BÀI 11: CÔNG NGHỆ ỨNG DỤNG VI SINH VẬT TRONG XỬ LÝ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG
I. XỬ LÍ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG ĐẤT
- Tác nhân gây ô nhiễm đất chủ yếu:
Các kim loại nặng, hợp chất hữu cơ khó phân hủy (benzene, xylene, thuốc bảo vệ
thực vật, nhựa, chất độc hóa học) và sự cố tràn dầu.
- Công nghệ xử lý bằng vi sinh vật
(Bioremediation): Sử dụng các loài vi khuẩn, nấm hoặc
Archaea để phân hủy các chất độc hại hoặc biến đổi chúng thành các hợp chất
không độc.
+ Cơ chế phân hủy: Vi
sinh vật sử dụng các hợp chất hữu cơ độc hại (như hydrocarbon thơm đa vòng -
PAH) làm nguồn cung cấp carbon và năng lượng để sinh trưởng.
+ Sự phối hợp sinh học:
Vi sinh vật kết hợp chặt chẽ với thực vật để tạo thành tổ hợp xử lý ô nhiễm đạt
hiệu quả cao hơn.
- Biện pháp thực hiện:
+ Xử lý tại chỗ (in
situ): Áp dụng trực tiếp tại khu vực bị ô nhiễm, phù hợp cho
vùng ô nhiễm diện rộng.
+ Xử lý nơi khác (ex
situ): Đào xúc đất bị ô nhiễm mang đến nơi khác để xử lý.
+ Biện pháp hỗ trợ: Bổ
sung các chất dinh dưỡng thiết yếu chứa Nitrogen (N), Phosphorus (P) và cung cấp
thêm Oxygen (O₂) để kích thích hệ vi sinh vật bản địa phát triển; hoặc bổ sung
trực tiếp các chủng vi sinh vật chuyên biệt đã qua tuyển chọn phù hợp.
II. XỬ LÍ NƯỚC THẢI VÀ LÀM SẠCH NƯỚC
- Nguyên nhân gây ô nhiễm nước:
Nước thải sinh hoạt, y tế, công nghiệp chưa qua xử lý được xả trực tiếp ra
sông, hồ, biển làm tích tụ chất hữu cơ và kim loại nặng độc hại.
- Ứng dụng vi sinh vật xử lý chất hữu cơ
trong nước thải:
+ Sử dụng các hệ vi sinh vật
hiếu khí và kị khí hoạt động nối tiếp nhau.
+ Vi sinh vật thực hiện quá
trình khoáng hóa: oxy hóa các thành phần hữu cơ trong nước thải thành CO₂, H₂O
hoặc chuyển hóa thành các chất khí sinh học (CH₄, CO₂).
+ Áp dụng công nghệ cố định
vi sinh vật trên các giá thể (màng sinh học hoặc dạng hạt) để kiểm soát tốt các
điều kiện xử lý (tốc độ dòng chảy, mật độ vi sinh vật).
- Ứng dụng vi sinh vật xử lý kim loại nặng:
+ Vi sinh vật có khả năng hấp
thụ, liên kết vật lý, hoặc biến đổi hóa học các kim loại nặng độc hại (như Đồng
- Cu, Chì - Pb) thành dạng kết tủa không tan, giúp dễ dàng lọc và tách chúng ra
khỏi nguồn nước.
+ Một số loài tiêu biểu: Pseudomonas stutzeri, Bacillus
subtilis, Candida tropicalis.
III. CÔNG NGHỆ
THU NHẬN KHÍ SINH HỌC
- Khí sinh học
(Biogas): Là hỗn hợp khí
thu được từ quá trình phân hủy kị khí các chất hữu cơ bởi vi sinh vật.
+ Thành phần chính: Khí methane (CH₄) chiếm khoảng 58 - 75%, carbon
dioxide (CO₂) chiếm khoảng 25 - 42%, một lượng rất nhỏ khí độc H₂S và hơi nước.
- Quy trình
phân hóa sinh học gồm 4 nhóm phản ứng chính:
|
Nhóm
phản ứng |
Nội
dung |
|
Phản ứng thủy phân |
Các chất hữu cơ phức tạp (xenlulozo, tinh bột,
protein...) bị cắt nhỏ thành các chất hữu cơ đơn giản (đường đơn, amino acid)
nhờ enzyme ngoại bào của vi sinh vật. |
|
Phản ứng acid hóa cơ chất |
Vi sinh vật lên men các chất đơn giản, tạo ra các
acid hữu cơ, ethanol, H₂ và CO₂. |
|
Phản ứng tạo acetic acid |
Chuyển hóa các acid hữu cơ và ethanol thành acetic
acid (CH₃COOH), H₂ và CO₂. |
|
Phản ứng tạo methane |
Các vi sinh vật cổ sinh methane (Archaea) sử dụng
CO₂, H₂, acetic acid... để tổng hợp nên khí methane (CH₄). |
- Ý nghĩa thực tiễn:
+ Giải quyết triệt để vấn đề
ô nhiễm chất thải hữu cơ từ chăn nuôi, nông nghiệp.
+ Tạo ra nguồn năng lượng sạch
có thể dùng đun nấu trực tiếp hoặc chạy máy phát điện (10 kg sinh khối thực vật
có thể tạo ra khoảng 3 kWh điện).
+ Chất thải sau phân hủy kị
khí được tận dụng làm phân bón hữu cơ chất lượng cao cho cây trồng.
IV. CÔNG NGHỆ XỬ LÍ CHẤT THẢI RẮN
- Phân loại chất thải rắn:
Bước đầu tiên bắt buộc là tách riêng chất thải vô cơ không phân hủy (kim loại,
thủy tinh, nhựa) ra khỏi chất thải hữu cơ dễ phân hủy sinh học (rau củ thừa, lá
cây, thức ăn thừa).
- Quy trình sản xuất phân hữu cơ bằng
phương pháp ủ hiếu khí:
+ Rác thải hữu cơ sau phân
loại được thu gom, vận chuyển, cắt nhỏ và phối trộn thêm phụ gia (mùn cưa, gỗ vụn,
bùn hoạt tính) rồi tiến hành ủ trong điều kiện thông thoáng (hiếu khí).
+ Sự biến đổi quần
thể vi sinh vật theo nhiệt độ đống ủ:
+ Nhóm ưa ấm (20°C - 40°C):
Hoạt động ở giai đoạn đầu, phân hủy các hợp chất hữu cơ dễ tiêu, giải phóng nhiệt
lượng làm đống ủ nóng lên.
+ Nhóm chịu nhiệt (40°C - 60°C):
Các loài nấm và vi khuẩn chịu nhiệt (Aspergillus fumigatus, Bacillus
aerius) sinh trưởng mạnh, đẩy nhanh tốc độ phân hủy.
+ Nhóm ưa nhiệt (60°C - 80°C):
Đạt mật độ cao nhất ở giai đoạn nhiệt độ cực đại (Thermus thermophilus).
Nhiệt độ cao này vô cùng quan trọng vì giúp tiêu diệt các loại trứng giun sán,
mầm bệnh nguy hiểm và làm mất sức sống của hạt cỏ dại có trong rác.
+ Giai đoạn nguội dần:
Nhiệt độ giảm, nhóm ưa ấm quay trở lại hoạt động để hoàn thành quá trình mùn
hóa tạo nên phân bón chất lượng cao.