Giáo trình công nghệ vi sinh vật xử lý chất thải

PGS. TS. LẼ GIA HY

TT T T -T V * ĐH Q G HN

628.4
LE-H
2010
01030


P G S . T S . L Ê G IA H Y

GIÁO TRÌNH

CỐNG NGHỆ■VI SINH VẬT
■
x ử LÝ CHẤT THẢI

NHÀ XUẤT BẢN GIÁO DỤC VIỆT NAM


Công ty cổ phần Sách Đại học - Dạy nghề - Nhà xuất bản Giáo dục Việt Nam
giữ quyền công bố tác phẩm.

575 - 2010/CXB/15 - 924/GD

Mã số : 7K852YO - DAI


LỜI NÓI ĐẨU

Tính đặc trưng của các quá trình trao đổi chất ở vi sinh vật đã được ứng dụng từ
lâu v à o sản xuất các loại thực phẩm lên men trước khi có sự hiểu biết về sự tồn 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 m ột vùng
sinh thái sẽ cản trở khả năng tự làm sạch của vi sinh vật trong môi trường và làm ô
nhiễm m ỏi trường sống.
Giữa thế kỷ XX, con người đã nhận thấy hệ vi sinh vật trong tự nhiên đóng vai trò
chính trong việc phân huỷ các chất thải do con người tạo ra và đã chủ động sử dụng
khả nâng 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 lý 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 cá c 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 đề
cho m ột phạm trù "công nghệ sinh học" mới.
C ùng 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
mẳt và lâu dài đến sức khỏe con người, phá vỡ sự cân bằng sinh thái. Lượng rác thải sinh
hoat ở các đò 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 bèn cạnh việc tốn nhiều diện tích canh
tác, còn gây ra ô nhiễm nguồn nước ngầm và môi trường xung quanh.
C ông nghệ vi sinh vật xử lý chất thải là một chủ đề của m ột lĩnh vực lớn và quan
trọng, do điều kiện và thời gian có hạn nên giáo trình chỉ trình bày sơ lược các nguyên lý
và quá trình xử lý chất thải nhằm bổ sung thêm những hiểu biết rất cơ bản về 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 m ỏ hình hoá các quy trình này.
C uốn giáo trình C ông n g h ệ vi sin h vật x ử lý ch ấ t thải được biên soạn nhằm
cung cấ p các kiến thức cơ bản về công nghệ xử lý chất thải, nước thải bằng biện
pháp sinh học cho sinh viên, học viên cao

học,

nghiên cứu sinh ngành C ông nghệ

sinh học và C ông nghệ mỏi trường. Tài liệu

này

gồm

ba phẩn: Cơ sở sinh học xử lý

chất thải, nước thải; C ông nghệ vi sinh v ậ t xử lý nước thải và Công nghệ vi sinh vật xử
lý c h ấ t thải.

3


Trong quá trình xử lý rác thải, vi sinh vật đóng vai trò quan trọng và quyết định
nhất trong việ c 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.
G iáo trình trình bày tóm lược các quá trình xử lý nước thải bằng biện phá p 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 h ọ c -s in h thái h ọ c - 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 trinh xử lý nước thải truyền thống như xử lý bằng bùn hoạt
tính, bằng phương pháp m àng lọc, bằng ao hổ ổn định sinh học, ủ kỵ khí (sinh methan)
và trình bày m ột vài m ô 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 ỏ đây sử dụng các biện pháp
sinh học để loại bỏ các chất gây ồ 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 lý chất thải bảo vệ môi 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 c ỏ n g ty Sách Đại học -

Dạy nghề, Nhà xuất bản

Giáo dục V iệt Nam, 25 Hàn Thuyên, Hà Nội.
Xin trân trọng cảm ơn.

TÁC G IẢ

4


PHÂN THỪ NHÃT

C ơ s ở SINH HỌC

XỬ LÝ CHẤT THẢI, NƯỚC THẢI

C hưong1

Cơ SỞ SINH HỌC KIỂM SOÁT CHẤT THẢI, NƯỚC THẢI
1.1. Cơ sở SINH HỌC KIỂM SOÁT MÔI TRƯỜNG
1.1.1. Khái niệm công nghệ vi sinh vật môi trường
1.1.1.1. M ôi trường là gì?

Môi trư ờng là hệ thông các yếu tố sông và không sống tạo nên điều
kiện sông tr ê n h à n h tin h của chúng ta. Trong dó, các yếu tô" sông là con
người, dộng vật, thực v ậ t và vi sinh vật, còn các yếu tô" không sống là
dất, nước, không khí, khoáng ch ấ t và n ăn g lượng M ặ t Tròi. N hư vậy,
môi trường bao gồm các yểu tố tự nhiên và v ậ t c h ấ t n h â n tạo q uan hộ
m ậ t th iế t với n h au, bao q u a n h con người, có ả n h hưởng tới đòi sống, sản
xuất, sự tồn tại, p h á t triển của con người và th iên nhiên.
Môi trư ờng theo nghĩa rộng là tấ t cả các n h â n tố tự n hiên và xã hội
cần th iế t cho sự sinh sông, sả n x u ấ t của con người, n h ư tài nguyên thiên
nhiên, k h ô n g khí, đất, nước, ánh sáng, cảnh quan, q u an hệ xã hội..., và
có tác dộng tương hỗ lẫn n h a u (hình 1 . 1 ).

