Tiểu luận môn học sinh thái ứng dụng (ứng dụng vi sinh vật xử lý rác thải

BÀI TIỂU LUẬN ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VI SINH VẬT TRONG XỬ LÝ, TÁI CHẾ CHẤT THẢI RẮN SINH HOẠT Hà Nội, tháng 12 năm 2021 1 Đặt vấn đề 1 1 Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu Tại Việt Nam nói riêng và các.

BÀI TIỂU LUẬN ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VI SINH VẬT TRONG XỬ LÝ,

TÁI CHẾ CHẤT THẢI RẮN SINH HOẠT

Hà Nội, tháng 12 năm 2021

1 Đặt vấn đề

1.1 Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu

Tại Việt Nam nói riêng và các nước thế giới nói chung, việc tăng trưởng kinh tế, sự gia tăng dân số nhanh chóng và nhu cầu cuộc sống của con người có

xu hướng tăng cao dẫn tới tình trạng lượng rác sinh hoạt thải ra môi trường ngày càng nhiều; trong khi đó, lượng rác được xử lý để an toàn cho môi trường thì không tương xứng Vì vậy, việc xử lý rác thải vừa hiệu quả vừa đảm bảo việc bảo vệ môi trường là việc làm rất cần thiết và cấp bách Tuy nhiên, hiện nay những công nghệ xử lý rác thải truyền thống như: chôn lấp, đốt,… không mang lại hiệu quả cao, và chưa là giải pháp hữu hiệu để bảo vệ môi trường Đứng trước những thực trạng trên, đòi hỏi cần có những giải pháp lâu dài, hiệu quả, mang tính công nghệ và đặc biệt là an toàn cho môi trường để xử lý rác thải Ngày nay, sự phát triển của công nghệ sinh học đặc biệt là công nghệ vi sinh vật ngày càng đóng một vai trò quan trọng trong lĩnh vực bảo vệ môi trường Nhiều quy trình công nghệ xử lý ô nhiễm môi trường hiện tại được xây dựng trên cơ sở tham gia tích cực của vi sinh vật

Việc ứng dụng công nghệ vi sinh vật trong xử lý rác thải sinh hoạt được ứng dụng điển hình tại một số nước trên thế giới: Áo, Nhật Bản Nổi bật nhất trong hệ thống xử lý rác thải của Áo là công nghệ sinh học để tái chế nhựa PET Một công ty ở Áo đã phát triển một giải pháp công nghệ cao, sử dụng enzim một loại nấm để tái chế nhựa PET Dưới tác động của enzim, nhựa PET sẽ bị phân huỷ thành phân tử và sau đó có thể dễ dàng chuyển đổi lại thành nhựa chất lượng cao Nhờ phát hiện ra loại enzyme “ăn nhựa” này, các nhà quản lý môi trường có thêm một lựa chọn hiệu quả để tái chế nhựa PET, thay vì chỉ xử lý

bằng cách đốt hoặc nghiền nhỏ như trước đây Ngoài ra, tại Nhật Bản: Mô hình phân loại, thu gom tái chế rác thải sinh hoạt dạng hữu cơ thành phân hữu cơ vi sinh cũng được áp dụng rộng rãi và có hiệu quả

  Tại Việt Nam, công nghệ sinh vi sinh vật được áp dụng tại các hộ gia đình và các nhà máy xử lý rác thải sinh hoạt Năm 2014, Tổng cục môi trường

đã triển khai dự án xây dựng nhà máy xử lý rác bằng công nghệ ủ khô kỵ khí ở quy mô thí điểm tại Lý Sơn, Ninh Bình, Nam Định Gâần đây nhất là Dự án Nhà máy phân loại, xử lý rác thải, sản xuất điện và phân bón khoáng hữu cơ do Công

ty TNHH phát triển dự án Việt Nam là chủ đầu tư với công suất 60 tấn phế phẩm /ngày, được khởi công từ tháng 8/2016, hoàn thành và đi vào hoạt động từ tháng 3/2018 Đây là dự án xử lý rác thải lớn, hiện đại đầu tiên được đầu tư xây dựng ở xã Lý Trạch, huyện Bố Trạch (tỉnh Quảng Bình), có các tổ hợp xử lý rác thải sinh hoạt và sản xuất, tái tạo tổng công suất điện 10MW, sử dụng 100% thiết bị, công nghệ đồng bộ, khép kín, hiện đại và tiên tiến nhất của CHLB Đức

Nhận thấy, công nghệ ứng dụng vi sinh vật trong xử lý chất thải rắn sinh hoạt là mô hình mang có tính hiệu quả, giải pháp hữu hiệu, an toàn cho môi trường và cần được áp dụng rộng rãi vào việc xử lý, tái chế rác thải tại nước ta hiện nay

1.2 Mục đích và yêu cầu

Thực trạng hiện nay về lượng rác sinh hoạt thải ra môi trường và các công

nghệ xử lý rác thải hiện nay.

