Phân lập, tuyển chọn và ứng dụng một số vi khuẩn có khả năng phân giải xenlulo, góp phần xử lý rác thải sinh hoạt

Môi trường hiện nay đang trở thành vấn đề mang tính toàn cầu. Nó đòi hỏi phải có sự phối hợp chặt chẽ, lâu dài, sự đầu tư hợp lý, đồng bộ nhằm giảm thiểu những ảnh hưởng có hại gây sự suy thoái và huỷ hoại môi trường. Cùng với sự phát triển của Khoa học- Công nghệ mức độ đô thị hoá ngày càng nhanh chóng, nhu cầu của con người cũng tăng rất nhanh trong những năm gần đây. Từ thực tiễn, do chất thải rắn chỉ được thu gom, mà không được phân loại và xử lý tại nguồn phát sinh nên đ• gây ô nhiễm môi trường ở tất cả các khâu: từ thu gom, lưu giữ trong nhà, rơi v•i trên đường phố trong vận chuyển đến ô nhiễm tại b•i rác. Nếu cứ giữ nguyên phương thức thu gom xử lý chất thải rắn như hiện nay thì quy mô b•i rác cứ ngày càng tăng, chi phí cho xây dựng các b•i chứa rác càng lớn. Vấn đề di chuyển, quy hoạch một b•i rác mới không phải là đơn giản. Chất thải rắn sinh hoạt là mối quan tâm không chỉ của các nhà quản lý, các nhà khoa học mà cả chính của người dân ở địa bàn sinh sống. Vấn đề đặt ra là cần có một phương pháp xử lý rác thải phù hợp, tiện lợi, dễ tiến hành nhất, nhằm giữ gìn môi trường cảnh quan đồng thời giảm thiểu mức độ ô nhiễm. Dựa trên quan điểm đó, với hướng cần phân loại rác thải để phục vụ cho mục đích phân huỷ bằng phương pháp sinh học. Trong nội dung khoá luận này, chúng tôi tập trung nghiên cứu : Phân lập, tuyển chọn và ứng dụng một số vi khuẩn có khả năng phân giải xenlulo, góp phần xử lý rác thải sinh hoạt

1.2.2.1 Sự phân giải các hợp chất Gluxit

1.2.2.1.1 Sự phân giải các hợp chất đờng

1.2.3 Vi sinh vật vòng tuần hoàn chuyển hoá Nitơ

1.2.4 Vi sinh vật vòng tuần hoàn chuyển hoá Photpho

1.2.5 Vi sinh vật vòng tuần hoàn chuyển hoá Lu huỳnh

1.3 Phơng pháp xử lý rác thải sinh hoạt

1.3.1 Xử lý chất thải hữu cơ trong điều kiện hiếu khí

1.3.2 Xử lý chất thải hữu cơ trong điều kiện kị khí

1.3.3 Nhu cầu các chất dinh dỡng của vi sinh vật

1.4 Các yếu tố ảnh hởng đến quá trình xử lý

1.4.1 Các yếu tố ảnh hởng đến quá trình ủ rác

1.4.2 Các yếu tố ảnh hởng đến quá trình xử lý nớc rác

phần 2: Thực nghiệm

2.1 Mục đích của thực nghiệm

2.2 Một số phơng pháp nghiên cứu vi sinh vật học

2.2.1 Phơng pháp chuẩn bị môi trờng dinh dỡng

2.2.2 Chuẩn bị dụng cụ

2.2.2.1 Rửa dụng cụ thuỷ tinh

2.2.2.2 Làm nút bông và bao gói

2.2.2.3 Khử trùng dụng cụ thí nghiệm

2.2.2.4 Phơng pháp tạo môi trờng

2.2.3 Tiến hành phân lập vi khuẩn

2.2.4 Phơng pháp nuôi cấy

2.3.1 Xác định chỉ số COD

2.3.2 Xác định amoni trong nớc rác

2.3.3 Xác định Nitrat

3 Kết quả và thảo luận

3.1.Phân lập vi khuẩn có khả năng phân giải Xenlulo từ phần chất xơ trong dạ dày bò.

3.2 ứng dụng vi khuẩn từ phần chất xơ vào quá trình phân huỷ rác thải 3.3 Phân lập vi khuẩn có khả năng phân giải Xenlulo có trong nớc rác rò rỉ.

3.4 xác định khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ của vi khuẩn trong nớc rác rò ri.

3.5 Hớng nghiên cứu mới.

Kết luận

Tài liệu tham khảo

Mở đầu

Môi trờng hiện nay đang trở thành vấn đề mang tính toàn cầu Nó đòi hỏiphải có sự phối hợp chặt chẽ, lâu dài, sự đầu t hợp lý, đồng bộ nhằm giảm thiểunhững ảnh hởng có hại gây sự suy thoái và huỷ hoại môi trờng Cùng với sự pháttriển của Khoa học- Công nghệ mức độ đô thị hoá ngày càng nhanh chóng, nhucầu của con ngời cũng tăng rất nhanh trong những năm gần đây

Từ thực tiễn, do chất thải rắn chỉ đợc thu gom, mà không đợc phân loại và

xử lý tại nguồn phát sinh nên đã gây ô nhiễm môi trờng ở tất cả các khâu: từ thugom, lu giữ trong nhà, rơi vãi trên đờng phố trong vận chuyển đến ô nhiễm tại bãirác Nếu cứ giữ nguyên phơng thức thu gom xử lý chất thải rắn nh hiện nay thìquy mô bãi rác cứ ngày càng tăng, chi phí cho xây dựng các bãi chứa rác cànglớn Vấn đề di chuyển, quy hoạch một bãi rác mới không phải là đơn giản