Hình 1.1. Môi trường sống và sự tác động môi trường


Môi trường theo nghĩa hẹp k h ô n g xét tới tài nguyên th iê n n hiên, m à
chỉ bao gồm các n h â n tô" tự n hiên và xã hội trự c tiếp liên q u a n tới ch ất
lượng cuộc sông con người. Nói n g ắn gọn, môi trường là t ấ t cả n h ữ n g gì
có xung q u a n h ta, cho ta cơ sở đê sông và p h á t triến.
Sinh quyển có nghía là toàn bộ t ấ t cả các cơ th ể sông trô n T rái Đất,
tuy n hiên sin h quyển cũng như môi trường có th ể sông k h ôn g có sự sông

•như trê n 4 tỷ n ă m về trước, n h ư n g không m ột ai trong c h ú n g la cố thô
sông không có sin h quyổn hay môi trường. Sinh* quyển do các môi trường
chính tạo th à n h , đó là không khí, nưốc 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 th iế t cho cuộc sông và
hoạt động sản x u ất của con người; nơi chứa dựng các ch ấ t phc thải do con
người tạo ra trong cuộc sông và hoạt dộng sản x u ấ t của m ình; nơi giảm
nhọ các tác động có hại của thiên nhiên tỏi con người và sinh v ậ t trên Trái
Đất. N hư vậy, con người luôn cần một khoảng không gian n h à ở, sản xu ất
lương thực và tái tạo môi trường, nhưng nếu khai thác và chuyển đổi chức
n ăng sử dụng các loại không gian quá mức, không chú trọng đôn bảo vộ
môi trường, có thê làm cho chất lượng không gian sông m ấ t di kh á năng
tự phục hồi, sẽ ản h hưởng đến môi trường sông.
Bảo vệ môi trường là giữ cho môi trường tro n g sạch, d ảm bảo cân
b ằng sinh thái, ngăn chặn và k hắc phục các h ậ u quả xấu do con người
và th iên n hiên gây ra, k h ai thác, sử dụng hợp lý và tiế t kiộm tà i nguyên
thiên nhiên.
Khoa học môi trường là n gàn h khoa học nghiên cứu mối q u a n hộ và
tương tác qu a lại giữa con ngưòi và môi trường xung q u a n h n h ằ m mục
đích bảo vộ môi trường sông của con ngưừi trê n T rái Đất.
N g àn h Khoa học môi trường nghiên cứu đặc điểm củ a các th à n h
phần môi trường (tự nhiên hoặc n h â n tạo) có ả n h hưởng hoặc chiu ản h
hưởng đến môi trường nước, không k h í và đất; n ghiên cứu công nghệ, kỹ
th u ậ t xử lý ô nh iễm bảo vệ c h ấ t lượng môi trường sông củ a con người;
nghiên cứu tổng hợp các biện pháp quản lý k in h tế, lu ậ t pháp, xã hội
n h ằm bảo vệ môi trường và p h á t triển bền vững. T uy nhiên, môi trường
là đối tượng nghiên cứu của n hiều ngành khoa học n h ư sin h học, địa
học, h ó a ‘học,... n h ằ m đề ra các biện pháp bảo vệ môi trư ờng có hiộu quả,
góp p h ầ n p h á t triển n g àn h khoa học môi trường.
1.1.1.2. Công nghệ vi sinh vật môi trường

Công nghệ vi sin h vật là sự tích hợp của khoa học vổ vi sinh vật và
công nghệ dể có th ể ứng dụng vi sinh vật và các cấu p h ần của tế bào vi
sinh v ật để sản x u ấ t các sản phẩm có giá trị mới dựa tre n tiến bộ của công

6


ngliộ sinh học. N hư vậy, công nghệ vi sinh v ật môi trường (hay còn gọi là
công nghộ sinh học môi trường) là việc ứng dụng các quá trìn h công nghệ
dể bao vệ và phục hồi chất lượng môi trường sông của con người.
Đố hiểu công nghộ vi sinh vật môi trường, trưóc h ết chúng ta phải
clịnh nghĩa công nghộ sinh học, vì công nghệ vi sinh v ậ t là một p h ần quan
trọng của công nghẹ sinh học. Vậy công nghệ sinh học là gì? Tuy có nhiều
định nghía khác n h a u về công nghệ sinh học, như ng có th ể tóm tắ t n h ư
sau: Công nghệ sinh học là các kỹ th u ậ t sử dụng cơ th ể hoặc các p h ần của
cơ thổ sông để sản xuất hàng loạt các sản phẩm như sản x u ất các loại
thuốc chữa bệnh, các dược phẩm, các loại enzym, các hợp ch ất bổ đưõng,
thực phẩin và các sản phẩm khác với sự trợ giúp của vi sinh vật. Việc cải
tiến thực vật, động vật và vi sinh vật cho các mục đích khác n h a u như tạo
ra sản p h ám mới hoặc tôt hơn, loại bỏ các ch ất độc; phòng chống bệnh,
p h á t triến nông nghiệp, tạo các công nghệ sản x u ấ t công nghiệp mới ít độc
cho môi trường,... Một ví dụ trên hình 1.2, cải biến tế bào vi sinh v ậ t bằng
công nghộ sinh học ứng dụng trong bảo vệ môi trường.

