với nhau, lắng xuống hoặc nổi lên bề

m ặt bể p h ân loại sơ bộ Trước khi đưa vào bể xử lý, cần loại bỏ các chất

sa lắng hoặc nổi lên m ặt nước thải Những chất này có thể gây khó khăn cho quá trìn h xử lý, làm giảm hiệu su ất xử lý bằng biện pháp sinh học

b) K ế t bô n g

Bằng cách thổi khí trong thời gian n h ấ t định, các h ạ t huyền phù sẽ

k ết th à n h khối bông (floes), sau đó thực hiện quá trìn h lắng gạn

c) L ọc q u a m ô i trư ờ n g h ạ t (sỏi, cát) hoặc lọc qua lóp v ậ t liệu lọc

mịn (bentonit, diatom it hoặc zeolit)

13

Á

d) L ọc q u a m à n g ỉoc như vải lọc hoặc sàng lưới m ịn (thường sử

dụng m áy h ú t chân không)

e) C ác p h ư ơ n g p h á p ly tâm : Thường sử dụng tốc độ vòng quay lớn.

Sau khi xử lý sơ bộ bằng các phương pháp kể trên, việc chọn lựa các phương pháp xử lý thích hợp cho từng loại hình nước th ả i ô nhiễm và phù hợp với từ ng giai đoạn, thời gian là nhiệm vụ h ế t sức quan trọng và cần thiết Trong m ột sô" trường hợp, người ta có th ể phải k ê t hợp m ột sô phương pháp xử lý khác nhau để có thể giải quyết tậ n gôc các chất ô nhiễm Cho đến nay, ngoài những phương pháp thường được sử dụng như phương pháp hoá học, lý học, cơ học, thì phương pháp p h ân huỷ sinh học sử dụng các nguồn vi sinh v ật có ích đang là vấn để được nhiều quốc gia, trong đó có Viột Nam quan tâm nhiều, bởi lẽ công nghệ phân huỷ sinh hoc có tác dụng xử lý triệ t để hơn, không bị ô nhiễm thứ cấp và lại an toàn cho sinh th ái môi trường

Ví dụ: có n h iều phương pháp xử lý nưốc trước khi sử dụng làm nưóc sinh hoạt hay th ả i ra môi trường (hình 1.5) Nhưng tùy theo chất lượng nước, các th à n h p h ần trong nước mà lựa chọn công nghệ phù hợp

Dưới đây chúng ta có thể tìm hiểu khái q u át những đặc tính cơ bản của một sô' phương pháp xử lý chất th ải khác nhau

1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP xử LÝ CHẤT THẢI, NƯỚC THẢI

1.2.1 Phương pháp xử lý hoá học

Xử lý hoá học thường để tách các chất nguy hại khỏi nước thải:

- T rung hòa nước th ải acid hoặc kiềm đến pH thích hợp

- K êt tủa, k êt lắng, k ết bổng thưòng dùng để loại bỏ kim loại nặng Kêt tủ a để h ìn h th à n h các pha rắn; k ết lắng làm cho các h ạ t nhỏ liên k ết tạo th à n h các ch ất lắng được; còn kết bông tạo cho các h ạ t nhỏ tích tụ lại

và lọc được

- Oxy hoá khử là cách sử dụng các chất hoá học bổ sung vào nước

th ải để chuyển các chất độc hại th à n h vô hại, hoặc ít độc hơn Cũng có

th ể chỉ thực hiện một quá trìn h oxy hoá như sử dụng khí ozon để xử lý chất hữu cơ nguy hại

- Sử dụng trao đổi ion để chuyển hoá các ch ất độc h ại th à n h không độc băng cách th ay đổi các nhóm chức khác nhau

14

Hỉnh 1.5 Các công nghệ xử lý nước đẩu ra 1.2.2 Các phương pháp vật lý

Có nhiều phương pháp loại bỏ các chất ô nhiễm khỏi nước thải:

- Tẩy bằng hơi nước: làm cho các chất độc không bay hơi sẽ bay hơi

ở áp su ất cao và nh iệt độ nước sôi phù hợp

- Hấp th ụ các ch ất hữu cơ và vô cơ bằng th a n hoạt tín h làm cho nước th ải trở nên sạch

- Bay hơi cũng là quá trìn h loại bỏ chất thải nguy hại bằng cách cho bay h ết hơi nước đi để th u chất th ải dạng bùn bẩn

- Sử dụng sự th ẩm th ấ u qua m àng để chuyển các chất độc hại tích

tụ ỏ nồng độ th ấp sang chất không hòa tan

- Tách chiết dung môi: Sử dụng các loại dung môi để tách chiết các chất độc hại khỏi nưỏc th ải nguy hại

1.2.3 Đốt rác

Đốt rác ìà quá trình,ỏxy hoá ở nhiệt độ cao mà các nguyên tô" của các

ch ất hữu cơ (carbon, hydro và oxy) chuyển sang C 02 và nước Quá trìn h này thường sử dụng trong xử lý chất th ải nguy hại Có nhiều loại lò đốt

15

rác, như ng n h iệ t độ lò phải đ ạt trên 1.20CTC, nêu không trong khí thải

sẽ có nhiều ch ất nguy hại

1.2.4 Oxy hoá không khí ướt

Oxy hoá không khí ướt nhằm oxy hoá pha khí của các vật liệu hữu

cơ ỏ n h iệt độ cao và áp su ấ t cao Đây là phương pháp chủ yếu đê giữ nước sau khi đốt rác th ải ỏ trạn g thái lỏng Nước được bơm cùng với oxy

đã được làm nóng từ chất th ải đầu ra đã nóng vào bình phản ứng Quá trìn h này r ấ t tốt đối với chết thải không bị phân chia khi đốt và r ấ t độc

cho các quá trĩn h xử lý bằng phương pháp sinh học s ả n phẩm cuôì cùng thường là acid acetic và C 0 2

1.2.5 Kỹ thuật đóng rắn chất thải

Quá trìn h đóng rắ n chất thải không đòi hỏi cấp n h iệt theo chương trìn h SITE (Superfund Innovative Technology solidification) bằng cách dóng gói ch ất th ả i bằng chất thuỷ tinh hoặc các vật liệu đóng rắ n khác như xi măng, đ ấ t sét, đất đá, x ử lý bằng phương pháp này chủ yếu với các ch ất th ải đặc biệt nguy hại như chất th ải phóng xạ, ch ất th ải chứa hoá ch ất độc hại như hợp chất chứa arsen, chì,

1.2.6 Các bỉện pháp xử lý sinh học

Xử lý sinh học chất th ải là sự lựa chọn hiện thực trong chiến lược xử

lý chất thải và nước thải, ưu điểm là vì giá th à n h rẻ hơn các cồng nghệ khác, ví dụ như là đốt rác Nhược điểm là quá trìn h thường thời gian xử lý lâu Cơ chế xử lý cũng khác nhau mà chúng ta cần lựa chọn cho phù hợp với từng loại chất ô nhiễm (hiếu khí hay kỵ khí) và hàng loạt các thông số cần th iết khác m à chúng ta phải đề cập đến trong chuyên đề này

Hệ thống xử lý phải phù hợp cho vi sinh v ật p h á t triển ỏ dạng huyền phù như b ù n hoạt tính, bể sục khí và phân huỷ kỵ khí mà ở đó vi sinh vật p h á t triể n được Quá trìn h cố' định m àng lọc sinh học bao gồm

cả m àng lọc và hệ thống lọc quay, mà ỏ đó vi sinh v ật có th ể p h á t triển

và bám vào bề m ặt m àng lọc Trong phân huỷ hiếu khí, giá th à n h chủ yếu là cung cấp khí C hất th ải bất kỳ ỏ dạng nào: rắn, lỏng, khí, đều có khả năng xử lý bằng biện pháp sinh học Có nhiều phương pháp xử lý, như xử lý đất, ủ chất thải, sử dụng cả phương pháp xử lý khô và ướt cùng một lúc, xử lý chất th ải tại chỗ (in-situ), sử dụng khí gas lọc qua

đ ất và xử lý nưốc thải, x ử lý sinh học khó có thể đánh giá chỉnh xác được mức độ xử lý, bởi vì các loại thuốc trừ sâ u và các ch ất hữu cơ khó

phân huỷ trong chất th ải cũng có thể ảnh hưởng đến quá trìn h xử lý, các chất tru n g gian độc có thể hình th àn h trong quá trìn h xử lý và làm cho quá trìn h xử lý kết thúc sớm hơn.