Chất thải rắn sinh hoạt là mối quan tâm không chỉ của các nhà quản lý,các nhà khoa học mà cả chính của ngời dân ở địa bàn sinh sống Vấn đề đặt ra làcần có một phơng pháp xử lý rác thải phù hợp, tiện lợi, dễ tiến hành nhất, nhằmgiữ gìn môi trờng cảnh quan đồng thời giảm thiểu mức độ ô nhiễm

Dựa trên quan điểm đó, với hớng cần phân loại rác thải để phục vụ chomục đích phân huỷ bằng phơng pháp sinh học Trong nội dung khoá luận này,

chúng tôi tập trung nghiên cứu : Phân lập, tuyển chọn và ứng dụng một số vi khuẩn có khả năng phân giải xenlulo, góp phần xử lý rác thải sinh hoạt

Rác thải sinh hoạt có thành phần rất phức tạp nh :

- Những hợp chất vô cơ: kim loại, sành sứ, gạch ngói vỡ, đất đá

- Những hợp chất hữu cơ: các loại thực phẩm d thừa hoặc quá hạn sửdụng, xơng động vật, rau xanh, vỏ hoa quả, các loại tre gỗ, lông gà, lông vịt, vải sợi,giấy, xác động - thực vật, cao su, nhựa

- Những loại khác: các hợp chất dễ bay hơi, trong đó có những chấtmang mùi nặng

Đó là các loại thức ăn d thừa, hoa quả, rau xanh

Chất thải thực phẩm là những hợp chất hữu cơ, mang bản chất sinh học Vìvậy, chúng rất dễ bị phân huỷ bằng con đờng sinh học Quá trình phân huỷ củachúng tạo nên các mùi khó chịu của CO2, NH3, H2S đặc biệt trong thời tiết ẩm



Nhóm 2 : Chất thải từ hoạt động công nghiệp, xây dựng

Gồm các loại phế thải: đất đá, gạch ngói, bê tông, các vật liệu bằng kim loại,thuỷ tinh, chất dẻo Đây là nhóm chất thải khó phân huỷ, bền vững theo thời gian

Trong đó, vật liệu bằng kim loại, thủy tinh, các loại chất dẻo có thể tái sử

dụng thành vật liệu composit và một số dạng đặc biệt khác Nhóm 3: Chất thải từ

nông nghiệp

Là những chất thải và mẩu thừa từ các hoạt động sản xuất nông nghiệp (trồngtrọt, thu hoạch) các loại cây trồng, các phế thải từ quá trình chế biến sữa, của lò giếtmổ

Nhóm này đợc tập kết cùng với nhóm 1 để xử lý bằng phơng pháp phân huỷsinh học

1.2 Vi sinh vật và vai trò của vi sinh vật trong các chu trình biến đổi chất

1.2.2 Vai trò của vi sinh vật trong vòng tuần hoàn chuyển hoá nguyên tố cacbon

Cacbon là nguyên tố rất phổ biến trong tự nhiên Nó tham gia vào việc cấuthành những hợp chất có vai trò quan trọng đặc trng cho sự sống của con ngời và

động vật Các hợp chất của cacbon quan trọng tới mức ngời ta gọi hệ thống sống là

và động vật để tổng hợp nên những hợp chất cacbon hữu cơ đặc trng cho mình thôngqua con đờng đồng hoá và dị hoá Quá trình hô hấp của con ngời, động vật thải ra

CO2 Sau khi chết xác động vật và ngời bị phân huỷ dới tác dụng của vi sinh vật

Cacbon thực vật Cacbon động vật

Chất hữu cơ trong

đất

Hình 1: Vi sinh vật trong chu trình chuyển hoá cacbon

1.2.2.1 Sự phân giải các hợp chất Gluxit

Các hợp chất Gluxit là thành phần chủ yếu của các chất khô trong thực vật(rau quả, cây cối ) Đồng thời, nó còn là nguồn năng lợng cho các quá trình sốngcủa thực vật Khi thực vật (cây cối, rau quả ) chết đi để lại một l ợng lớn các hợpchất Gluxit Quá trình chuyển hoá các hợp chất Gluxit nh sau:

I.2.2.1.1 Sự phân giải các hợp chất đờng

Xenlulo và tinh bột bị phân giải tạo thành đờng đơn Đờng đơn tiếp tục bịphân giải dới tác dụng của vi sinh vật theo con đờng lên men (etylic, lactic, butyric,focmic)

Nhiều loài vi khuẩn kị khí và hiếu khí tuỳ tiện tham gia vào quá trình lên

men Saccharomyces cerevisae - một loại nấm men-là tác nhân lên men mạnh nhất,

đợc sử dụng trong quá trình lên men rợu, bia

Quá trình lên men Butyric thực hiện bởi chi vi khuẩn Clostridium

Ngoài ra, trong quá trình trao đổi chất nhóm vi sinh vật dị dỡng hiếu khí thamgia vào quá trình phân giải đờng Glucoza thành CO2, H2O

B.coagulans Clotridium amyloliticum

1.2.2.1.3 Sự phân giải Xenlulo

Xenlulo là thành phần của màng tế bào thực vật Xenlulo có trong rau quả (vỏhạt, vỏ tế bào, vỏ quả ) Thực vật khi chết để lại một lợng lớn xenlulo ở trong thâncây, cành lá rụng xuống Hàm lợng xenlulo trong xác thực vật thờng thay đổi trongkhoảng 50-80% Một phần khác do con ngời tạo ra ở dạng chất thải: rác, rơm rạ,giấy vụn, mùn ca, vỏ bào,