Giới thiệu các loại vi sinh vật có lợi trong việc xử lý rác thải và các phương pháp xử lý rác thải bằng công nghệ vi sinh vật

Đánh giá hiệu quả của việc sử dụng ứng dụng vi sinh vật vào xử lý chất thải rắn sinh hoạt

Đề xuất một số giải pháp nhằm nâng cao hiệu quả trong công tác xử lý rác thải rắn sinh hoạt bằng công nghệ vi sinh vật

2 Thực trạng

Chất thải rắn sinh hoạt là chất thải ở dạng rắn phát sinh trong hoạt động

sinh hoạt của con người Chất thải rắn sinh hoạt được phân thành 02 loại cơ bản: rác thải hữu cơ và rác thải vô cơ Rác thải vô cơ được chia thành rác thải tái chế

và rác thải không tái chế

Tại Việt Nam theo thống kê số lượng năm 2018 lượng CTR sinh hoạt phát sinh khoảng 25,5 triệu tấn/năm, trong đó lượng chất thải rắn sinh hoạt phát sinh tại các khu đô thị khoảng 38.000 tấn/ngày và tỷ lệ thu gom đạt khoảng 85%, khu vực nông thôn khoảng 32.000 tấn/ngày nhưng tỷ lệ thu gom còn thấp, trung bình 40-55% Nhiều khu vực vùng sâu, vùng xa, miền núi, việc thu gom, xử lý chất thải rắn sinh hoạt rất khó khăn, rác thải được thải trực tiếp ra ao hồ, sông, suối, ruộng đồng hoặc tập trung tại các bãi rác tự phát, chưa đáp ứng yêu cầu bảo vệ môi trường

Việc đầu tư và xây dựng các khu xử lý chất thải, các bãi chôn lấp hợp vệ sinh mới chỉ thực hiện ở một số tỉnh có nguồn thu ngân sách lớn Việc đầu tư, vận hành cơ sở xử lý chất thải tại các cơ sở vùng sâu, vùng xa và tỉnh có nguồn thu ngân sách thấp đa phần chưa đáp ứng yêu cầu bảo vệ môi trường.Việc quản

lý chất thải rắn sinh hoạt hiện nay chưa đáp ứng được yêu cầu về bảo vệ môi trường; chất thải rắn sinh hoạt chưa được quản lý, xử lý và thải bỏ một cách an toàn, đây chính là một trong những nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường đất, nước, không khí, nhiều trường hợp gây mất an ninh trật tự địa phương do người dân phản đối việc xây dựng, vận hành các cơ sở xử lý chất thải sinh hoạt

Để giải quyết tình trạng trên, trong những năm gần đây, việc thu gom, vận chuyển và xử lý chất thải rắn sinh hoạt đã được xã hội hóa, điển hình là nhiều các doanh nghiệp tư nhân tham gia đầu tư xử lý chất thải rắn với nhiều công nghệ khác nhau như tái chế chất thải, chế biến rác thành phân vi sinh, thành nhiên liệu đốt, phát điện, thu khí gas trong các bãi chôn lấp rác để làm nhiên liệu

Với xu hướng xử lý chất thải rắn sinh hoạt hiện nay là giảm tỉ lệ chôn lấp, tăng tỷ lệ tái chế và ủ sinh học thì việc ứng dụng công nghệ vi sinh vật trong xử

lý, tái chế chất thải rắn sinh hoạt là một mô hình cần được cân nhắc để đưa vào

áp dụng rộng rãi tại nước ta

2.1.Nguyên lý sử dụng vi sinh vào xử lý, tái chế chất thải rắn sinh hoạt

Xử lý rác thải rắn sinh hoạt bằng công nghệ vi sinh vật là nhờ hoạt động sống của vi sinh vật phân hủy rác thải thành các thành phần nhỏ hơn, hình thành sinh khối vi sinh vật cao hơn, các sản phẩm trao đổi chất của vi sinh vật và các

loại khí như CO2, CH4,… Các quá trình chuyển hóa này có thể xảy ra ở điều kiện hiếu khí hay kỵ khí