Phân bón sinh học
- Cố định nitơ
- Hòa tan phosphate
- Giảm phân bón hóa học
- Chống ô nhiễm nước

Phàn hủy sinh học
Làm sạch đất

bị ỏ nhiễm

Đâu tranh sinh học

Kích thích quang hợp

Các chất trao đổi kháng khuẩn

s ả n xuất IAA

- Giảm thiểu sinh vật ký sinh

Kích thích rễ

- Giảm thiểu bệnh tật

Tăng cường hấp phụ nitơ

- Giảm sử dụng chất diệt nấm

Giảm sử dụng phân bón

Hinh 1.2. Cải biến tế bào vi sinh vật bằng công nghệ sinh học
ứng dụng vào công tác bảo vệ môi trường

N hiệm vụ của công nghệ sinh học môi trưòng là xử lý các hệ sinh thái

bị ô nhiễm; xử lý và k h ử độc ch ất thải rắn; xử lý nước thải, nguồn thải,
sông hồ và biển bị ô nhiễm; khử nhiễm bẩn không khí bằng các cơ thổ và
cá(' phần của cơ th ế sông, bảo vệ môi trường b ằng các công nghộ mới (hình
1.3). Ví dụ, công nghệ sinh học môi trường là sử dụng các phương pháp

7


không phải là các phương pháp p h ân loại truyền th ô n g như các phương
pháp sinh học p h ân tử và di truyền để p hân lập, tu y ể n chọn các vi sinh
v ật mới ứng dụng có hiêu quả trong kiểm soát môi trường.

Hình 1.3. Hưỏng 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 “q uản
lý q u ần th ể vi sin h v ậ t để cung cấp các dịch vụ cho xã hội”. N gày nay,
dịch vụ chìa khoá bao gồm giải độc cho nước và đ ấ t bị ô nhiễm , phục hồi
tài nguyên bị m ấ t và chuyển hoá n ăn g lượng k h u ếc h tá n vào sin h khôi
th à n h d ạn g m à xã hội dễ dàng sử dụng. H ai ví dụ tiê u biểu là k h ử các
c h ấ t gây ô n hiễm nước th ả i bị oxy hoá (ví dụ n h ư n itr a t, các d u n g môi
khử trùng), sản x u ấ t khí m ethan , hydro, điện, e th a n o l và n h iê n liộu
sinh học.
1.1.1.3. ứng dụng cỏng nghệ sinh học trong bảo vệ m ôi trường

G ần đây công nghệ sinh học trên t h ế giới đã và đ a n g có vai trò rấ t
quan trọng trong bảo vệ môi trường, m ang hiệu q u ả r ấ t rõ tro n g quan
trắc, đ á n h giá mức độ ô nhiễm , xử lý ô nhiễm, phòng chông ô nhiễm . Các
kỹ t h u ậ t h iện nay n h ư sinh học p h â n tử, di tru y ề n p h â n tử và gần đây
là genomic, protonomic, công nghệ nano sin h học đã tạ o nên n h ữ n g bưốc
đột p h á trong công tác bảo vệ môi trường tr ê n to à n cầu. Các kỹ th u ậ t

hiện đại của sin h học dược phổi hợp với các th à n h tự u p h â n tích bản
ch ấ t hoá học của các yếu tô" gây ô nhiễm là công cụ đắc lực cho việc xây
dựng, điều khiển và đ án h giá các quy trìn h công n g h ệ xử lý ô nhiễm sự

8


cổTmôi

trư ờ n g và q u a n trắc sự biến động của môi trưòng. s ử dụng tổng
hợp của các phương p h á p sinh học truyền thông và công nghệ sinh học
hiộn dại sõ giúp cho c h ú n g ta lựa chọn đúng các công nghệ trong phòng
chông ô nhiễm .
a) c ỏ n g n g h ê s i n h h ọ c tr o n g x ử lý ô n h iê m m ô i tr ư ờ n g
-- Công nghệ sin h học ứng dụn g trong xử lý nưốe th ả i thường là công
nghệ hiếu khí, th iế u k h í và kỵ khí. Loại h ìn h công nghệ hiếu k h í dang
được sử d ụ n g hiộn n ay trên th ế giới là bể p h ả n ứng sinh học hiếu khí,
mương oxy hoá, lọc sin h học. Riêng phương p h á p lọc sin h học được ứng
d ụ n g với n h iều loại h ìn h khác n h a u nh ư lọc nhỏ giọt, lọc với v ậ t liộu
ngập nước, lọc với các vặt liệu là các h ạ t cô" định, đĩa quay sinh học.
Ph ư ơn g p h á p xử lý h iếu khí dưực ứng dụng rộng rãi n h ấ t trong xử lý
nước th ả i sin h hoạt, nưốc thải của các công nghiệp chê biến thực phẩm .
Phư ơng p h á p n ày có ư u điểm không sinh ra m ùi khó chịu, thời gian xử
lý ngắn, hiộu qu ả xử lý cao, n hư ng chi phí cho xây lắp và vận h à n h cao,
tạ o ra n h iề u b ù n th ả i. Phương p h á p x ử lý k y k h í tạo ra ít bùn, chi phí
th ấ p , ngoài Ưu điểm th u được khí sinh học —dược xếp vào loại năng lượng
x an h , còn có th ể áp d ụ n g để xử lý nước th ải có nồng độ c h ấ t ô nhiễm hữu
cơ cao. Công nghệ k ế t hợp các modul hiếu k h í - kỵ k h í - th iếu k h í đã
dược n g hiên cứu và ứ n g dụn g m ạ n h mẽ tại N h ậ t Bản dể xử lý nưốc thải
s in h hoạt, nước th ả i giàu nitơ (nước th ải giết mổ gia súc gia cầm, nước