Có thể tính toán rằng tổng lợng xenlulo trên trái đất vào khoảng 3500 tỉ tấn.Nếu nh không có quá trình phân giải xenlulo thì lợng chất này sẽ ngập tràn trên trái

đất

Trong tự nhiên có nhiều loài vi sinh vật - mang hệ enzym xenluloza ngoại bào

- có khả năng phân hủy xenlulo.Việc vi sinh vật phân huỷ xenlulo có ý nghĩa rất lớntrong vòng tuần hoàn địa hoá, góp phần nâng cao độ phì nhiêu cho đất cũng nh vàoviệc tiêu hoá thức ăn ở các loài động vật nhai lại

Hệ vi sinh vật phân giải xenlulo khá phong phú bao gồm : nấm, xạ khuẩn, vikhuẩn Chúng bao gồm cả những hệ vi sinh hiếu khí và yếm khí Do đó, quá trìnhphân huỷ xenlulo diễn ra theo hai con đờng hiếu khí và yếm khí

 Phân giải xenlulo trong điều kiện hiếu khí

Một số vi sinh vật tham gia phân huỷ Xenlulo trong điều kiện hiếu khí:

Acetobacter xylinum Achromobacter Pseudomonasflourescens

Trong điều kiện hiếu khí các vi sinh vật này thực hiện phân huỷ xenlulo rất

mạnh Đặc biệt xạ khuẩn thuộc chi Streptomyces có khả năng phân giải xenlulo đợc

ứng dụng trong quá trình phân huỷ rác thải sinh hoạt Những xạ khuẩn này thuộc

nhóm a nóng, sinh trởng, phát triển tốt nhất ở nhiệt độ 45- 50 C, rất thích hợp vớiquá trình ủ rác

Hai enzym chính tham gia phân huỷ xenlulo là xenlulaza C1 và xenlulaza Cx.enym xenlulaza C1 tác động sơ bộ vào các phân tử xenlulo thiên nhiên và biến chúngthành những chuỗi xenlulo mạch thẳng Sau đó, dới tác dụng của enzym xenlulaza

Cx , xenlulo bị phân huỷ thành xenlobiose (gồm 2 phân tử gluco) Loại đờng này cóthể tan trong nớc, dới tác dụng của - glucosidase biến thành gluco

 Phân giải xenlulo trong điều kiện yếm khí

Ngoài các vi sinh vật hiếu khí còn một số vi sinh vật yếm khí cũng tham gia

tích cực vào quá trình phân huỷ xenlulo Clotridium thermocellum, Clotridium

omelianskii tham gia phân huỷ xenlulo bằng con đờng “ lên men xenlulo”.

C.thermocellum là loài vi khuẩn có hoạt tính phân giải xenlulo đầu tiên đợc

nghiên cứu và đợc phân lập từ phân ngựa Đặc điểm của C.thermocellum : lúc còn

non có hình que ngắn, khi trởng thành có hình uốn cong, kích thớc dài, bào tử sinh

ra ở một đầu Chúng phát triển tốt trong môi trờng có nguồn xenlulo hoặcxenlubiose, nguồn NH4 , nhiệt độ thích hợp 60-65C Sản phẩm của quá trình lênmen là : etanol, axit axetic, axit focmic, H2, CO2

Đặc biệt, còn một nhóm vi sinh vật có khả năng phân giải xenlulo rất mạnhtrong điều kiện yếm khí là nhóm các vi sinh vật sống trong dạ cỏ của trâu, bò và các

động vật nhai lại Trong những nghiên cứu cho thấy: trong 1ml các chất lấy từ dạ cỏcủa bò có khoảng 109-1010 tế bào vi khuẩn Hệ vi khuẩn và động vật nguyên sinh ởdạ cỏ động vật nhai lại gồm rất nhiều loài có khả năng phân giải xenlulo :

Bảng 3: Hệ vi khuẩn và động vật nguyên sinh trong dạ cỏ của động vật nhailại

Ruminococcus flaveciens Bacteroid succinogenes Clotridium cellobioparum

Ophryoscolex Isotrich

Nhờ có hệ vi sinh vật phong phú, số lợng lớn nh vậy nên giúp cho trâu bò vàcác động vật nhai lại có thể tiêu hoá đợc cỏ, rơm rạ, và các hợp chất xenlulo khác

Chính vì những điểm đặc biệt nh vậy Trong nghiên cứu này, chúng tôi đặcbiệt chú ý đến hệ vi sinh vật sống trong dạ cỏ của những loài động vật nhai lại nh :trâu, bò, ngựa

1.2.2.1.4 Sự phân giải Xilan

Xilan (Hemixenlulo) có nhiều trong xác thực vật Hemixenlulo cấu tạo bởicác đơn vị nhỏ là các gốc - Xylose Trong rơm rạ và các cây khô Xilan chiếm 15-20%, trong bã mía 30%, trong gỗ thông 7-12%

Nhiều vi sinh vật nh nấm mốc, nấm men, vi khuẩn tiết ra enzym Xilanaza cókhả năng phân giải Xilan

1.2.2.1.5 Sự phân giải Lignin

Các hợp chất Lignin có trong gỗ chiếm 20-30% Đơn vị cấu trúc của Lignin

là các dẫn xuất phenylpropan Trong đó có 69%C, 7%H, 24%O Lignin có cấu tạovô định hình không tan trong nớc và axit vô cơ Chỉ với kiềm, bisunfit natri, H2SO4thì Lignin mới bị phân huỷ một phần và chuyển sang dạng hoà tan