Việc lựa chọn các vi sinh vật xử lý rác thải cần dựa trên những nguyên tắc sau:

- Các chủng vi sinh vật phải có hoạt tính sinh học cao như khả năng sinh phức hệ enzyme cellulase cao và ổn định

- Sinh trưởng và phát triển tốt trong điều kiện thực tế của đống ủ Có tác dụng cải tạo đất và có lợi cho thực vật khi sản xuất được phân ủ bó vào đất

- Không độc cho người, cây trồng, động vật và vi sinh vật hữu ích trong đất

- Nuôi cấy dễ dàng, sinh trưởng tốt trên môi trường tự nhiên, thuận lợi cho quá trình xử lý

2.2 Thực trạng việc sử dụng mô hình

a) Ưu điểm, nhược điểm

Ưu điểm

- Thời gian xử lý nhanh, chi phí xử lý rẻ

- Có tính hiệu quả và an toàn cho môi trường

- Tạo nguồn phân sinh học phục vụ cho sản xuất nông nghiệp và phục hồi

tài nguyên đất

Nhược điểm

- Có chọn lọc rác trong xử lý (không xử lý được cái loại chất thải vô cơ)

- Quá trình xử lý phải được giám sát kỹ, trong quá trình xử lý nếu không thu gom khí tạo ra trong quá trình phân giải sẽ gây mùi ảnh hưởng đến môi trường

- Khó thực hiện tại các vùng, khu vực có điều kiện không thuận lợi cho vi sinh vật phát triển mạnh hoặc mùa mưa kéo dài

b) Thuận lợi, khó khăn

Việt Nam là nước có điều kiện khí hậu nhiệt đới gió mùa, nhiệt độ cao, độ

ẩm lớn thuận lợi cho các loại vi sinh vật phát triển Tuy nhiên khi áp dụng mô hình này vẫn gặp những hạn chế trong việc giám sát chặt chẽ các yếu tố ảnh

hưởng đến hoạt động của vi sinh như: Nhiệt độ, ánh sáng, độ pH…Nếu các yếu

tố trên năm ngoài ngưỡng hoạt động của vi sinh vật sẽ ảnh hưởng đến quá trình phân giải cũng như sản phẩm thu được sau quá trình phân giải

3 Mô hình ứng dụng vi sinh vật xử lý chất thải rắn sinh hoạt

Mô hình ứng dụng công nghệ vi sinh vật trong xử lý, tái chế chất thải rắn

sinh hoạt được áp dụng chủ yếu đối với rác thải hữu cơ Tại một số nước có công nghệ kỹ thuật cao thì việc sử dụng công nghệ vi sinh vật được áp dụng để

xử lý rác thải vô cơ (rác thải tái chế)

3.1.Các loại vi sinh vật và hoạt động của vi sinh vật

Rác hữu cơ là các loại rác dễ phân hủy như thức ăn thừa, rau củ quả, trái cây, thực động vật chết…Vi sinh vật phân giải rác hữu cơ gồm nhóm các vi sinh vật có đặc tính: tiết ra môi trường lượng enzym phân hủy lớn, sinh khối lớn,…

Vi sinh vật phân giải cellulose gồm: Nhóm vi khuẩn chính phân giải cellulose là các nhóm vi khuẩn và xạ khuẩn và các loại vi nấm Các nhóm vi

khuẩn và xạ khuẩn như Arzotobacter, Achromobacter, Pseudomonas, Cellulomonas, Micromonospora, Proactinomyces, Actinomyces … Nhóm vi sinh vật này có hệ enzym cellulose ngoại bào giúp phân hủy cellulose Các nhóm vi nấm là nhóm có khả năng phân giải mạnh vì nó tiết ra môi trường một lượng lớn enzym có đầy đủ các thành phần, gồm các loại: Nấm mốc, nấm đốm, nấm mục

Vi sinh vật phân giải protein: Nhóm vi khuẩn chính phân giải protein là

vi khuẩn nitrat hoá, vi khuẩn nitrit hóa vi khuẩn cố định nitơ. Nhóm vi khuẩn

nitrit hoá bao gồm bốn chi khác nhau: Nitrozomonas, Nitrozocystic, Nitrozolobus và Nitrosospira Nhóm vi khuẩn nitrat hoá (tiến hành oxi hoá NO2– thành NO3–) bao gồm ba chi khác nhau: Nitrobacter,