vi khuẩn phân huỷ chất thải p h át triển

Trong hệ thống xử lý đất, lớp đáy dưới vùng xử lý cần quan tâm đến mức độ th ấm của các chất độc hại Các quá trìn h hoá, lý và sinh học trong đất làm cho chất thải bị phân huỷ, cô" định lại hoặc chuyển hoá

th àn h dạng môi trường chấp nhận được Phần lớn các chất ô nhiễm giữ

và chuyển hoá ở lớp đ ấ t sâu 30 đến 60cm, nhưng ỏ các vùng xử lý cũng

có thể chui xuống sâu tới 2 - 3m

Xử lý đ ất phù hợp với các loại chất thải như bùn th ả i chế biến dầu, bùn creosote hoặc nước thải, bùn thải từ nhà máy gỗ, giấy hoặc dệt Phương pháp này cũng được sử dụng để xử lý bùn và nước th ải sinh hoạt; bùn và nước th ải của nhà máy chế biến thực phẩm Các loại dầu, kim loại và các cấu phần khác liên quan đến môi trường cũng được kiểm soát th àn h công bằng phương pháp xử lý này H ầu h ết các điểm xử lý

đ ất được đ ặ t tại một phân xưồng của nhà máy Giá th à n h xử lý bằng phương pháp này k h á rẻ tiền và có thể phổ biến rộng rãi

1.2.6.2 ủ rác (composting)

Ú rác thường sử dụng diện tích đất xử lý ít hơn xử lý đ ất và kiểm soát được khí th ải và nước th ải rỉ ra Trong quá trìn h ủ, đông ủ có thể cao 1,5 đến 2,5m Việc thông khí vào đống ủ bằng cách đảo trộn cơ học hoặc bằng hệ thông cấp khí cưỡng bức Có thể bổ sưng vỏ bào, m ạt cưa làm tăng k h ả năng thông khí Những v ật dụng to như gỗ, sau khi kết thúc quá trìn h ủ được sàng ra để bổ sung vào mẻ ủ sau

ủ rác được sử dụng để xử lý chất th ải nông nghiệp, bùn th ải nước sinh hoạt, m ột số ch ất th ải rắ n công nghiệp như bùn đã sau xử lý nước

th ải công nghiệp, p h ế th ả i của công nghiệp thực phẩm cũng n h ư một số chất th ải công nghiệp có hàm lượng chất độc hại thấp

1.2.6.3 Hệ thăng xử lý lỏng/rắn

Phương pháp này là phương pháp trung gian giữa phương pháp xử

lý đ ất và hệ thông xử lý nước thải thồng thưòng C hất th ải không ở trạ n g th á i rắ n n h ư xử lý đ ấ t mà cũng không ở trạ n g th á i lỏng như xử lý nước thải, m à bao gồm cả 2 phần C hất thải ở trạ n g th á i huyền phù, nhão hoặc giống dạng bùn thải

Mỗi hệ thông xử lý, đầu tiên giảm thiểu chất th ải độc bằng cách hòa chất hữu cơ vào nước để vi sinh vật phân huỷ sang trạ n g th ái ít độc hơn

và giải phóng sản phẩm khí vào không khí Bước chìa khoá của phương này là hòa ch ết th ả i rắ n th à n h chất thải lỏng và k ết quả đ ạ t được là dưới tác động của vi sinh v ật hoặc phương pháp hoá lý, ch ất thải không còn độc hại nữa

1.2.6.4 Lọc sinh học đất

C hất th ả i nguy hại ở trạn g th ái khí sẽ được xử lý có hiệu quả bằng

phương pháp sinh học T rên bề m ặt vật liệu lọc, chất th ả i sẽ được làm giảm m ùi hôi, hợp chất carbon bay hơi và các tiểu p h ần có trong khí thải Phương pháp này thực hiện 2 cơ chế: lọc cơ học và xử lý ch ất thải bằng vi sinh v ậ t trê n các h ạ t đất

Lọc sinh học bao gồm các mạng lưói ống nhỏ phía dưới lớp đ ấ t hoặc sỏi nhẹ Khí th ả i xử lý được bơm qua môi trường sỏi, đ ấ t và bám lại trong th à n h ông Nó đi qua môi trường đất dày 1,5 đến 5m C hất thải giữ lại trê n phin lọc có thể loại bỏ bằng cách lọc, hấp th ụ hoá lý, oxy hoá hoặc làm th ay đổi cấu trúc của chất thải

Kỹ th u ậ t này không mới, lọc sinh học đã được áp dụng từ lâu để khử

m ùi sinh ra trong quá trìn h sản xuất và chế biến lương thực, thực phẩm , các n h à m áy giấy và hoá chất Màng lọc đất sẽ loại bỏ có hiệu quả các loại k h í như H2S, S 0 2, N H3 và N 02 ở nồng độ thấp cũng như các tiểu phần của khí này Phương pháp này ứng dụng tốt cho việc khử khí th ải của nhiều lĩnh vực sản xuất công nghiệp

1.3 XỬ LÝ NƯỚC THẢI

Xử lý sinh học đã ứng dựng th àn h công trong việc loại bỏ ch ất thải hữu cơ và các ch ất hữu cơ dạng keo Các phương pháp bùn hoạt tính, lọc sinh học, ao hồ thoáng khí, bể oxy hoá và lên men hiếu khí là một số phương pháp cơ bán đê xử lý sinh hoc nước th ải được thảo luận trong chuyên đê này Việc loại bỏ các chất độc hại cần được quan tâm bơi vì vi Sinh vật có thê bị phá huy nêu chât độc hại vượt quá mức mà chúng có thể chịu được

18

P hân huỷ sinh học là khả năng của vi sinh vật trao đổi các chất hữu

cơ bằng hệ thống enzym của chúng đến C 0 2, nước và năng lượng Năng lượng được sử dụng để tổng hợp các chất, đế chuyển động và hô hấp Từ chất thải hữu cơ được thuỷ phân để tạo th à n h sinh khôi vi sinh vật mới,

các chất tích luỹ khác không chuyên hoá được sẽ lắng theo cùng sinh

khôi vi sinh vật qua bể lắng Tuy nhiên phân huỷ sinh học không thể

đ ạt được 100%, các sản phẩm tạo th àn h nhiều sẽ gây độc cho vi sinh vật, cho nên cần xử lý tiếp bằng phương pháp hoá học, hoặc pha loãng đến nồng độ cần th iế t cho vi sinh vật có thể p h á t triển được

Nitơ và phospho cũng như các chất vô cơ khác là cần th iế t cho việc hình th à n h tế bào vi sinh vật mới Nguồn nitơ bổ sung vào môi trưòng dinh dưỡng thường ỏ dạng amoni

130D (nhu cầu oxy sinh hoá) là chỉ sô' đo nồng độ các chất hữu cơ có trong môi trường và đê xác định tổng sô" lượng oxy cần th iế t cho vi sinh vật oxy hoá các chất hữ u cơ Thường nồng độ các ch ất hữ u cơ có trong môi trường cao hơn chỉ sô" BOD Tỷ lệ BOD : N : p là 100 : 5 : 1 là chỉ sồ'

ch ất dinh dưõng tối ưu cần th iết cho vi k h u ẩn p h á t triển

1.3.1 Quá trình bùn hoạt tính

Quá trìn h này bao gồm sự tăng sinh khối của vi sinh v ật huyền phù trong nồi p h ản ứng và phân huỷ các chất hữu cơ hòa tan Nưốc th ải được cấp không khí vào trong aerotank (bể sục khí) và việc cấp khí sao cho vi sinh vật và ch ất th ải trong môi trường nước được tiếp xúc tối đa Hàm lượng chủ yếu là chỉ sô" MLSS (chất rắn huyền phù hỗn hợp trong nước) được đưa vào bể lắng và lắng xuông đáy, sau khi gạn nước phía trên, một phần bùn hoạt tín h dưới đáy bể được bô sung lại bế sục