Sự phân giải Lignin nhanh nhất và phổ biến nhất trong tự nhiên là các loạinấm Các loại nấm này tiết ra enzym Phanerochaeto Chrysosporium phân huỷ hầuhết các thành phần của gỗ kể cả Lignin gồm 3 nhóm:

- Nấm mục trắng: chủ yếu là Basidomyces và một số ascomycetes là nhóm

phân huỷ Lignin hữu hiệu nhất

- Nấm mục nâu: gồm một số Basidomycetes tác dụng và tấn công vào

polysacarit trong gỗ, Lignin không bị phân huỷ nhng bị biến tính

- Nấm mục mềm: gồm một số actinomyces xâm nhập vào thành thứ cấp của

các tế bào gỗ trong điều kiện ẩm cao, các vi sinh vật làm mềm các tế bào gỗ, làmgiảm đáng kể trọng lợng

Khả năng phân huỷ Lignin ở vi khuẩn thấp

Lignin bền vững ở điều kiện yếm khí, chúng chỉ bị phân huỷ ở điều kiện hiếukhí mạnh mẽ Thông thờng, sự phân giải Lignin xảy ra khi đồng thời sử dụng cácnguồn cacbon khác: glucose, xenlulo Riêng một mình Lignin thì vi sinh vật khôngthể sử dụng làm nguồn dinh dỡng đợc

Nói chung sự phân huỷ Lignin rất khó khăn Điều này ảnh hởng rất lớn đếnhiệu quả của quá trình xử lý ủ rác

1.2.2.2 Sự phân giải các hợp chất Lipit

Trong rác thải sinh hoạt ngoài những hợp chất Protein, Gluxit còn một phầnkhác là các hợp chất Lipit (este của Glixerin và các axit béo), các chất Sáp (este phứctạp của axit béo và rợu cao phân tử đơn chức) Sáp là lớp bao phủ bên ngoài của lácây, vỏ quả, thân cây Lipit, Sáp và các axit béo trong xác động- thực vật là nguồnthức ăn cacbon và là nguồn năng lợng cung cấp cho quá trình sống của vi sinh vật

Vi sinh vật (vi khuẩn, xạ khuẩn, nấm mốc) có khả năng phân giải các hợpchất này nhờ xúc tác enzym nội bào Lipaza Lipaza của vi sinh vật có phổ tác dụngkhá rộng

Một số vi sinh vật sinh ra enzym Phospholipase xúc tác cho việc phân giảiPhospholipit

Tuy nhiên, nhìn chung quá trình phân giải Lipit, Sáp thực vật, các axit béodiễn ra chậm Sản phẩm của phản ứng phosphoril hoá là Glixerin.3H2O

Lipaza

Glyxerin sẽ tiếp tục chuyển hoá theo con đờng embden –Meyerhof- Parnas.Các axit béo đợc đồng hoá nhờ quá trình - oxy hoá Nhờ nhóm vi khuẩn kịkhí, các axit hữu cơ đợc lên men thành CH4

Nhiều loại nấm mốc thuộc chi Penicillum và aspergillus có thể oxy hoá các

axit béo hữu cơ không hoàn toàn tạo những hợp chất Metylketon

Do đó, trong quá trình ủ rác thờng xuất hiện những mùi khó chịu của Metan

và Metylketon

1.2.2.3 Sự phân giải Protein.

Trong rác thải, Protein chiếm một lợng lớn Protein là một trong những thànhphần quan trọng của xác động - thực vật Trong các loại thực phẩm thải bỏ, Proteinthờng chứa 15- 17,5 % Nitơ Sự phân giải Protein có ý nghĩa rất lớn đối với vòngtuần hoàn vật chất trong tự nhiên

Quá trình phân huỷ Protein dới tác dụng của vi sinh vật có ý nghĩa quantrọng trong quá trình phân huỷ rác, ứng dụng vào việc sản xuất phân bón hữu cơ

Vi sinh vật phân huỷ Protein có khả năng tiết ra enzym Proteaza bao gồm:Proteinaza và Peptidaza Enzym Proteinaza chuyển hoá Protein thành các hợp chấtphân tử nhỏ polipeptit và oligopeptit Sau đó, dới tác dụng của enzym Peptidaza cácpolipeptit và oligopeptit sẽ bị phân giải thành các axit amin Các axit amin này mộtphần sẽ đợc vi sinh vật hấp thu và chuyển hoá thành axit amin của tế bào vi sinh vật.Một phần khác sẽ tiếp tục bị phân giải thành các sản phẩm : CO2 , NH3 , H2S , CH4

Chính vì vậy, trong quá trình ủ rác thờng xuất hiện những mùi hôi thối khóchịu

Bảng 4: Một số vi khuẩn có khả năng phân huỷ Protein

Aspergillus flavus a.niger

Hình 2: Quá trình phân huỷ protein

Glyxerin + các axit béo Lipit

1.2.3 Vai trò vi sinh vật trong vòng tuần hoàn chuyển hóa Nitơ.

Trong tự nhiên, Nitơ tồn tại ở các dạng khác nhau từ Nitơ ở dạng phân tử khí

N2, ở trong các hợp chất hữu cơ phức tạp trong cơ thể động - thực vật và con ng ờinh: Protein, axit amin, axit nucleic, urê

Các hợp chất này đi vào môi trờng tự nhiên từ những nguồn khác nhau nh: từxác động- thực vật, các loại phân chuồng, phân xanh, rác sinh hoạt Đây là nhữngchất hữu cơ cần thiết cho thực vật, nhng thực vật không thể đồng hoá đợc dạng Nitơphức tạp này mà chỉ sử dụng nó ở dạng amon NH4 (NH3) sau quá trình amôn hoá