th ả i c h ế b iến th u ỷ sả n , nước th ải chăn nuôi). P hương p h á p lọc sin h học
là sử d ụ n g qu á tr ìn h xử lý dựa trê n quá trìn h h o ạt động của vi sin h vật
ở m à n g sin h học, oxy hoá các ch ấ t bẩn hữu cơ có trong nưốc. Các m àng
s in h học, là tập hợp của các vi sinh v ật hiếu khí, kỵ kh í và kỵ k h í tuỳ
tiộn. Ngoài ra, người ta còn sử dụng hồ sinh học để loại bỏ các yếu tô" ô
n h iễ m tro n g môi trư ờ n g nước. Đây là quá trìn h làm sạch tự n hiên với
tốc. dộ ch ậm n ên thời gian lưu th uỷ học k h á dài và phương ph áp cần
d iệ n tích m ặ t th o á n g lớn. Hồ sinh học bao gồm các loại hồ hiếu klìí, hồ
kỵ k h í và d ạ n g hồ t r ư n g gian, có thể sử dụng thực v ậ t th u ỷ sinh để xử lý
ô n h iễ m nước th ả i có độ ô nhiễm hữu cơ không cao và ô n hiễm kim loại
n ặ n g (xem chương 6 và chương 8).
-

ứ n g dụ ng công nghộ sinh học để xử lý ch ấ t th ải rắ n là phương pháp

ủ h iế u k h í h a y kỵ k h í nh ằm tạo ra sản phẩm p h ân bón phục vụ nông
nghiệp (xem chương 11). N hiều chế phẩm vi sinh v ậ t chứa các vi sinh vật
h ữ u hiệu dược sả n x u ấ t để ứng dụng vào lĩnh vực này n h ằ m thúc đẩy
n h a n h quá trìn h xử lý rác thải sinh hoạt, xử lý bùn ao nuôi th uỷ sản, xử

9


lý các p h ế thải rắ n từ công nghiệp thực phẩm, ủ kỵ khí là biện p h á p đơn
giản, dỗ thực hiện, chi phí th ấ p và có th ể th u k h í m e th a n làm c h ấ t đốt. u
hiếu khí là biện pháp đang được sử dụng ỏ nhiều nước trên t h ế giới vỏi ưu
điểm là quá trìn h ph ân huỷ n han h , tiết kiệm được diện tích chôn lấp và
có thể tậ n dụng m ùn làm p h â n bón (xem chương 1 2 ).
Phương p h áp lọc sinh học mới được p h á t triển là công nghộ kiểm
so át ô nh iễm không khí, xử lý khí th ải chứa c h ấ t hữ u cơ b ay hơi hoặc các

ch ấ t độc vô cơ. Công nghệ này được ứng d ụ n g th à n h công ở các nước
ch âu Ảu nh ư Đức và H à L an từ đ ầu những n ă m 1980 cho các cơ sở công
nghiệp tạo nh iều kh í th ả i độc hại. Trong n h ữ n g ch ấ t k h í gây r a hiộu ứng
n h à kính, C 0 2 đóng vai trò lớn trong sự nóng lên của T rá i Đất, như ng
m e th a n cũng được coi là c h ấ t khí hiệu ứng n h à kính tiềm tà n g n hất, bởi
vì mỗi p h â n tử CHj trong k h í quyén có tác dụng làm nóng T rá i Đ ấ t gấp
21 lần so với một p h â n tử c o , . H àn g năm lưựng k h í me th a n tă n g lôn với
tý lộ 1 %, n h a n h gấp n hiều lần k h í COj. Đổ giảm bót lượng k h í m e th a n
thái ra tro n g q u á tr ìn h chôn lấp cổ truyền, M a stu i S a b u ro dà nghiên
cứu và dề x u ấ t quy trìn h công nghệ chôn lấp mới, dựa trê n nguyên tắc
kích thích sự p h á t triển của vi sinh vật k h ử su lfat b ằn g sục k h í tă n g
cường nước rác để oxy hoá su líìt th à n h sulfat, h ạ n c h ế sự h ìn h th à n h
khí m e th a n trong quá trìn h p h â n h u ỷ kỵ khí (mục 12.5 và 12.6).
b) C ô n g n g h ê s i n h h o c v à s ả n x u ấ t c á c s ả n p h ẩ m t h ả n th iệ n
m ô i tr ư ờ n g
S ản x u ấ t các sản p h ẩm th â n th iệ n với môi trường để th a y th ế các
hoá c h ấ t dộc hại n h ư sử dụng vi sinh vật để sả n x u ấ t p h â n bón sinh học
(thuốc trừ sâu sin h học, p h â n hữu cơ vi sinh) và các c h ấ t bảo vệ môi
trường đ an g ngày càng p h á t triển m ạnh mẽ trẽn t h ế giới. Các sản phâm
công nghệ sin h học được tạo r a hiện nay góp p h ầ n r ấ t lớn vào tă n g năng
s u ấ t cây trồng cũng nh ư giảm thiểu đáng kế các ch ấ t th ả i độc hại. s ả n
x u ấ t các loại enzym để sử dụng trong công nghiệp da giày, công nghiệp
dột, sản x u ấ t bột giặt, công nghiệp sản x u ấ t bột giấy,... s ử dụng công
nghệ sin h học để chuyển hoá sinh khối thực v ậ t th à n h các nguyên liệu
sản x u ấ t polyme sin h học, vật liệu composit sinh học sử d ụ n g trong các
ngành công nghiệp và y tế.
c) C ô n g n g h ê s i n h h o c và s ả n x u ấ t n ă n g lư ơ n g m ớ i k ế t hơ p
bả o vê m ô i tr ư ờ n g
H iện nay, n h iều nưóc trê n th ế giới, kể cả các nưóc có nguồn dầu khí
lớn. đã sả n x u ấ t và sử dụ ng ethanol th ay xăng, diesel, n h ư Mỹ, Brasil,