1.3.2 Quá trình lọc chậm

Nước th ả i được phân bổ theo dòng vào vật liệu lọc mà ỏ đó vi sinh vật đã p h á t triể n th à n h m àng và được cấp oxy Dòng nước th ả i đi xuống, các chất h ữ u cơ và cha't dinh dưỡng được hấp th ụ lên bể m ặt m àng vi sinh v ật và sản phẩm cuốỉ được thoát ra theo hệ thông th u nước Tuy nhiên m àng sinh học sẽ trôi theo nước thải, sau đó cần phân tách chúng

ra khỏi môi trường nước

1.3.3 Ao hồ ổn định

Trong quá trìn h này, nước th ải được được xử lý dưới tác động của vi

sinh vật trong bể hoặc ao hồ Thường có 2 loại ao hồ: thứ nhất là cấp oxy

tự nhiên bằng quá trìn h quang hợp của tảo (bể oxy hoá) và thứ hai là

19

cấp oxy bằng thổi khí hoặc khuấy nước (ao thoáng khí) Vi sính vật chuyển hoá các ch ết th ải và chất rắ n sẽ lắng xuông đáy hồ tạo th à n h bùn Tuy nhiên, vẫn có quá trìn h kỵ khí dưới đáy hồ p h ân huỷ ch ất thải không cần oxy Cũng có th ể cả 2 quá trìn h phân huỷ hiếu k h í và kỵ khí diễn ra trong hồ, với sự thay đổi sản phẩm giữa 2 lớp vi sinh vật trong mổi quan hệ cộng sinh (xem mục 6.5).

1.4 KHẢ NĂNG PHÂN HUỶ SINH HỌC

T h u ậ t ngữ “k h ả năng phân huỷ sinh học” được hiểu là k h ả năng

phân huỷ của ch ất th ải trong hệ thống sinh học bao gồm các chất: Dễ phân huỷ, bền vững, khó phân huỷ và khoáng hoá T h u ậ t ngừ này có ý nghĩa quan trọng n h ấ t trong kiểm soát môi trường

- Dễ phân huỷ: các chất dễ thay đổi từ trạ n g th ái này sang trạn g

th ái khác dưới tác động của vi sinh vật, phụ thuộc vào pH và th àn h

ph ần môi trường

- Bền vững: các chất không thể bị phân huỷ

- Khó p h ân huỷ: các chất phụ thuộc vào điều kiện mới bị p h ân huỷ bơi vi sinh vật

- K hoáng hoá là các chất hữu cơ bị phân huỷ hoàn toàn đến sản phẩm cuối cùng là C 02 và nước

1.4.1 Cơ sở cho sự phân huỷ

Một vài hợp ch ất bị phân huỷ do vi sinh vật là do cơ thể vi sinh vật cần năng lượng để sinh trưỏng, tái sinh và các chức năng sinh học khác

đê duy trì sự sông Nguồn thức ăn chứa oxy trong các nhóm OH và COOH P h ản ứng oxy hoá là ở chỗ điện tử được truyền qua chuỗi điện tử đến chất n h ận điện tử Coenzym ở dạng NADH và NAD bị khử, đôi điện

tử tru y ền qua chuỗi để sản xuất liên kết cao năng ATP nhằm duy trì sự sống của tế bào vi sinh vật

Vi sinh v ật chỉ có thể thực hiện những hoạt động mà chúng có tiềm năng di truyền Chúng sản sinh các enzym để duy trì sự sống của chúng,

do đó môi trường sống đã tạo cho vi sinh v ật sản sinh enzym đó Các chất có trong môi trường với nồng độ quá thấp hoặc quá cao, thì ch ất đó cũng không bị p h ân huỷ, bởi vì quá th ấp sẽ không điều khiển sinh enzym và cao quá thì chính chất đó đã gây độc cho vi sinh vật Do vậy, nếu vi sinh v ậ t không trao đổi chất th ì nó sẽ chết N ếu nó sử dụng những cơ ch ất khác n h au là điều may mắn và được gọi bằng th u ậ t ngử trao đôi chất “vô cớ” Nếu quá trìn h phân huỷ sinh học quá phức tạp còn

20

dược gọi là “trao đổi ch ất phức tạp ” (cometabolism), ỏ đó h ai cơ ch ất đều cần thiết, có nghĩa là một chất không đáp ứng được sự cần th iế t của vi sinh v ật hoạt động như là nguồn carbon và năng lượng cần thiết.

Vi sinh vật cần nguồn carbon để sinh trưởng, còn nếu bổ sung nguồn

có chất nhiều quá, vi sinh vật không có khả năng trao đổi các chất này Chúng cần thời gian “thích nghi”, mà ở đó chúng p h á t triển, vững m ạnh

và thậm chí có thể thay đổi cả bản chất di truyền Nếu ch ất tru n g gian gây độc, vi sinh vật có thể bị giết chết hoặc hình th à n h chủng mới có khả nâng phân giải chúng hoặc làm hỏng hệ thông Chính vì vậy, vi sinh vật thường làm việc bởi tập đoàn chủng đế khoáng hoá hoàn toàn các chất trong môi trường mà chỉ một chủng không có khả năng di truyền cần thiết

Còn một khía cạnh ít thấy là vi sinh v ật có khả năng phân huỷ các chất như thuốc trừ sâu, chất này bị phân huỷ n h an h trước khi vi sinh vật bị tác động H iện tượng này được gọi là “sự phân huỷ thuốc sâu nhanh nhạy” Sự tiến hoá xuất hiện là yếu tô", ở đây có những vi sinh vật

sử dụng thuốc trừ sâu làm nguồn dinh dưỡng bởi sự tiến hoá của các enzym đặc hiệu Nhiều loại vi sinh vật có thể cùng tồn tại trong cộng đồng để chuyển hoá thuôc trừ sâu làm nguồn dinh dưỡng cho bản th ân

vi sinh vật Cách xác định hoạt tín h enzym đặc hiệu của vi sinh v ật là khả năng chuyển hoá cơ chất là thuốc trừ sâu nào đó được chỉ ra khả năng thích nghi chéo của vi sinh vật đối với sự phân huỷ các hợp chất thuốc trừ sâu trong môi trường đ ất mà chúng tồn tại được (hình 1.6)

Hình 1.6 Sự biến động của các nhóm vi sinh vật trong quá trình xử lý nước thải

21

1.4.2 Các phản ứng trao đốĩ chất trong xử íý sinh học

Các p h ản ứng trao đổi châ't bởi vi sinh vật tiêu biểu và quan trọng trong xử lý sinh học được trìn h bày tóm tắ t như sau:

b) C ác p h ả n ứ n g h iế u k h í (vi sinh v ật hiếu khí)

2C0ị + 2H20 2H20

- Cố định nitơ:

N2 -> Nitơ hữu cơ

c) Các p h ả n ứ ng q u a n g hợp (tảo hoặc vi sinh v ật chứa sắc tố)

1 Môi trường là gì? Định nghĩa môi trường theo nghla rộng và nghĩa hẹp

2 Cồng nghệ vi sinh v ật là gì? Môi liên quan giữa công nghệ vi sinh vật, công nghệ vi sinh v ật môi trường và công nghệ sinh học?

3 Vì sao nói: ‘T ín h đặc trưng của các quá trìn h trao đổi ch ất ở vi sinh vật là khả năng phân huỷ v ật chất của quần thể vi sinh v ật nhằm quay vòng các ch ất th ải có trong tự nhiên”

4 C hất th ải và nước thải là gì? Để kiểm soát nước thải, ch ất th ả i người

ta cần phải làm gì?

5 Hãy trìn h bày một sô" phương pháp cơ bản xử lý ch ất thải, nước thải

Vì sao người ta quan tâm nhiều đến biện pháp xử lý ch ất th ải bằng biện pháp sinh học?

6 T huật ngữ “khả năng phân huỷ sinh học” được hiểu là gì? Vì sao th u ậtngữ này có ý nghĩa quan trọng nhất trong kiểm soát môi trường?

7 Tại sao nói cơ sỏ của sự phân huỷ sinh học là dựa trê n các phản ứngtrao đổi ch ất của vi sinh v ật trong xử lý chất thải, nước th ải bằng biện pháp sinh học?