Nitrospira vàNitrococcus Nhóm vi khuẩn cố định nitơ có trong môi trường rác

ủ là các nhóm: Azotobacter và Clostridium 

Vi sinh vật phân giải tinh bột:  Một số vi sinh vật có khả năng tiết ra

môi trường đầy đủ các loại enzym trong hệ enzym amilaza như: Aspergillus, , Rhizopus (vi nấm);Bacillus, Cytophaza, Pseudomonas (Vi khuẩn); Aspergillus, Fusarium, Rhizopus (xạ khuẩn)

Vi sinh vật phân giải phosphat: Vi khuẩn phân giải phospho hữu cơ chủ

yếu thuộc hai chi: Bacillus và Pseudomonas

Các quá trình sinh hoá diễn ra trong đống ủ rác chủ yếu do hoạt động của các vi sinh vật sử dụng các hợp chất hữu cơ làm nguồn dinh dưỡng cho các hoạt động sống của chúng Các loại vi khuẩn và nấm đóng vai trò quan trọng trong quá trình phân giải các hợp chất Các loại vi sinh vật phát triển tốt trong các điều kiện môi trường được xác định như bảng sau

Hình 1 Hình ảnh một số chủng vi sinh vật

Các vi sinh vật tham gia vào quá trình phân giải tại các đống ủ rác được chia thành ba nhóm chủ yếu sau: 

Các vi sinh vật ưa ẩm: phát triển mạnh ở nhiệt độ 0 – 20oC

Các vi sinh vật ưa ấm: phát triển mạnh ở nhiệt độ 20 – 40oC

Các vi sinh vật ưa nóng: phát triển mạnh ở nhiệt độ 40 – 70oC. 

Sự phát triển của các loại vi sinh vật theo nhiệt độ được thể hiện: Thời kỳ đầu của quá trình ủ rác, quá trình hiếu khí được diễn ra, giai đoạn này các chất hữu cơ dễ bị oxi hoá sinh hoá thành dạng đơn giản như protein, tinh bột, chất béo, một lượng nhất định chất xenluloza Trong quá trình này, các vi sinh vật tiếp nhận một lượng năng lượng rất lớn và vì thế có tồn tại một lượng năng lượng đáng kể ở dạng nhiệt Lượng năng lượng nhiệt được tạo thành bên trong lòng đống ủ được tạo ra nhiều hơn so với lượng nhiệt được thoát ra bên ngoài và

do đó nhiệt độ bên trong các đống bể ủ được tăng lên Giá trị nhiệt độ tăng tới

60 – 70oC, kéo dài trong thời gian khoảng 30 ngày Ở khoảng nhiệt độ này, các phản ứng hoá học diễn ra sẽ trội hơn các phản ứng vi sinh vật bởi vì hầu hết chủng vi sinh vật không phát triển được ở nhiệt độ 70oC

Trong quá trình phân huỷ hiếu khí, các polime ở dạng đa phân tử được vi sinh vật chuyển hoá sang dạng đơn phân tử và tồn tại ở dạng tự do Các polime đơn phân tử sau đó lại được vi sinh vật hấp thụ, sử dụng trong việc tiếp nhận năng lượng để kiến tạo nên tế bào mới Khi O2 bị các vi sinh vật hiếu khí tiêu thụ dần thì các vi sinh vật yếm khí bắt đầu xuất hiện và nhiều quá trình lên men khác được bắt đầu diễn ra trong đống ủ Các vi sinh vật tham gia vào quá trình lên men là nhóm vi sinh vật dị dưỡng trong điều kiện cả yếm khí lẫn kỵ khí nghiêm ngặt Các chất hữu cơ dạng đơn giản, các axit amin, đường … được chuyển hoá thành các axit béo dễ bay hơi, rượu, CO2 và N2 Các axit béo dễ bay hơi, rượu sau đó lại được chuyển hoá tiếp tục với sự tham gia của các vi sinh vật axeton và các vi sinh vật khử sunfat

Các vi sinh vật axeton tạo ra các axit axetic, khí CO2 còn các vi khuẩn khác thì chỉ tạo ra khí N2 và khí CO2 Các chất này là nguồn nguyên liệu ban đầu của quá trình metan hoá Các vi khuẩn tạo sunfat và vi khuẩn tạo metan là những vi khuẩn thuộc nhóm tạo vi sinh vật kỵ khí bắt buộc Có hai nhóm vi sinh vật chủ yếu tham gia vào quá trình tạo metan, phần lớn là nhóm các vi sinh vật tạo metan từ khí N2 và khí CO2, phần nhỏ (gồm 2 đến 3 chủng loài) là những vi sinh vật tạo metan từ axit axetic Trong tổng lượng khí metan tạo thành từ đống