10


An f)ộ, T ru n g Quốc,... Với sự hỗ trợ của công nghệ sin h học ngưòi ta có
thổ sán x u ấ t dược từ 20 - 40 tỷ th ù n g ethanol sinh học từ cellulose sinh
khói. Điều này m an g lại lợi ích dáng kổ cho nông dân, góp p h ầ n bảo vệ
môi trư ờ ng và giúp t h ế giới giảm bớt phụ thuộc vào nguồn cung ứng
nhiên liộu hoá th ạch. An Độ là nước dẫn đ ầu châu Á sử dụ ng ethanol
làm nhiên liộu. T ru n g Quốc đã sử dụng ethanol th a y xăng ở 5 th à n h phô"
lớn với các n h à m áy có công s u ấ t từ 200.000 - 800.000 tấ n /n ăm . Ở Đông
Nam A nh ư T hái Lan, Indonesia, M alavsia dă p h á t triển công nghệ sản
x u ấ t cth an o l d ù n g th ay xăng.
Hiện nay ngưòi ta dã quen dùng th u ậ t ngữ “Biogas” nh ư một nguồn
n ăng lượng mới. Các phụ phẩm nông nghiệp như rơm, rạ, ph ân gia súc,
gia cám dược ủ kỵ khí trong các bổ ủ khí. Nhò ho ạt động của vi sinh vật,
các c h ấ t hữu cơ dược p h ân huỷ và tạo ra sản p h ẩm k h í là m cthan. Khí
m e th a n có thổ d ù n g làm nguồn năng lượng đổ sản x u ất điộn, làm ch ất đốt,
thay ih ế cho củi hoặc dấu hoả (hình 1.4). N hư vậy, việc sản x u ất khí sinh
học vừa góp p h ấ n làm sạch môi trường vừa m ang lại lợi ích kinh tế. Với
ưu diếm trên, công nghệ này dang được đầu tư p h á t triển ở nhiều nước.

Năng lượng Mặt Trời

- C hăn nuôi
- Sán xuất nhiên liệu
sinh học
- Thu hoạch sản phẩm
cây trổng
- s ả n xu ấ t công nghiệp

- Tiêu dùng của người

Quang hơp

Năng lượng điện và/
hoặc nhiệt

:Á f t '
y. ’ > ì
\ỵ
Chất thải
hữu cơ

Phản huỷ
kỵ khí

:
"]
•'ị

Ông dẫn khí
gas tự nhiên

Khí sinh học

Hình 1.4. Chu trình của khí sinh học (biogas)

d) C ô n g n g h ệ s i n h h o c và c ả i ta o , p h ụ c h ồ i m ô i tr ư ờ n g
Phương p h á p xử lý ô nhiễm bằn g thực v ậ t có tín h k h ả th i cao đế xử
lý các v ù n g đ ấ t bị ô n hiễm kim loại nặng. Các lĩnh vực nghiên cứu liên