8 Vì sao phải tách ch ất rắn khỏi môi trường nước thải? Điểm qua các phương pháp chính

23

i

Công nghệ sinh học truyền thông thường sử dụng các chủng vi sinh

v ật th u ầ n kh iết đã được chọn lọc và tối ưu điều kiện lên men để tổng hợp các sản phẩm đặc hiệu Môi trường lên men thường giới hạn ở các

th à n h p h ần đã biết làm nguồn năng lượng và nguồn dinh dưỡng Vi sinh vật học là một ngành khoa học chỉ quan tâm nghiên cứu: sinh trưởng,

p h á t triển, sinh khôi và các sản phẩm lien quan đến điều kiện nuôi cấy các chủng sản x u ất th u ần khiết trong môi trường dinh dưỡng xác định

N hững công nghệ phân huỷ các chất bằng vi sinh v ật thường là dựa trê n cơ sỏ loại bỏ hỗn hợp nhiều chất có trong ch ất th ải và tái sử dụng chúng Nồng độ của các chất hòa tan thường là thấp, các ch ất không hồa tan là hợp chất cao phân tử và phân huỷ kém Do vậy, xử lý môi trưòng hỗn hợp nhiều ch ất ô nhiễm bằng cách sử dụng nhiều chủng vi sinh sõ tăn g cường khả năng phân huỷ các chất, giảm thời gian p h ân huỷ dẫn đến giảm giá th à n h sản phẩm Hy vọng nước th ải và mồi trường nước trong tương lai gần sẽ được quan tâm nghiên cứu nhiều hơn, từ đó sẽ bảo vệ môi trường sông tốt hơn

Việc tìm hiểu tín h đa dạng vi sinh vật tham gia vào quá trìn h phân huỷ các ch ất trong hệ sinh th ái đ ất và nước là cần thiết Các nguyên lý sinh th á i học trong phân huỷ các chất trong việc xử lý c h ấ t th ải đã được các nhà khoa học tìm ra và đề cập nhiều trong các công trìn h nghiên cứu của mình

Theo quan điểm sinh th ái học, các chất phân huỷ nhờ vi sinh vật cần được quan tâm nghiên cứu, bởi vì phận huỷ sinh học trong điều kiộn không khí mở sẽ có hệ sinh th ái vi sinh vật đặc th ù (điều kiộn lý học và hoá học) của mỗi sinh cảnh (biotope)

Mỗi hệ sinh th á i được quy định bởi các điều kiện lý học, hoá học, vị trí địa ỉý và thực tế địa ch ất của nó Những yếu tố th iết yếu là nước (hay

độ ẩm), n h iệt độ, ánh sáng, khả năng cung cấp oxy, các ch ất dinh dưỡng,

pH và k h ả năng khuấy trộn cơ học Các loại sinh vật tồn tại, p h á t triển

24

và tái sinh trong môi trường sống (mỗi hệ sinh thái) và do vậy, chúng lắng đọng lâu dài trong sinh cảnh cấu th à n h quần lạc sinh v ật - phần thứ cấp của hệ sinh thái Chính sinh vật sông trong hệ sinh th ái sẽ làm thay đổi các điều kiện của sinh cảnh Ví dụ, nếu tích tụ nhiều muôi khoáng và các sản phẩm cuối của quá trìn h trao đổi chất sõ làm thay đổi

th à n h phần hoá học và pH của sinh cảnh Hoạt tín h trao đổi chất của mỗi loại sinh v ật trong hệ sinh th ái tạo ra điều kiện sống cho chính sinh vật đó và các sinh vật khác Bằng cách đó, một lưới năng lượng giữa các sinh v ật trong quần lạc được hình thành Sự khác n h a u giữa các hệ sinh thái được đặc trư ng bởi sự biểu hiện chuỗi thức ăn và lưới năng lượng (hình 2.1 và 2,2)

Chuỗi dinh dưdng Chuỗi dinh dưdng của châtthải

Hình 2.1 Chuỗi thức ăn chính (Campbell, 1980)

Qua hình 2.1 cho thấy, sinh v ật phân huỷ có nhiệm vụ tá i sinh các chất phế th ải trong tự nhiên th à n h các dạng C 0 2, NO3, so ^ và các loạikhoáng khác và lại được tái sử dụng do các sinh v ật sản xuất năng lượng

sơ cấp Các sinh vật cấu th àn h chuỗi thức ăn từ năng lượng M ặt Tròi đến các chất hữu cơ nhờ sinh vật sản xuất sơ cấp và từng bước giải phóng năng lượng bằng sinh v ật tiếp nhận các hợp chất hữu cơ

25

Ề

Hinh 2.2 Lưới thức ăn của chất thải

(mũi tên chỉ từnguổn cung cấp đến ndi nhận, Campbell, 1985)

Sự thay đổi liên tục của năng lượng và vật chất là tính đặc thù của từng hệ sinh thái và liên quan đến các chu trình tuần hoàn vật chất trong

từng hệ sinh thái, mà cụ thể ở đây là các nguyên tô' sinh học như carbon,

nitơ, lưu huỳnh, phospho và các nguyên tổ’ vi lượng khác Neu vòng tuần hoàn của năng lượng và vật chất này không bị gián đoạn thì khi đó hộ sinh thái ở trạn g th ái cân bằng Tuy vậy, trạng thái cân bằng của các hệ sinh thái luôn luôn bị phá vỡ do tác động của các yếu tố ngoại cảnh

Vi sinh vật luôn tham gia vào quá trình phân giải các chất Tuy kích thước của các vi sinh vật nhỏ bé, nhưng với số lượng lớn có trong đất và nước sẽ đóng vai trò to lớn trong hệ sinh thái Ví dụ, chúng tham gia vào quá trìn h oxy hoá amoni (NH.J+) đến n itrat (N 03~) và n itrit (N 0 2") đòi hỏiphải có oxy và tiếp tục khủ N 03 đến nitơ phân tử (Na) đòi hỏi không có oxy

Vi sinh v ậ t th am gia vào các chu trìn h chuyển hoá v ật ch ất trong tự nhiên tạo nên trạ n g th ái cân bằng môi trường

Trong chu trìn h chuyển hoá carbon (hình 2.3), chủ yếu các vi sinh vật phân giải các hợp chất hydratcarbon trong tự nhiên, n h ấ t là các chất khó phân giải như cellulose, hemicellulose, pectin trong môi trường đất làm p h ân hữu cơ cho cây trồng, trong môi trường nước làm sạch môi

26

trường Ví dụ, nếu không có vi sinh vật phân giải các hợp chất này, chắc chắn chu trìn h sẽ bị ngừng, còn nếu vi sinh v ật phân giải chậm sẽ gây ô nhiễm môi trường.

Nàng lượng ánh sáng Mặt Trời

Oxy trong không khi

CO., trong khòng khí

T h ế tiếp nhân carbon hữu cơ Carbon hữu

Thể sản xuát: Ihưc vàt bàc cao Carbon hưũ cỡ _trên măt đát Carbon hữũ cớ dưới đất

M corthiza

V ùng rễ

Chất hữu cơ dạng mùn (humic) - C a rb o n hữu cơ

- O xy - Carbon vô cơ ( C 0 2) -Năng iượng Mặt Trời

Sản xuất 10%_ công nghiệp

Hình 2.4 Mối liên quan giữa chu trình trao đổi châ't, nhiên liệu

vả sản xuất công nghiệp trong tự nhỉên

Trong môi trường, chu trình tu ầ n hoàn carbon vối các quá trìn h sản

x u ất công nghiệp đều liên quan đến sử dụng nãng lượng Với sơ đồ trên hình 2.4 cho thấy, cây xanh đóng vai trò quan trọng trong chuyển hoá

27

năng lượng, thông qua quang hợp chuyển hoá carbon dioxid th à n h cơ chất tích lũy n ăn g lượng cho hoạt động sông của người, động v ậ t và vi sinh vật Nêu th iếu cây xanh, quang hợp ít, sẽ dư thừa khí carbon dioxid, gây nên hiệu ứng n h à kính, ản h hưởng đến môi trường sông.