Quá trình phân huỷ Protein sinh amôn Trong điều kiện hiếu khí, các vi khuẩn

tự dỡng oxy hoá amôn thành nitrat (NO3-)

Dới tác dụng của nhóm vi khuẩn phân huỷ và thuỷ phân, hợp chất chứa Nitơ(Protein, urê ) bị phân huỷ tạo NH3 (NH+ ) Một phần NH3 đợc thực vật và một số visinh hấp thụ qua con đờng đồng hoá Phần còn lại đợc oxy hoá về dạng nitrát gọi làquá trình nitrát hoá Nhóm vi khuẩn tiến hành quá trình này gọi là vi khuẩn nitráthoá

Quá trình nitrát hoá gồm 2 giai đoạn:

- Giai đoạn I: Quá trình nitrít hoá

Quá trình oxy hoá NH4 tạo thành NO2- đợc tiến hành bởi nhóm vi khuẩnnitrít hoá Chúng là những vi khuẩn tự dỡng hoá năng vô cơ bắt buộc sử dụng oxykhông khí để chuyển NH4 thành NO2- và giải phóng năng lợng

phân giải cacbon

Sử dụng

để sinh tổng hợp protein Polipeptit

oligopeptit

Quá trình NO2 thành NO3 đợc thực hiện nhờ nhóm vi khuẩn nitrát hoá.Chúng là những vi khuẩn vi sinh vật tự dỡng hoá năng vô cơ bắt buộc có khả năngoxy hoá NO2- bằng O2 không khí và tạo thành NO3-, đồng thời giải phóng năng lợng.

1.2.4 Vi sinh vật trong vòng tuần hoàn chuyển hoá phospho.

Phospho là nguồn dinh dỡng quan trọng nhất đối với mỗi vi sinh vật, là thànhphần của cơ thể sống Trong cơ thể động vật, vi sinh vật, phospho tồn tại dạng H3PO4

có tác dụng nh một hệ đệm

Phospho là thành phần cơ bản cấu tạo nên các phân tử sinh học trong cơ thể

động vật, sinh vật: axit nucleic, photphoprotein, photpholipit, ATP(adenozintriphosphat), UTP (uridintriphosphat) Khi động vật, các sinh vật này chết

đi để lại một lợng lớn phospho dới dạng phosphat hữu cơ khó tan và phosphat vô cơtan

Chu trình tuần hoàn của phospho trong tự nhiên gồm hai quá trình :

- Trao đổi phospho giữa các phosphat vô cơ

- Trao đổi phospho hữu cơ trong quá trình sống của sinh vật Photpho

ở dạng photphat tham gia vào việc cấu trúc các phân tử sinh học của cơ thể sống

1.2.5 Vi sinh vật trong vòng tuần hoàn chuyển hoá sunphua (lu huỳnh).

Trong cơ thể động - thực vật, vi sinh vật, Protein, các axit amin là thành phầnquan trọng đóng vai trò cấu trúc tế bào sống

Khi động- thực vật, sinh vật chết đi Trong điều kiện yếm khí, một số vi sinhvật có khả năng phân huỷ protein và các axit amin thành NH3 và giải phóng khí H2S

từ các axit amin chứa sulfur

( Metionin, Cystein, Cystin)

Quá trình chuyển hoá sulfur rất phức tạp gồm cả 2 quá trình oxy hoá hoá học

và oxy hoá sinh học

Có hai nhóm vi khuẩn tham gia vào quá trình chuyển hóa lu huỳnh.

+Vi khuẩn lu huỳnh: Beggiatoa, Thiothrix, Thiobacilus.

+ Vi khuẩn sulfat : Nhóm vi khuẩn này có khả năng oxy hoá H2S, S và cáchợp chất khác chứa lu huỳnh

H2S + O2 S2 + H2O + năng lợng

S2 + 3O2 + 2H2O 2H2SO4 + năng lợng

Năng lợng sinh ra đợc vi khuẩn dùng để đồng hoá CO2

H2S đợc tạo ra:

+ Do quá trình thối rữa protein hiếm khí

+Trong trờng hợp kị khí, H2S tạo nên do quá trình khử sunphat nhờ vi khuẩn

(phản sunfat hoá): Desulfovibrio desulforicans.

1.3 Phơng pháp xử lý rác thải sinh hoạt

Rác sinh hoạt là hỗn hợp rơm rạ, phần bỏ đi của rau cỏ chúng là những hợpchất hữu cơ Ngoài ra, các chất vô cơ cũng chiếm một hàm lợng lớn Các vi sinh vậtdùng trong xử lý rác: vi khuẩn, nấm, tảo, nguyên sinh động vật và động - thực vật

Tuỳ theo công nghệ xử lý mà ngời ta sử dụng những nhóm vi sinh vật khácnhau

Có nhiều giai đoạn trong quá trình xử lý ủ rác thải sinh hoạt: phơng pháp cơhọc, hoá học, hoá lý học, sinh học

Trong đó giai đoạn xử lý bằng phơng pháp sinh học đợc quan tâm hơn cả

Nguyên tắc của phơng pháp :

Dựa vào hoạt động sống của vi sinh vật có khả năng phân giải các hợp chấthữu cơ, hoặc vô cơ làm nguồn năng lợng và nguồn cácbon để thực hiện quá trìnhsinh tổng hợp, phát triển sinh khối

Cả 2 nhóm vi sinh vật dị dỡng và vi sinh vật tự dỡng tham gia vào quá trìnhphân huỷ rác

Trong đó vi sinh vật dị dỡng chia làm 3 nhóm:

+Vi sinh sật hiếu khí

+Vi sinh vật kị khí

+Vi sinh vật tuỳ tiện

1.3.1 Xử lý chất thải hữu cơ trong điều kiện hiếu khí

Các vi sinh vật hiếu khí cần oxy hoà tan để oxy hoá, phân huỷ các hợp chấthữu cơ thành các sản phẩm đơn giản

Phơng trình tổng quát của quá trình oxy hoá các hợp chất hữu trong điều kiệnhiếu khí:

CHO)nNS + O2 CO2 + H2O + Tế bào vi sinh+ Các sản phẩm dựtrữ + NH4 + H2S + năng lợng (60% ) 40%

NO3 SO4Quá trình oxi hoá tạo nguồn năng lợng giúp vi sinh vật phát triển sinh khối.