11


quan bao gồm công nghộ đ ấ t ngập nưóc, công nghệ xử lý tr à n d ầ u và các
loại thực v ậ t tích luỹ kim loại nặng. Hiện nay, để tă n g cường h iệu q uả
xử lý ô nh iễm b ằn g thực vật, công nghệ sinh học đã và d a n g tạo r a các
loài thực v ậ t mới thông qua công nghệ tái tể hợp di truyền.
1.1.2. Công nghệ vi sinh vật xử lý chất thải
Công nghệ sin h học xử lý ch ấ t thải là một trong n h ữ n g h ư ớ ng p h á t
triển ưu tiên h à n g đ ầu trong đó chú trọng sử dụ ng các công nghộ sạch,
công nghệ xử lý để tạo đà cho việc p h á t triển bền vững. Xu hướng của
các quốc gia trê n th ế giới trong việc phòng ngừa ô nhiễm môi trư ờ ng là
hạn c h ế p h ải xử lý cuối đường ống, đẩy m ạn h ứng dụn g v à p h á t triển
các công nghệ sạch, công nghệ sinh học.
H ai yếu tô" q u a n trọng n h ấ t do hoạt dộng sông của con ngưòi á n h
hưởng đến môi trường là ch ấ t th ả i và nước thải. K hả n ă n g p h â n huỷ v ậ t
ch ấ t của q u ầ n th ể vi sinh v ậ t đã được sử dụng để quay vòng các c h ấ t
th ả i có tro n g tự nhiôn. Bởi vì, nếu ch ất th ải tích tụ quá n h iề u tạ i một
vùng sin h th á i sẽ cản trở k h ả n ă n g tự làm sạch của vi s in h v ậ t trong
môi trường, làm ô nhiễm môi trường sông.
Các q u á trìn h xử lý c h ấ t thải, nước th ải b ằn g biện p h á p sin h học m à
vai trò chính là sự đóng góp của các loại vi sinh v ậ t n h ằ m bảo vệ các giá
trị sinh học của môi trường th iên nhiên.
Công nghệ p h â n huỷ các c h ấ t bằng vi sinh v ậ t dự a trê n cơ sở loại bỏ
hỗn hợp n h iề u c h ấ t có trong c h ấ t th ả i và tái sử dụn g chúng. N ồng độ
của các c h ấ t hoà ta n trong nước thường là thấp, các c h ấ t k h ô n g hoà tan
là hợp c h ấ t cao p h ân tử và p h â n huỷ kém. Do vậy, xử lý môi trư ờ n g hỗn
hợp n hiều c h ấ t ô nhiễm bằng cách sử dụng n h iều chủ ng vi sin h sõ tăn g
cường k h ả n ă n g p h â n h u ỷ các chất, giảm thời gian p h â n h u ỷ d ẫn đến

giảm giá th à n h sả n phẩm .
Mỗi hệ sinh th á i được quy dịnh bởi các điều kiện lý học, h o á học, vi
trí địa lý và thực t ế địa c h ấ t của nó. N hững yếu tô" th iế t yếu là nước (hay
dộ ẩm), n h iệ t độ, á n h sáng, k h ả n ăn g cung cấp oxy, các c h ấ t d in h dưỡng,
pH và k h ả n ăn g k h u ấ y trộ n cơ học (xem chương 2).
Các loại sinh v ậ t tồn tại, p h á t triển và tái sinh trong môi trường sông
(mỗi hệ sinh thái) và do vậy, chúng lắng đọng lâu dài trong sin h cảnh cấu
th à n h quần lạc sinh v ật—phần thứ cấp của hệ sinh thái. C hính sinh v ật
sông trong hộ sinh th ái sẽ làm thay đổi các điều kiện của sin h cảnh.
Công nghệ vi sin h v ậ t xử lý c h ấ t thải/ nước th ả i là sự p h á t triển của

12


công nghệ sinh học n h ằm ứng dụn g vi sinh v ậ t và các cấu ph ần của tê
bào VI sinh v ật để s ả n xuất các chế p h ẩm có giá trị mới và ứng dụng các
quá tr ìn h công nghẹ mới, thích hợp trong bảo vệ và phục hồi ch ấ t lượng
mỏi trư ờng sông của con người.
1.1.2.1. Chất thải, nước thải

- C h ất thải (còn gọi là rác thải) là các chất do hoạt động của con người
tạo ra và không còn giá trị sử dụng vào mục đích phục vụ cuộc sông của
con người. Nước th ả i là nước đã qua sử dụ ng trong sả n x u ấ t hoặc sinh
hoạt chứ a các ch ấ t bẩn và được th ả i ra môi trường.
- Đê kiểm soát nước thải, ch ấ t thải cần:
+ Lựa chọn quá trình xử lý phải phụ thuộc vào bản chất tự nhiên của
nước thải.
+ T h à n h p h ầ n c h ấ t dộc nguy hại cần tá ch ra khỏi nước, còn dạn g
k h ô n g ng uy hại mới cho phép th ải ra môi trường.
+ Q uá trìn h dánh giá có thể thực hiện theo một hay nhiểu bước (CID).

+ T h à n h phần nguy hại phải xử lý th à n h phần không còn độc hại nữa.
1.1.2.2. Tách chất rắn khỏi môi trường nước

T ách c h ấ t th ả i rắ n huyền phù khỏi nước th ả i có th ể thực hiện theo
n h iề u qu á tr ìn h p h ụ thuộc vào kích thước và khối lượng của chúng. C h ất
th ả i r ắ n d ạ n g h ạ t to có th ể làm hỏng máy bơm. Trước kh i dưa vào bể xử
lý, cần p h â n loại sơ bộ để loại bỏ được ch ấ t th ả i h ạ t lớn b ằ n g cách cho
q u a lưới lọc bằng kim loại, b ằng tre nứa,... dể tạo môi trường nước thải
dồng n h ấ t, mịn. Công việc ban đ ầu này có th ể được thực hiện b ằng các
cách sa u đây:
a) L ắ n g g a n
Để nước th ả i tĩn h một thòi gian n h ấ t định để cho m ột sô" th à n h p h ầ n
h u y ề n p h ù tro n g nước th ả i k ế t lại vối nhau, lắng xuống hoặc nổi lên bề
m ặ t bể p h â n loại sơ bộ. Trước khi đưa vào bể xử lý, cần loại bỏ các ch ất
sa lắng hoặc nổi lên m ặ t nước thải. N hữ ng c h ấ t n ày có th ể gây khó k h ă n
cho qu á tr ìn h xử lý, làm giảm hiệu s u ấ t xử lý b ằn g biện p h á p sinh học.
b) K ế t b ô n g
B ằng cách thổi k h í trong thời gian n h ấ t định, các h ạ t h u y ền phù sẽ
k ế t th à n h khối bông (flocs), sau đó thực hiện quá tr ìn h lắn g gạn.
c) L o c q u a m ô i tr ư ờ n g h a t (sỏi, cát) hoặc lọc qua lớp v ậ t liệu lọc
m ịn (bcntonit, điato m it hoặc zeolit).