Ví sinh v ật cũng tham gia vào chu trìn h tu ầ n hoàn nitơ (hình 2.5) Chúng không nhửng tham gia vào quá trìn h các hợp ch ất chứa nitơ như quá trìn h n itra t hoá, n itrit hoá và phản n itra t hoá, mà còn cô' dịnh nitơ phân tử trong không khí th à n h đạm sinh học

Hình 2.5 Chu trình nitơ

(Những con đường quan trọng, theo Schỏnborn, 1972)

N hững thay đổi cơ bản trong chu trìn h chuyển hoá lưu huỳnh được trìn h bày ở hình 2.6 Tuy hàm lượng của lưu huỳnh trong cơ thể sinh vật

rấ t ít, nhưng nó đóng vai trò rấ t có ý nghĩa trong vòng tu ần hoàn vật chất Vi sinh v ật r ấ t linh hoạt sử dụng lưu huỳnh Các quá trìn h khử và oxy hoá là cơ sở cho các quá trìn h đồng hoá tổng hợp sinh khô"i của sinh vật Các vi sinh v ật dị dưỡng sẽ oxy hoá các hợp chất khử và nguyên tô" lưu huỳnh th à n h acid sulfuric tạo nãng lượng chính cho các phản ứng trong quá trìn h sinh tổng hợp tế bào Do vậy quá trìn h đòi hỏi phải có

oxy Ngược lại, su lfat trong điều kiện kỵ khí được sử dụng như là chất

nhận điện tử do vi kh u ẩn phản sulfat cung cấp, làm tă n g lượng H2S trong môi trường kỵ khí và m ang tính đặc trư n g do m ùi thối của sản

phẩm CUỐI của quá trìn h trao đổi năng lương trong điều kiộn kỵ khí.

28

Hình 2.6 Chu trình tuần hoàn của lưu huỳnh

Đặc tín h của hệ sinh thái mà trong đó được biểu trư ng sinh vật

phân huỷ các ch ất hữu cơ, các nguyên tố dinh dường cùng carbon tạo

th àn h các ch ất hữu cơ như N, p, s, Ca, Mg, Fe và các nguyên tố vết khác

trải qua chuỗi thức ăn và được tái tạo nhò vi sinh vật.

Tuy nhiên, con đưàng chuyển hoá carbon và nitơ phần lớn được thực

hiện trong đ ất và nước

2.2 QUẦN THỂ VI SINH VẬT VÀ NGUỒN CUNG CẤP DINH DƯỠNG

Sự p h á t triển của vi sinh vật trong hệ sinh th ái và hoạt tín h trao đổi chất của chúng cũng giông vi sinh vật th u ần khiết p h á t triển trong phòng thí nghiệm Tuy vậy, mối quan hệ bên trong của quần thê sinh vật cần được xem xét Nguồn năng lượng, nguồn carbon và các loại cd chất khác trong môi trường ỏ nồng độ thấp và r ấ t thấp N hững chất gây

ô nhiễm thường ỏ dạng hỗn hợp với nồng độ rấ t th ấp và cần được xem xét qua quá trìn h p h ân huỷ chúng

2.2.1 Cơ chất

Sự phân hưỷ các chất trong tự nhiên được xem là sự khoáng hoá các chất hữu cơ có trong chuỗi thức ăn Sự chuyển hoá cơ chất hữ u cơ trong quá trìn h BOD được trìn h bày trê n hình 2.7 Song k h ả năng khoáng hoá với các chất phân huỷ kém như các loại hoá chất, các chất sinh học khó phân huỷ (xenobiotic) gây khó k h ăn cho việc thuỷ p h ân các chất, Chúng

29

thường tích tụ nhiều trong nước, trong đất, trong không khí, và thậm chí ngay cả trong cơ thể thực, động vật và cao hơn ngưỡng gây độc Các chất này thường r ấ t khó phân huỷ trong điều kiện xử lý bình thuờng bằng các biện pháp sinh học Nhiều chất hữu cơ trong tự nhiên cũng thuộc loại khó p h ân huỷ như lignin, keratin và acìd humic Galler (1983) đã chứng m inh rằng, 90% các chất hữu cơ khó ta n trong nước hồ

M indsee ở Đức là các chất cao phân tử (phân tử lượng > 1.500) và các chất nghèo dinh dưỡng (oligomeric) (phân tử lượng 400 - 800) rấ t bền

vững và các loại vi sinh vật khó phân huỷ được chúng.

Cơ chất

i

Hữu cơ

Sản phầm phân huỷ

Các sản phẩm khảc

Hình 2.7 Sự thay đổi cơ chất sinh học trong quá trình BOD

Do vậy, người ta r ấ t quan tâm đên khả năng phân huỷ cả các hợp

ch ất tự nhiên và các chất hoá học có trong môi trường của vi sinh vật Nhiều các ch ất khó phân huỷ có khả năng cung cấp năng lượng và các nguyên tố khác (N, s, P) cho vi sinh vật như các loại cellulose, hemicellulose và các loại hydratcarbon, protein và acid am in, acid nucleic, ch ất béo và lipid

2.2.2 Khả năng phát triển của vi sinh vật trong điểu kiện dinh dưỡng

có giới hạn

Trong điều kiộn nuôi cấy gián đoạn hoặc liên tục, sự p h á t triển của

vi sinh v ật phụ thuộc vào nguồn carbon và các nguồn dinh dương khác

30

Nôu cân bằng th à n h p h ần cấu th à n h tế bào thì tổng sinh khôi cũng tăng lên tôi đa Trong điều kiện nuôi cấy theo mẻ, nếu dư thừ a nguồn năng lượng và carbon thì k h ả năng đồng hoá và dị hoá cũng không điều chỉnh

được và tông ATP sinh ra sẽ lãng phí (phát triển không cân bằng) Khi

nguồn carbon cạn kiệt thì pha sinh trưởng sẽ chuyển pha cân bằng Tốc

độ p h át triển thấp (< 0,06 giờ) sẽ làm m ất khả năng p h át triển và tế bào

Trong nuôi cấy liên tục, người ta đã nghiên cứu sự p h á t triển trong

điều kiện nguồn năng lượng và carbon hạn chế và đã chứng m inh rằng,

tốc độ p h át triển của vi sinh vật trong nguồn cung cấp năng lượng và carbon sẽ giảm, và như vậy có nghĩa là thòi gian tái sinh t D tăng Nếu t D vượt quá 15 giờ thì pha tích luỹ sẽ kết thúc đột ngột và thường liôn quan chặt chẽ với sự hình th à n h các nucleotid tru n g tâm trê n g u a n o sin -5 '-

d ip h o sp h at-3'-d ip h o sp h at (ppGpp) Khi đó pha th ứ 2 b ắ t đầu và được biểu hiện bởi sự p h át triển sang giai đoạn cân bằng H iệu su ấ t giảm đến

50 - 75% so vói hiệu su ấ t tối đa làm tăng k h ả năng tiêu th ụ năng lượng

để tổng hợp protein và làm giảm k h ả năng truyền thông tin do ppGpp Cảm ứng của operon để tổng hợp enzym là sự nhắc lại quan trọng trong

tế bào và cho phép các loại enzym mới hình th àn h để đồng hoá các chất mới làm nguồn năng lượng và carbon

Trong khi tổng hợp protein tăng lên, phần lớn hoạt tính trao đổi chất bị đình trệ như tốc độ tổng hợp RNA và các nucleotid, các chất trung gian như acid glucolic, hydratcarbon, lipid, polyamin và peptidoglycan (Stouthament,

1985), vì nguồn dinh dưỡng giảm xuống đáng kể thì nồng độ ppGpp trong

tế bào tăng lên Như vậy thòi gian tái sinh tăng cao đến ngưỡng tD từ 56 đến 65 giò dẫn đến sự cân bằng vật chất bị phá vỡ Kết quả là hiệu suất tổng hợp sinh khôi giảm chỉ đạt 30 - 50% so với hiệu suất tổng hợp tôi đa

Sự điều chỉnh này liên quan chặt chẽ với sự ức chế và giải ức chế khả năng tổng hợp của ribosom và khi đó khả năng tiêu thụ oxy tăng lên, glucan và acid poly 3-hydroxybutyric bị tiêu thụ hết Việc giải ức chế các enzym ở tốc

31

dộ ph át triển thấp của vi sinh vật là do tác động đồng thời của các hợp chất hữu cơ bỏi các vi khuẩn dị dưỡng trong môi trường tự nhiên với nồng

độ cơ ch ất thếp Tốc độ p h át triển đặc hiệu giảm thì tốc độ hấp th ụ bề mặt

sẽ tăng theo đường thẳng

Môi trường th iếu dinh dưỡng được biểu thi là các vi sinh v ật thay đổi n hanh Khi chuyển đổi vào thời kỳ thiếu h ụ t dinh dưỡng, các vi sinh vật giàu dinh dưõng sẽ chuyển sang dạng hình cầu và kích thước nhỏ đi bằng cách phân chia hoặc giảm kích thước Khi đó hoạt tín h trao đổi

ch ất nội sinh sẽ tăn g lên m ạnh và khả năng tiêu th ụ oxy tăn g lên Như vậy, tế bào vi sinh v ật có khả năng sống sót được trong điều kiện khắc nghiệt nghèo dinh dưõng Các cơ quan chứa nước và lượng lông h ú t sẽ

p h á t triển m ạnh trê n bề m ặt tế bào dẫn đến khả năng tồn tại và ph át triển m ạnh hơn, vì vậy, khả năng tiêu thụ các chất dinh dường có hiệu quả hơn