Đồng thời sự có mặt và hoạt động của các nhóm vi khuẩn khác nhau thực hiện phảnứng oxi hoá khử để chuyển các hợp chất trung gian về dạng bền vững: NH4+ về dạng

NO3- nhờ nhóm vi khuẩn nitrát hoá, H2S về dạng SO42- nhờ nhóm vi khuẩn sulfathoá

1.3.2 Xử lý chất thải hữu cơ trong điều kiện kỵ khí.

Trong điều kiện kị khí, nhóm vi sinh vật kị khí có khả năng oxy hoá các hợpchất hữu cơ bằng cách sử dụng O2 trong các hợp chất nh NO3- ,SO42-

Quá trình phân huỷ kị khí tạo nên các sản phẩm trung gian với hàm lợng lớn.Quá trình phân huỷ kị khí tốn nhiều cơ chất hơn so với quá trình phân huỷ hiếu khí

Tuy nhiên, do quá trình phân huỷ kị khí thờng có tạo nên nhiều hợp chất cómùi gây hôi, thối độc hại của (NH3, H2S, CH4 )

(CHO)n NS + O2 CO2+H2O+Tế bào vi sinh + Các sản

phẩm dự trữ+ Các sản phẩm trung gian+ CH4+H2+ NH4+H2S + Năng lợng

(NO3-, SO42-)

Vì vậy, trong thực tế để đảm bảo cho quá trình phân huỷ hợp chất hữu cơ diễn

ra tốt nhất, ngời ta kết hợp sử dụng cả phơng pháp phân huỷ kị khí và phơng phápphân huỷ hiếu khí để quá trình phân huỷ nhanh, đồng thời không tạo mùi gây nguyhại cho con ngời

Metan (CH4) là sản phẩm của quá trình phân huỷ hữu cơ trong điều kiện kỵkhí, dới tác dụng của hàng trăm chủng loại vi khuẩn kỵ khí bắt buộc và kỵ khíkhông bắt buộc

Quá trình lên men sinh khí Metan gồm 3 giai đoạn :

 Giai đoạn 1: Dới tác dụng của các men hydrolaza do vi sinh vật tiết ra, cácchất hữu cơ phức tạp nh chất béo, hydratcacbon (xenlulo, tinh bột), protein bị phânhuỷ thành các hợp chất hữu cơ đơn giản, dễ tan trong nớc: đờng đơn, peptit, glyxerin, axit amin

Giai đoạn hai: Dới tác dụng của nhóm vi sinh vật sinh axit, các chất tan nóitrên sẽ biến thành các axit hữu cơ có phân tử lợng nhỏ ( axit axetic, axit propionic ),các aldehytancol và khí CO2, H2, NH3, N2

Do các phản ứng thuỷ phân và các phản ứng oxy hoá khử xảy ra nhanh chóng

và đồng bộ trong cùng một pha nên nhu cầu oxy sinh học gần nh bằng không

Do sinh nhiều axit nên độ pH của môi trờng có thể giảm mạnh

Giai đoạn ba: Giai đoạn sinh Metan

Dới tác dụng của các vi khuẩn sinh Metan, các axit hữu cơ và các hợp chất

đơn giản khác biến thành CH4, CO2, O2

Có hai cách sinh Metan:

- Dới tác dụng của vi khuẩn, CO2 bị khử thành CH4, trong đó chất cấp

điện tử là H2 và rợu

Vi khuẩn2CH3CH2OH + 2 H2O 2CH3COOH + 8H

1.3.3 Nhu cầu các chất dinh dỡng của vi sinh vật.

Để tồn tại và phát triển, vi sinh vật cần đến các chất dinh dỡng

Chất dinh dỡng dùng với hai mục đích:

- Trong quá trình sinh tổng hợp những thành phần cuả tế bào

- Tạo ra năng lợng để tế bào hoạt động

Tuỳ theo đặc điểm của từng loài vi sinh vật mà nhu cầu dinh dỡng có sự khácnhau

Các chất dinh dỡng cần thiết và bắt buộc với vi sinh vật:

1: Nớc

2: Nguồn dinh dỡng cacbon

3: Nguồn dinh dỡng Nitơ

4: Nguồn dinh dỡng khoáng

5: Các chất sinh trởng

Các nguyên tố đa lợng, vi lợng đóng vai trò quan trọng trong quá trình sinh ởng và phát triển của vi sinh vật

tr-Trong môi trờng tự nhiên (môi trờng khoai tây, nớc thịt, sữa, huyết thanh, giá

đậu, pepton ) khi nuôi cấy vi sinh vật không cần bổ xung các nguyên tố khoáng Vớimôi trờng tổng hợp (nguyên liệu là hoá chất) cần phải bổ xung thêm nguyên tốkhoáng

Những nguyên tố khoáng mà vi sinh vật đòi hỏi với một liều lợng lớn gọi làcác nguyên tố đa lợng Những nguyên tố mà vi sinh vật đòi hỏi với liều lợng nhỏ gọi

là nguyên tố vi lợng Nồng độ cần thiết của từng nguyên tố vi lợng trong môi trờngchỉ khoảng 10-6 đến 10-8 M

Hàm lợng các nguyên tố khoáng ở nguyên sinh chất của vi sinh vật khác nhau

là khác nhau, tuỳ loài, tuỳ giai đoạn, tuỳ điều kiện nuôi cấy

Bảng 5: Nồng độ cần thiết về muối khoáng với vi khuẩn, nấm, xạ khuẩn nhsau:

Muối khoáng Nồng độ cần thiết

Vi khuẩn Nấm và xạ khuẩn

Để bảo đảm nguồn dinh dỡng P ngời ta bổ xung hỗn hợp muối KH2PO4 và

K2HPO4 với tỷ lệ thích hợp

* Lu huỳnh (S).