13


d) L o c q u a m à n g lo c nh ư vải lọc hoặc sà n g lưới m ịn (th ư ờ ng sử
dụn g m áy h ú t ch ân không).
e) C ác p h ư ơ n g p h á p ly tâ m : Thường sử dụng tốc độ vòng quay lớn.
1.1.2.3.

Chọn /ụa các phương pháp x ử lý

S au khi xử lý sơ bộ b ằn g các phương pháp kể trên, việc chọn lựa các
phương p h áp xử lý thích hợp cho từng loại hình nước th ả i ô n h iễ m và
phù hợp với từ n g giai đoạn, thòi gian là nhiệm vụ h ế t sức q u a n trọ n g và
cần thiết. Trong m ột số trư ờng hợp, người ta có th ể p h ải k ế t hợp m ột sổ
phương p h áp xử lý khác n h a u để có thể giải quyết tậ n gốc các c h ấ t ô
nhiễm. Cho đến nay, ngoài n hững phương pháp thường được sử dụn g
như phương p háp hoá học, lý học, cơ học,... thì phương p h á p p h â n huỷ
sinh học sử d ụ n g các nguồn vi sinh v ậ t có ích đang là vấn đề được nhiều
quốc gia, tro n g dó có Việt N am q uan tâm nhiều, bởi lẽ công n g h ệ p h â n
huỷ sinh học có tác dụng xử lý triệ t để hơn, không bị ô n h iễ m th ứ cấp và
lại an toàn cho sin h thái môi trường.
Ví dụ: có n h iều phương ph áp xử lý nước trước khi sử d ụ n g làm nước
sinh hoạt h ay th ải r a môi trường (hình 1.5). N hư n g tùy theo c h ấ t lượng
nước, các th à n h p h ầ n trong nước m à lựa chọn công nghệ p h ù hợp.
Dưới đây chúng ta có th ể tìm hiểu khái q u á t n h ữ n g đặc tín h cơ bản
của một sô" phương p h áp xử lý ch ấ t th ải khác n hau.
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 h ạ i khỏi nước thải:
- T ru n g hòa nước thải acid hoặc kiềm đ ến pH thích hợp.
- Kết tủa, k ế t lắng, k ế t bông thường dùng để loại bỏ kim loại nặng.
Kết tủ a đố h ìn h th à n h các ph a rắn; k ế t lắng làm cho các h ạ t nhỏ liôn k ế t
tạo th à n h các ch ấ t lắng dược; còn k ế t bông tạo cho các h ạ t nhỏ tích tụ lại
và lọc dược.
- Oxy hoá khử là cách sử dụng các c h ấ t hoá học bố s u n g vào nước
th ải đồ chuyển các c h ấ t độc h ạ i th à n h vô hại, hoặc ít độc hơn. Cũng có
th ể chỉ thực hiện m ột quá tr ìn h oxy hoá n h ư sử d ụ n g k h í ozon để xử lỷ
ch ấ t hữ u cơ nguy hại.

- Sử d ụ n g trao dổi ion dể chuyển hoá các c h ấ t độc h ạ i th à n h không
dộc bằng cách th a y dổi các nhóm chức khác nhau.

14


Hình 1.5. Các công nghệ xử lý nưóc đầu ra

1.2.2. Các phương pháp vật lý
Có n h iê u phương pháp loại bỏ các c h ấ t ô nhiễm khỏi nước thải:
- T ẩy bằng hơi nước: làm cho các ch ất độc không bay hơi sỗ bay hơi
ở á p s u ấ t cao và n h iệ t độ nước sôi phù hợp.
- H ấp th ụ các ch ấ t hữ u cơ và vô cơ b ằn g th a n h o ạ t tín h làm cho
nước th ải trở nên sạch.
- Bay hơi cũng là quá trìn h loại bỏ c h ấ t th ả i nguy h ại b ằn g cách cho
b ay h ế t hơi nước di đổ th u ch ấ t thải dạn g b ù n bẩn.
- Sử dụn g sự th ẩ m th ấ u qua m àng để chuyển các ch ấ t độc hại tích
tụ ở nồng độ th ấ p sa n g ch ấ t không hòa tan.
- T ách chiết du ng môi: Sử dụng các loại dung môi để tách chiết các
c h ấ t độc h ạ i khỏi nước th ải nguy hại.
1.2.3. Đốt rác
Đốt rá c là quá trình,òxy hoá ỏ n h iệ t độ cao m à các nguyên tố của các
c h ấ t hữ u cơ (carbon, hydro và oxy) chuyển sa n g C 0 2 và nưóc. Q uá trìn h
n à y thư ờ ng sử d ụ n g trong xử lý ch ấ t th ả i nguy hại. Có n hiều loại lò đốt

15


rác, n h ư n g n h iệ t độ lò ph ải đ ạ t trê n
sõ có nhiều ch ấ t nguy hại.