2.2.3 sử dụng cơ chất hỗn hợp và mối tương tác giữa các vi sinh vật trong môi trường nước thải

Vi sinh v ật có thể sinh trưởng trong môi trường có hỗn hợp các cơ chất, tuy vậy mỗi chủng vi sinh vật có khả nãng chọn các cơ chất đặc

hiệu làm nguồn cung cấp năng lượng và carbon cho tế bào Trong môi

trường nuôi cấy mẻ, hiện tượng diauxie - do Monod p h á t m in h - là một

ví dụ điển hình về việc sử dụng liên tiếp 2 nguồn cơ chất carbon Không

phải như trước, glucose là nguồn cơ chết thích hợp nhất, nhưng đã cạn

kiệt nên cơ chất th ứ cấp được sử dụng trong khoảng thời gian khác n h au

nhiều hay ít hơn s ử dụng cơ chất thứ cấp sẽ bị ức chế nếu như trưóc đó giông chưa được nuôi cấy làm thích ứng với cơ chất này Giữa hai pha thì tế bào vi sinh v ật p h át triển theo số mũ, tuy vậy k h ả n ăn g tiêu dùng một cơ ch ất sẽ đình trệ nếu tỷ lệ giữa hai nguồn cơ cha't thay đổi và nghiêng về cơ ch ất thứ hai Trong diauxie, pha p h át triển thứ n h ấ t có tốc độ p h á t triể n cao hơn pha phát triển thứ hai Trong triauxie, là sự

p h át triển của vi sinh vật trê n 3 nguồn cơ chất đồng thời khác nhau đã được quan sá t và xác nhận có thể có dạng polyauxie

2.2.4 Năng lượng dự trữ và khả năng phân huỷ của vi sinh vật

Khái niệm năng lượng dự trữ được hiểu là nhu cầu năng lượng cần

th iết cho sự p h á t triển của vi sinh vật Tổng lượng sinh khối là do một

lượng năng lượng n h ấ t định tạo th àn h và độc lập với tốc độ p h át triển của vi sinh vật N ăng lượng dự trữ giữa các pha là th an g nồng độ các chất hình th à n h trong tê bào: Tổng hợp protein nội, ngoại bào, các chất

32

cao phân tử câu th à n h tế bào, khả năng vận chuyển tích cực trong tế bào và khả năng vận động của bản th ân tế bào,

Tốc độ chết và phân huỷ của tế bào được biểu thị bằng mô hìn h động học tích luỹ năng lượng

2.2.5 Hỗn hợp quần thể sinh vật và sự phân huỷ hỗn hợp các cơ chất

Trong nước thải có một tập hợp các loại vi sinh vật và các sinh vật khác khu trú , sinh sống và p h át triển trê n môi trường có hỗn hợp các loại cơ chất khác nhau Chính vì theo mô hình của Monod th ì các quần

th ể sinh v ật có trong nước thải sẽ có sự phân bô' và thích nghi theo khả năng cạnh tra n h vì nguồn dinh dưỡng Cũng eó thể sản phẩm thứ n h ấ t của cá thổ hoặc quần th ể sinh vật này là nguồn dinh dưỡng cho cá thể hoặc quần th ể sinh vật khác Do vậy, động học của quá trìn h sinh trưởng, p h á t triể n của sinh v ật trong môi trường nước th ả i là r ấ t phức tạp Tuy nhiên, việc đánh giả dựa trên lượng sinh khối tạo th àn h , khả năng phân huỷ các chất bằng quá trìn h oxy hoá hoặc n h ận năng lượng qua việc nhường điện tử

Sự hiểu biết về các quần thể vi sinh v ật trong môi trường có nồng độ các chất giới h ạn còn ít được quan tâm nghiên cứu N hưng nhữ ng hiểu biết về sinh th á i vi sinh v ậ t trong tự nhiên hoặc trong các n h à máy xử lý nước th ải và p h ế th ải đang được đầu tư m ạnh mẽ, tuy vậy cũng gặp không ít các khó khăn

Các quy trìn h xử lý p h ế th ải bằng vi sinh v ật được điều chỉnh sao cho có điều kiện phân huỷ các châ't tối ưu Tuy nhiên, mối tương tác giữa các quần th ể vi sinh v ật và sự sinh trưởng của chúng sẽ cho phép hoàn thiện các quá trìn h phân huỷ này

2.3 TĂNG CƯỜNG x ử LÝ CHẤT THÀI

2.3.1 Tăng cường bằng các biện pháp kỹ thuật

N hu cầu dinh dưõng để thực hiện việc xử lý chất th ả i bằng bùn hoạt tín h đã được p h á t hiện từ năm 1934 khi xử lý nưốc th ả i có chứa phénol, acid butyric và th iếu nguồn ni tơ và phospho

Ngày nay, ngưòi ta kiểm tra tỷ lệ carbon: nitơ : phospho : kali có trong chất th ả i cũng như tỷ lệ này trong sinh khôi vi sinh v ậ t để tăng cường quá trìn h xử lý nước thải Tỷ lệ các chất trong sinh khối vi sinh vật: C : N : P : K = 50: 1 0 : 4 : 1

Trong xử lý hiếu k h í thì một nửa nguồn carbon đồng hoá vào sinh

khối còn một nửa qua hô hấp thành C 02 Do vậy trong chất thải cần xử

lý phải có tỷ lệ các chất là: c : N : p : K = 100 : 10 : 4 : 1.

Trong xử lý kỵ khí, khoảng 90% nguồn carbon phân huỷ được dùng vào trao đổi năng lượng Do vậy, tỷ lệ các nguồn là: c : N : p : K = 500 :

1 0:4 : 1 đủ để cung cấp chất khoáng cần thiết

2.3.2 Tăng cưởng bằng biện pháp sỉnh học

Xử lý chất thải bằng biện pháp sinh học thực chất là ứng dụng và phát

triển các quy trìn h phân huỷ trong tự nhiên, xử lý chất thải bằng biện pháp sinh học tuỳ thuộc các mức độ xử lý khác nhau mà con người cô" gắng tìm kiếm các phương pháp xử lý tôn ít sức lực và giá th àn h thấp nhất

- Mức độ th ấp n h ấ t là quá trìn h tự làm sạch tự nhiên trong điều kiện hở

- Mức độ thứ h ai là tái thực hiện việc tự làm sạch trong tự nhiên trong m ột vùng xác định mà nó được kiểm soát đầy đủ

- Mức độ thứ ba được đặc trưng bằng việc áp dụng các biện pháp kỹ

th u ậ t để các quá trìn h phân giải chiếm vị trí và th ậ t sự là m ang tín h

ch ất áp dụng các tiến bộ của công nghệ sinh học

- Mức độ cao nhất là áp dụng các kiến thức của công nghệ sinh học

cho k h u vực rộng lớn có bổ sung bằng các công cụ kỹ thu ật

Trong các quá trìn h sinh học xử lý chất thải, phương pháp nào hầu như cũng có áp dụng các phương pháp v ật lý và hoá học Tuy nhiên, tùy theo từ ng loại nước thải, ch ất thải, có th ể sử dụng các phương pháp khác nhau Đặc biệt, các chất th ải chứa các chất độc hại, các kim loại nặngảnh hưỏng đến sin h trưỏng, p h át triển của vi sinh v ật th ì các phương

pháp lý học và hoá học mang lại hiệu quả cao.

ÔN TẬP CHƯƠNG 2

1 Vì sao phân huỷ sinh học ìà cơ sỏ của sinh thái học và quá trình trao

đổi ch ất trong sinh giới? Hãy trìn h bày tốm tắ t các chu trìn h tra o đổi

c h ất q u an trọng trong tự nhiên

2 Vì sao nói: Nghiên cứu quá trình xử lý chất thải, nước thải là “bắt

chước” quá trìn h tự làm sạch trong tự nhiên?