Lu huỳnh là nguyên tố khoáng quan trọng trong tế bào vi sinh vật S có mặttrong một số axit amin (Xistin, Xystein, Metionin ), một số vitamin (Biotin,Tiamin ) Những hợp chất này vừa tham gia cấu trúc vừa tham gia vào quá trình sinhhoá tế bào

Nguồn dinh dỡng S đợc bổ xung từ nguồn S vô cơ, trong muối S2O32- H2S

Mg2+ có thể hoạt hoá các hexokinaza, ATP-aza, pirophotphataza,photphopheraza, các enzym trao đổi protein, các enzym oxy hoá khử của chu trìnhKreps

Mg2+ còn có vai trò trong việc liên kết các tiểu phân Ribôxôm

* Canxi (Ca)

Là nguyên tố có vai trò quan trọng trong việc xây dựng cấu trúc tinh vi của tếbào Ca là cầu nối trung gian giữa nhiều thành phần của tế bào sống (giữa ADN vàProtein trong nhân, giữa các nucleotit với nhau, giữa ARN và protein trongriboxom) Ca tham gia hình thành cấu trúc không gian ổn định của nhiều bào quannh: riboxom, ti thể, nhân

K có tác dụng ảnh hởng đến tính chất hoá keo và hoạt động xúc tác của cácenzym K tham gia vào việc hoạt hoá một số enzym : amylaza, invectaza, ATP-aza K có ảnh hởng đến quá trình trao đổi chất, quá trình tổng hợp, quá trình hô hấpcủa vi sinh vật

* Na và Cl.

Vi sinh vật đòi hỏi lợng Na và Cl không nhỏ, nhng ngời ta biết rất ít về vai tròsinh lý của chúng.Với các vi sinh vật khác nhau đòi hỏi hàm lợng Na và Cl khácnhau

Nhóm a mặn ít cần : 2-5 % khối lợng muối NaCl

Nhóm a mặn vừa : 5-20 % khối lợng muối NaCl

Nhóm a mặn cao : 20-30 % khối lợng muối NaCl

1.4 Các yếu tố ảnh hởng đến quá trình xử rác thải.

1.4.1 Các yếu tố ảnh hởng đến quá trình ủ rác.

Quá trình ủ rác sinh hoạt dới tác dụng của vi sinh vật Do đó, các yếu tố ảnhhởng đến quá trình chính là các yếu tố ảnh hởng đến quá trình sinh trởng và pháttriển của vi sinh vật

a Nguyên liệu

Nguyên liệu dùng ủ rác tối thiểu phải đảm bảo đủ hai nguyên tố C, N, ngoài

ra P cũng là nguyên tố không thể thiếu C vừa là nguồn năng lợng vừa là nền tảng cơbản tạo nên hơn 50% khối lợng tế bào vi sinh vật N là nguyên tố tạo nên cácprotein, axit nucleic, amino axit, enzym và các coenzym cần thiết cho sự sinh trởng

và chức năng của tế bào, sinh khối có trên 50% protein cần lợng N dồi dào để pháttriển nhanh Nếu nguyên liệu quá ít N hệ nguyên liệu sẽ không sinh nhiệt, dẫn đếnquá trình tự phân huỷ chậm Ngợc lại, nếu N quá nhiều, nhiệt độ tăng quá cao có thểgây chết vi sinh vật, dễ chuyển sang dạng phân huỷ kị khí và gây mùi.

N d thừa sẽ đợc giải phóng dới dạng ammoniac, tạo ra mùi và làm mất đinguồn N có giá trị

Vì vậy, khi sử dụng nguyên liệu có hàm lợng N cao (nh rau, cỏ tơi) cần phải

đảm bảo lợng oxi trao đổi

Hầu hết các nguyên liệu ủ rác với mục đích lấy sản phẩm làm nguồn phânbón có tỉ lệ C/N tối u là 30/1 (khối lợng) Bởi vì vi sinh vật cần tỷ lệ này cho quátrình trao đổi chất Để tối u tỉ lệ này có thể thêm vào lợng chất thải giấy (C/N =300),chất thải nhà bếp (C/N =25), bùn cống (C/N = 15), rơm (C/N =128), mùn ca (C/N =500)

Trong quá trình phân huỷ, C chuyển thành CO2 còn N mất ít hơn do đó tỉ lệC/N giảm dần Sau khi hoàn thành quá trình phân huỷ tỉ lệ C/N = 15 - 20 để phù hợplàm phân bón cho cây trồng Đây là tỷ lệ dinh dỡng của đất canh tác Nếu tỷ lệ C/Ncủa phân hữu cơ < 20 thì Nitơ bị loại khỏi đất và nếu tỷ lệ này < 15 thì Nitơ bị giảiphóng gây ảnh hởng độc hại cho cây trồng

Vật liệu dùng trong quá trình ủ rác đòi hỏi phải là những hợp chất hữu cơ cóthể phân huỷ sinh học Tổng các chất hữu cơ (TOS) bao gồm các hợp chất hữu cơhoạt động có khả năng phân huỷ (DOS), các chất không bị phân huỷ (NOS) Tuỳtheo tỷ lệ của TOS và DOS mà có thể đạt đợc sự giảm thể tích bằng quá trình phânhuỷ sinh học

Bảng 6 : Độ phân huỷ sinh học và phần trăm của thành phần hữu cơ trongchất thải sinh học.