ủ thì có tới 70% được tạo thành từ axit axetic Nếu như có tồn tại nhiều sunfat trong các đống ủ thì các vi khuẩn khử sunfat sẽ mang tính trội hơn vi khuẩn metan và như vậy sẽ không có khí metan tạo thành nếu sunfat vẫn tồn tại Trong

quá trình chuyển hoá kỵ khí, nhiệt độ của các đống ủ giảm xuống vì các chủng loại vi sinh vật ở giai đoạn này tạo ra ít nhiệt lượng hơn nhiều so với quá trình chuyển hoá hiếu khí (chỉ bằng 7% so với quá trình hiếu khí)

Như vậy, rác hữu cơ tại các đống ủ được phân huỷ theo nhiều giai đoạn chuyển hoá sinh học khác nhau để tạo ra sản phẩm cuối cùng là mùn hữu cơ để làm phân sinh học

3.2  Phương pháp xử lý rác thải hữu cơ bằng công nghệ vi sinh vật

3.2.1 Phương pháp ủ kỵ khí

Là quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ không có mặt của oxy (tinh bột, cellulose, lipit và protein), sản phẩm cuối cùng là khí CH4, CO2, NH3, một lượng nhỏ các loại khí khác, acid hữu cơ và sinh khối vi sinh vật Rác thải hữu

cơ được bổ sung thêm phân bùn và vi sinh vật phân giải, sau đó được ủ thành đống trong điều kiện nhiệt độ, độ ẩm, độ xốp thích hợp,… Sản phẩm thu được là các chất dễ tan, hỗn hợp các chất khí CH4, CO2, NH3,…trong đó CH4 chiếm đại đa số

Sơ đồ 3.1 Mô hình xử lý rác thải bằng phương pháp ủ kỵ khí

Bước 1: Thu gom và tâp kết rác tại điểm

Bước 2: Phân loại rác dễ phân hủy và rác khó phân hủy (đối với các loại rác khó phân hủy thì xử lý bằng phương pháp chôn lấp

Bước 3: Đưa rác vào vào hầm, bể chứa rác để tiến hành ủ

Bước 4: Bổ sung các điều kiện cần thiết cho quá trình phân giải kỵ khí

Qua thực nghiệm tính toán cho thấy, quá trình phân hủy rác thải hữu cơ bằng phương pháp ủ kỵ khí thì cứ 200kg chất thải rắn cần 800kg nước sẽ chuyển hóa thành 50kg chất rắn và 150kg khí sinh học (biogas) Thành phần khí sinh học gồm: CH4 55,65%, CO2 35,45%, N2 0,3%, H2 0,1%, H2S 0,1%

Có ba nhóm vi khuẩn tham gia vào quá trình: 

1)Nhóm vi khuẩn chịu trách nhiệm thủy giải và lên men; 

2)Nhóm vi khuẩn tạo H2 và aceticacid; 

3) Nhóm vi khuẩn tạo khí methane tự dưỡng sử dụng H2

Để nâng cao năng suất của quá trình lên men, hiện người ta vẫn tiếp tục hoàn thiện các loại giống, chủng, vi khuẩn lên men kỵ khí bằng biện pháp chọn lọc tự nhiên hoặc nhờ phương pháp công nghệ di truyền Đặc biệt về mặt công nghệ người ta cần phải chú ý khắc phục các yếu tố giới hạn tốc độ phân huỷ cơ chất có mặt trong phế thải như cellulose, tinh bột …., và tốc độ tạo khí methane Cần lưu ý là một số sản phẩm cuối của quá trình lên men như H2, CO2 và H2S, thường có tác động ức chế ngược làm giảm hoạt tính hoạt động của vi khuẩn tạo khí methane

Các giai đoạn của quá trình sinh tổng hợp methan (Biogas).

Giai đoạn thủy phân cơ chất: các thành phần hữu cơ của rác thải bị phân hủy dưới tác động của men hydrolaza do vi sinh vật tiết ra để hình thành các hợp chất đơn giản (đường đơn, peptit, glyxerin, axit béo, axit amin,… vi sinh vật

tham gia vào giai đoạn này là Clostridium thermocellum.

Giai đoạn hình thành các axit hữu cơ: dưới tác dụng của enzym vi sinh vật, các chất hữu cơ dễ tan chuyển thành các axit hữu cơ (axit axetic,