3 Sự phát của quần thể vi sinh vật trong tự nhiên có đặc điểm giông và

khác như th ế nào so với vi sinh v ật trong phòng th í nghiệm?

4 Hãy trình bày sự thay đổi cơ chất sinh học trong quá trình BOD.

5 Các quy trình xử lý phế thải bằng vi sinh vật được điều chỉnh sao

cho có điều kiện phân huỷ các ch ất tối ưu bằng những biện pháp gì?

34

Chương 3

VI SINH VẬT PHÂN HU Ỷ C Á C CHẤT TRONG Tự NHIÊN

3.1 KHÁI NIỆM VỀ VI SINH VẬT

3.1.1 Sự phân b ấ vi sinh vật trong tự nhiên

Vi sinh v ật (microorganisms) có kích thước r ấ t nhỏ bé Thông thường chúng được quan sá t qua kính hiển vi có độ phóng đại từ vài chục lần như nấm mốc, nấm men đến vài chục nghĩn lần như vi khuẩn, virus Chủng phân bô" rộng rãi trong tự nhiên: trong đâ't, trong nước,

trong không khí, thậm chí chúng sống cả trong cơ thể động và thực vật

Ngoài một sô" ít gây bệnh cho động vật và thực vật, còn hầu h ết chúng đóng vai trò quan trọng trong tự nhiên, tích cực th am gia vào các quá trìn h chuyền hoá v ật chất

Nhờ vi sinh v ật luôn tham gia vào quá trìn h phân giải các chất làm

cho chuỗi thức ăn và lưới năng lượng luôn ở trạng thái cân bằng Tuy kích

thước của các vi sinh vật bé nhưng với sô" lượng lớn có trong đ ất và nước sẽ đóng vai trò tq lớn trong hệ sinh thái Ví dụ: trong đ ất trồng, sô" lượng vi sinh vật có thể lên tới hàng tỷ tế bào trong một gam đất Sô" lượng vi sinh vật trong đ ất không chỉ phụ thuộc vào loại đất mà cồn phụ thuộc vào mức

độ canh tác của đ ất và khả năng che phủ của thực vật (bảng 3.1)

Bảng 3.1 số lượng vi sinh vật trong đất

I - - ■ - .

Loại đất Trạng thái dất Vi sinh vậỉ tổng số/g đất

(x trỉệu/g) Đất đổi Hoang hoá 300 - 600

Đất rímg Hoang hoá '

Canh tác

6 0 0 -1 0 0 0 1.000-2.0 00 Đất mùn đen Hoang hoá 2.000 - 2.500

Canh tác 2.5 0 0 -3 0 0 0 Đất ngập nước Hoang hoá 1 2 0 0 - 1.600

Canh ỉác 1.800-3.0 00

Đ ất giàu dinh dưỡng và tóp đ ấ t trê n bề m ặt có số lượng vi sinh vật cao hơn Ngoài ra, tỷ lệ các nhóm vi sinh v ật phân bố trong đ ấ t cũng thay đổi theo từng loại đ ấ t và khả năng canh tác của chúng {bảng 3.2)

Trong tự nhiên, sự p h á t triển của vi sinh vật liên quan m ật th iết đến thức ăn trong môi trường sống và mối quan hệ giữa chúng với nhau Do vậy cuộc sống của các vi sinh vật trong quần thể là hoàn toàn khác nhau Chúng lúôn luôn đấu tra n h để sinh tồn: giànà thức ãn, không gian phát

35

ầ

triển, oxy, , và nói chung vì tấ t cả những gì cần thiêt cho sự p h á t triển của chúng Trong môĩ quan hệ đối kháng giữa các vi sinh vật đã được

P asteu r (1887) khẳng định đó là hiện tượng phổ biến Trong quá trình tiến hoá, tín h đốì kháng là cơ chế bảo vệ mới trong đấu tra n h sinh tồn của

vi sinh v ật trong quần thể Hiện tượng đối kháng là loại vi sinh v ật này

ức chế, hoặc kiềm chế hoàn toàn khả năng sinh trưởng, p h á t triển của vi sinh v ật khác Nó liên quan đến đấu tran h sinh tồn và là n h ân tô" giúp đỡ, xác định k h ả nảng biến dị và liên quan đến loài của vi sinh vật

Đảng 3.2 Các nhóm vi sinh vật trong đất Vùng

đất

Loại

đất

Trạng thải đất

Số lưđng vi sinh vật (x 1000 TB/g) Tỷ lệ các nhóm (%) Tổng

tác 4.870 4.750 27 84 36 98,0 0,6 0,4 Đất

rừng

Đất

mùn

Hoang 1.086 970 130 90 26 89,3 8,1 2,7 Canh

tác 2.620 1.800 430 790 30 70,7 28,2 1,1 Đất

canh

tác

Đất ướt

Hoang 2.482 2.260 690 1.200 22 64,8 34,7 0,6 Canh

tác 6.660 4.540 1.650 2.100 20 67,6 32.0 0,3

Ghi chú: VK - Vi khuẩn, VKBT- Vi khuẩn có bào tử, XK-Xạ khuẩn.

Trong tự nhiên, vi sinh vật gặp điều kiện sống thuận lợi như môi trường dinh dưống, nhiệt độ và độ ẩm thích hợp chúng phát triển rất nhanh, trái lại, trong điều kiện sông không thuận lợi chúng phát triển kém và thường tồn tại ỏ dạng nghỉ hoặc bào tử.

Như vậy, loài là những vi sinh vật có dặc điểm phân loại cơ sở trong

hệ thong phân loại vi sinh vật Tuy nhiên, khái niệm loài ở vi k h u ẩn ít chắc chắn so với cơ thể bậc cao Vì vi k h u ẩn là n h ân nguyên thuỷ, cho nên đặc điểm hìn h th ái có vai trò ít quan trọng trong p h ân loại hơn so với cơ th ể bậc cao,

Dưới loài, người ta định chủng vi sinh vật bằng các đặc trưng bởi các cấp bậc phân loại trung gian theo cách đặt tên (preferred name) như sau:

1 Biovar Biotype Tính chất sinh lý, sinh hoá đặc trưng (:synonym)

3 Pathovar Pa tho type Tính chất ký sinh với vật chủ

4 Phagovar Phagotype Khả năng bị sinh tan bỏi một thực khuẩn thể

5 Morphovar Morphotype Đặc điểm hình th ái đặc trưng

Từ những kh ái niệm cơ bản để phân loại vi sinh vật, người ta đã chia vi sinh v ật th à n h các nhóm chính sau: 1 Virus; 2 Vi khuẩn; 3 Nấm; 4 Nguyên sinh động vật và 5 Tảo

3.1.2.1 Virus

V irus không phải là tế bào, kích thước r ấ t nhỏ, có đường k ín h từ 2 0 - 300nm Chúng có cấu trúc đơn giản rấ t nhiều so với vi k h u ẩn và chỉ sinh sản trong các tế bào sông Người ta phân loại virus dựa vào tế bào sông

mà chúng ký sinh Chúng là nguyên nhân gây ra nhiều bệnh ỏ người, động v ật và thực vật, ví dụ như bệnh dại, bệnh AIDS, bệnh viêm gan, bệnh cúm, bệnh mốc sương ỏ cây, bệnh đốm thuốc lá,

3.1.2.2 Vỉ khuẩn (bacteria)

Vi khuẩn là vi sinh vật nhân sơ (procaryotae) Theo Bergey’s M anual

of Determinative Bacteriology (xuất bản lần thứ 9), 1994, vi khuẩn (trong

đó có cả xạ khuẩn) được chia thành 35 nhóm (groups) bao gồm 569 chi (genus), trong đó có 8 nhóm thuộc xạ khuẩn (Actinomycetes) Những nhóm

này không có nghĩa theo các đơn vị phân loại hiện đại, mà được phân nhóm

trên cơ sả dễ nhận biết theo kiểu hình (phenotypic groups) Người ta cảm

thấy phân nhóm theo kiểu này rất có ích cho mục đích chuẩn loài vi khuẩn.