Thành phần chất thải

sinh hoạt

Độ phân huỷsinh học

Chất thải sinhhoạt

Độ ẩm phù hợp của nguyên liệu (hàm lợng nớc) cũng là yếu tố cần thiết cho

sự phân huỷ rác vì quá trình này dựa vào hoạt động của vi sinh vật Hàm lợng nớc30-40% sẽ tốc độ phân huỷ giảm mạnh, dới 30% quá trình dừng hẳn Tuy nhiên, quánhiều nớc là điều kiện thích hợp cho quá trình phân huỷ yếm khí và gây ra mùi Hàmlợng nớc khác nhau đối với từng loại nguyên liệu do mỗi nguyên liệu có kích thớc,

đặc tính cấu trúc, độ rỗng riêng Đối với hầu hết nguyên liệu ủ rác hàm lợng nớc tốtnhất giới hạn 55-60%

Quá trình ủ rác đồng thời là quá trình làm khô nguyên liệu do hoạt động của

vi sinh vật sinh ra nhiệt làm bay hơi nớc Vì vậy, quá trình ủ rác chúng ta phải bổxung lợng nớc thích hợp

c PH

Giá trị pH phải nằm giữa 7 và 9 Trong giai đoạn đầu của quá trình phânhuỷpH giảm do hình thành các axit béo, CO2 và sự nitrat hoá nhng giá trị này tăngtrở lại sau khi có sự biến đổi về số lợng vi khuẩn

d Nhu cầu oxi

Oxi cho quá trình phân huỷ hiếu khí là 1g O2/g DOS Trong quá trình ủ rác,

sự phân huỷ chất hữu cơ giảm dần theo thời gian Oxi tiêu thụ nhiều nhất khi nhiệt

đô khoảg 60oC

e Sự sục khí

Trong các thùng phân hủy rác cần thiết thực hiện quá trình sục khí Oxi đợccung cấp trong quá trình sục khí là nhiều hơn lợng cần thiết về mặt lý thuyết để quá

trình phân huỷ hiếu khí đợc đảm bảo lien tục Sự cung cấp không khí đủ có thể dẫn

đến chấm dứt quá trình lên men cũng nh làm tăng các chất độc hại

f Bề mặt hoạt động

Sự phân hủy thành công đòi hỏi vùng bề mặt hoạt động phải đủ sao cho độhoạt động của vi sinh vật là lớn nhất tính theo vật liệu thô Đây là lý do chủ yếu giảithích tại sao vật liệu phải đợc làm giảm kích thớc trớc khi thực hiện quá trình phânhuỷ sinh học

1.4.2 Các yếu tố ảnh hởng đến quá trình xử lý nớc rác.

Nớc rác rò rỉ sau quá trình phân huỷ tiếp tục đợc xử lý bằng phơng pháp hoáhọc và phơng pháp sinh học Quá trình xử lý nớc rác bằng phơng pháp bùn hoạt tính.Các yếu tố ảnh hởng đến quá trình sinh trởng và phát triển của vi sinh vật

a Nhiệt độ.

Trong thực tế xử lý, nhiệt độ nớc rác duy trì ở 20-25 oC Khi nhiệt độ tăng lênquá ngỡng vi khuẩn sẽ ngừng hoạt động, còn nhiệt độ quá thấp thì tốc độ làm sạchgiảm, các quá trình nitrát hoá, hoạt hoá keo tụ và lắng của bùn cũng bị giảm Tuy nhiên,nhiệt độ tăng độ hoà tan oxy vào nớc rác giảm

b PH

PH ảnh hởng đến quá trình xử lý nớc rác vì pH ảnh hởng đến hoạt tính củaenzym, do đó nó ảnh hởng tới quá trình trao đổi của vi sinh vật Các vi khuẩn trongsinh khối thờng sinh trởng và phát triển trong khoảng pH từ 6- 8,5 Khi pH nằmngoài khoảng trên sẽ làm giảm hiệu quả xử lý

c.Oxi hoà tan và sự khuấy trộn.

Oxi hoà tan cần thiết cho sự phát triển của vi khuẩn Khi nồng độ oxy hoàtan < 0,5 mg/l thì quá trình xử lý nớc rác bằng vi khuẩn ngừng trệ Lợng oxy hoà tantốt nhất là 1,5-4 mg/l

Sự khuấy trộn làm bùn hoạt tính tiếp xúc với chất thải trong nớc rác Quátrình xử lý hơn

d Thành phần và chất lợng của nớc rác.

Nớc rác rò rỉ chứa hầu hết các hợp chất hữu cơ giàu dinh dỡng Vi khuẩn cóthể sử dụng nguồn dinh dỡng này trong quá trình đồng hoá để sinh trởng và pháttriển Tuỳ nồng độ hợp chất hữu cơ có trong nớc rác mà mỗi loại vi sinh vật có sựsinh trởng và phát triển khác nhau Vì sự sinh trởng và phát triển của vi sinh vật phụthuộc vào giải nồng độ thức ăn

Chúng sẽ tiến hành đồng hoá những loại thức ăn dễ tiêu hoá trớc, thức ăn khótiêu hoá sau