Theo Bergey, vi k h u ẩn được chia th àn h 3 nhóm chính sau:

a) E u b a c te r ia (vi khuẩn): có các hình dạng khác nhau: hình cầu,

hình que và hình xoắn cho nên thường gọi cầu khuẩn, trực khuẩn và xoắn khuẩn (hình 3.1) Kích thước tế bào thay đổi, từ 0,5 đến 5j.Lm (hình

3.2) C húng có tiên mao, do vậy chúng có thể chuyển động trong môi

trường lỏng Vi khuẩn đóng vai trò quan trọng trong tự nhiên, trong công nghiệp, nông nghiệp, đồng thời cũng gây bệnh cho người, gia súc và

Hình 3.1 Hình dạng tế bảo vi khuẩn Cầu khuẩn (A), trực khuẩn (B), phay khuẩn <C) và xoắn khuẩn (D)

Hình 3.2 Hình dạng khuẩn lạc (A) và tế bào (B) của vi khuẩn

(theo và Jim Deacon, 2004)

A Hình dạng khuẩn tạc các chủng từ 1 đến 12 trên đĩa thạch;

B Hình dạng tế bào tương ứng cửa các chùng từ 1 đến 12 trên kính hiển vi

b) A r c h a e o b a c te r ia (vi khuẩn cổ) nay chuyển thành nhóm riêng có

tên là cổ khuẩn (Ạrchaea) có hình dạng giốhg vi khuẩn, nhưng rất khác

về thành phần hoá học, hoạt tính sinh học cũng như môi trường sống Nhiều loài thuộc nhóm này có khả năng sinh trưỏng, phát triển ố nhiệt

độ cao.

c) A c tin o m y c e te a (xạ khuẩn): có hình dạng giống nấm mốc ỏ chỗ

tạo thành hệ sợi, nhưng lại là vi sinh vật đdn bào, không có nhân thực

và có kích thước giông vi khuẩn Tế bào phân chia theo kicu amitoz (phân bào vô ty) - đó là tính chất đặc trư ng của vi khuẩn Đặc điểm nổi 38

bột của xạ kh u ẩn là có k h u ẩn ty trông giông hệ sợi của nâ'm mốc, phân

nh án h nhưng không có vách ngăn K huẩn ty của xạ k h u ẩ n m ảnh hơn nấm mốc (0,3 - l,14|um) Trên môi trường rắn, xạ k h u ẩ n p h á t triển

th àn h k h u ẩ n lạc có sắc khác nhau: đỏ, vàng, tím, xanh, xanh da trời, ghi, Do vậy, người ta chia xạ khuẩn theo các nhóm m àu khác nhau Thời gian phân đôi của tế bào xạ khuẩn nuôi cấy trong môi trường lỏng khoảng 90 phút, ỏ vi khuẩn 40 phút

Xạ k h u ẩn p h át triển theo phương pháp mọc chồi, phân n h án h (khoảng 30|um phân 1 nhánh) Độ dài kh u ẩn ty xạ k h u ẩ n trong giai đoạn p h á t triển khoảng llfam / giờ và “n h ân ” của tế bào xạ k h u ẩn được sắp xếp đều đặn theo chiều dài của khuẩn ty Do vậy, một đoạn xạ khuẩn (mầm xạ khuẩn) hoặc bào tử gặp điều kiện th u ậ n lợi có thể hình

th àn h k h u ẩ n ty và p h át triển Đặc điểm quan trọng n h ấ t trong phân loại xạ k h u ẩn là hình thái và kích thưóc của cuống sinh bào tử (hình3.3) Cuông sinh bào tử có các dạng thẳng, hoặc hơi cong (ký hiệu RF), dạng xoắn (S) hoặc dạng móc câu (RA) Bào tử hình th à n h đồng thời trôn tấ t cả chiều dài của cuống sinh bào tử Bào tử có các dạng hình cầu, hình trụ oval hoặc hình que và bề m ặt bào tử nhẵn, xù xì, dạng gai hoặc dạng tóc

Thảng ► Lươn sóng _ ^ Mọc thành chùm

Vòng đơn (xoắn) Vòng đôi (thảng) - ► Vòng đòi (xoắn)

Hình 3.3 Hình dạng khuẩn ty và cuống sinh bào tử của xạ khuẩn

39

Â

Hình 3.4 Khuân lạc của xạ khuẩn phân lập từ bể ủ rác thải

Giống như vi khuẩn, xạ khuẩn

đóng vai trò quan trọng trong tự nhiên,

tích cực tham gia vào các quá trình

chuyển hoá nhiều chất trong đất, trong

nước Đặc điểm nổi bật nhất của xạ

khuẩn là khả năng hình thành chất

kháng sinh 60 - 70% xạ khuẩn phân

lập từ đất có hoạt tính kháng sinh Đây

là quá trình đôì kháng giữa các vi sinh

vật và thúc đẩy quá trình tiến hoá của

xạ khuẩn.

Nhiều loại xạ khuẩn thuộc nhóm ưa nhiệt cho nên chịu đượe nhiệt độ

trong bể ủ rác thải (hình 3.4), chúng có hoạt tính phân giải cellulose mạnh.

3.12.3 Nấm (Fungi)

Nấm là những cơ thể có nhân thật (eucaryotae) vừa có dạng đơn bào, vừa có dạng đa bào Phần lớn chúng có kích thước nhỏ, một sô" có kích thước lớn như nấm ãn ở đây, chỉ đề cập đến vi nấm và có thể chia chúng thành 2 nhóm lớn:

a) N ấ m m en (Yeast): là cơ th ể đơn bào có kích thước lớn hơn vi

khuẩn (2,5 - 10jim) Đặc điểm quan trọng nhất của nấm men là sinh sản theo kiểu đâm chồi (hình 3.5) Nhiều loại nấm men có ý nghĩa lớn trong công nghiệp sản xuất rượu bia, thức ăn gia súc Nấm men ít gặp trong bể ủ rác thải, vì khả năng chịu nhiệt thấp Theo Barnet J.A et al (1983) nấm men có 483 loài thuộc 66 chi khác nhau.

b) N ấ m m ốc (mold): là nhóm vi sinh vật có sô'lượng loài rất lớn Đặc

điểm quan trọng để phân loại của nấm mốc là màu sắc của chúng trôn môi trường rắn và hình thái của cơ quan sinh sản là cuông sinh bào tử và bào tử trần (hình 3.6) Nấm mốc giữ vai trò quan trọng trong quá trình trao đổi chất trong tự nhiên, bởi vì nấm mốc có hệ enzym rất phong phú Nhiều loại enzym công nghiệp vẫn được sản xuất từ nấm mốc.

Hình 3.5 Hĩnh dạng tê' bào nấm men (A) và tế bào đang đâm chồi (B)

40

Asperguius 9 m • \ \ 9 Mucor Rhizopus Thamnidium Rhizopus

Hình 3.6 Cuống bào tử trẩn và bào tử trẩn của một số nấm mốc

3.1.2.4 Nguyên sinh đọng vật (protozoa)

Nguyôn sinh động vật là các vi sinh vật có nhân th ật, đơn bào (hình 3.7) Chúng giổng động vật ở chỗ ăn những m ảnh nhỏ thức ăn, ít khi có

th à n h tế bào và không có chlorophyll Một sô" nguyên sinh động v ật có thể chuyển động nhờ lông mịn (cillia), tiẽn mao hoặc chân giả Nguyên sinh động v ật có nhiều trong tự nhiên, một sô' loại gây bệnh cho động vật

và người

Hình 3.7 Một số nguyên sinh động vặt thưởng thây trong bùn hoạt tính

a) Aspidisca costata; b) Vorsicella convalarìa; c) Trachelophyllum pusillum và d) Philodina.

3.1.2.5 Tảo (Algae)

Tảo được coi giông thực v ật vì tế bào có chứa chlorophyll thực hiện chức năng quang hợp Tảo có th à n h tế bào cứng và có n h ân th ật Tảo thường sống ở dưới nước, là thức ăn cho động v ật sống dưới nước Tảo có thể làm bẩn các bể chứa nước, làm tắc đường ông dẫn nước và thải ra các chất độc đố! với các sinh v ật khác

3.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến sinh trưởng của vi sinh vật

Vi sinh vật được phân bố khắp nơi, cho nên khả năng thích ứng của

vi sinh vật phụ thuộc vào điều kiện sông khác nhau như nhiệt độ, độ

ẩm, thông khí, pH môi trường và nguồn dinh dưõng Từ đó người ta phân chúng thành những nhóm vi sinh vật tương ứng nhằm tạo điều kiộn thuận lợi cho chúng phát triển.

41