1.200°c, nếu

k hông tro n g k h í th ải

1.2.4. Oxy hoá không khí ướt
Oxy hoá không khí ướt n h ằ m oxy hoá ph a k h í của các v ậ t liệu hữu
cơ ở n h iệ t độ cao và áp s u ấ t cao. Đây là phương p h áp ch ủ yếu dể giữ
nưốc sa u khi đốt rác th ải ở trạ n g th á i lỏng. Nước dược bơm cù n g với oxy
dã được làm nóng từ ch ấ t th ải đầu ra đã nóng vào b ìn h p h ả n ứng. Q uá
trìn h này r ấ t tốt đối với ch ấ t thải không bị p h â n chia khi đôt và r ấ t độc
cho các quá trìn h xử lý b ằn g phương pháp sinh học. S ản p h ẩ m cuối cùng
thường là acid acetic và C 0 2. *
1.2.5. Kỹ thuật đóng rắn châ't thải
Q uá tr ìn h đóng r ắ n ch ất th ả i không đòi hỏi cấp n h iệ t theo chương
trìn h SITE (Superfund Innovative Technology solidification) b ằ n g cách
dóng gói c h ấ t th ả i bằn g c h ấ t th u ỷ tin h hoặc các v ậ t liệu đóng rắ n khác
như xi màng, d ấ t sét, đ ấ t đá,... x ử lý bằng phương p h á p n ày chủ yếu với
các c h ấ t th ả i đặc biệt nguy h ại nh ư ch ất th ả i phóng xạ, c h ấ t th ả i chứa
hoá ch ất độc hại nh ư hợp ch ấ t chứa arsen, chì,...
1.2.6. Các biện pháp xử lý sinh học
Xử lý sinh học ch ất th ải là sự lựa chọn hiện thực trong chiến lược xử
lý chất th ải và nước thải, ưu điếm là vì giá th à n h rẻ hơn các công nghẹ
khác, ví dụ như là đốt rác. Nhược điểm là quá trìn h thường thời gian xử lý
lâu. Cơ c h ế xử lý cũng khác n h a u mà chúng ta cần lựa chọn cho phù hợp
với từng loại chất ô nhiễm (hiếu khí hay kỵ khí) và h à n g loạt các thông sô"
cần th iế t khác m à chúng ta phải đề cập đến trong chuyên đề này.
Hệ thông xử lý phải phù hợp cho vi sinh v ậ t p h á t tr iể n ở dạng
huyền p h ù nh ư b ù n h o ạt tính, bể sục khí và p h â n h u ỷ kỵ k h í m à ở đó vi
sin h v ậ t p h á t triể n được. Q uá trìn h cô" định m àn g lọc sinh học bao gồm

cả m àng lọc và hệ thông lọc quay, m à ỏ đó vi sinh v ậ t có th ể p h á t triển
và bám vào bể m ặ t m àng lọc. Trong p h â n huỷ h iếu khí, giá th à n h chủ
yếu là cung cấp khí. C h ất th ả i b ấ t kỳ ở dạng nào: rắn , lỏng, khí, đều có
kh ả n ăn g xử lý b ằ n g biện p h áp sinh học. Có n h iều phương p h á p xử lý,
như xử lý dất, ủ ch ấ t thải, sử dụng cả phương p h áp xử lý khô và ướt
cùng m ột lúc, xử lý ch ấ t th ả i tại chỗ (in-situ), sử d ụ n g k h í gas lọc qua
đ ấ t và xử lý nước thải, x ử lý sinh học khó có th ể đ á n h giá chĩnh xác
được mức độ xử lý, bởi vì các loại thuốc trừ sâu và các c h ấ t h ữ u cơ khó

16


phân huỷ trong c h ấ t thải cũng có th ể ản h hưởng đến qu á trìn h xử lý, các
ch ít tr u n g gian độc có th ể h ìn h th à n h trong quá tr ìn h xử lý và làm cho
quá tr ìn h xử lý kôt thúc sớm hơn.
1.2.6.1. X ử lý đất

Xử ]ý đ ấ t là phương pháp sinh học đã được sử dụn g rộng rã i đê xử lý
chấl th ả i nguy hại. N hiều điểm xử lý ch ất th ả i công nghiệp áp dụng xử
lý sinh học tạ i các điểm che" biến dầu. Các bước của quá trìn h thường là:
trai c h ấ t th ả i lên đất, dể cho khô, sau đó lại trộn đ ấ t với ch ấ t thải, kiểm
tra dộ ẩm, nôu cần th iế t bổ sung thêm chất dinh dưỡng để làm sao cho
vi k h u ẩ n p h â n huỷ c h ấ t th ải p h á t triển.
T rong hệ thông xử lý đất, lớp đáy dưới vùn g xử lý cần q u an tâ m đến
mức dộ th ấ m của các ch ấ t độc hại. Các quá tr ìn h hoá, lý và sinh học
trong đ ấ t làm cho c h ấ t th ả i bị p h â n huỷ, cô" định lại hoặc chuyển hoá
th à n h d ạ n g môi trường chấp n h ậ n được. P h ầ n lớn các ch ấ t ô nhiễm giữ
và chuyến h o á ở lớp đâ't sâu 30 đến 60cm, n h ư n g ở các vùng xử lý cũng
có th ể chui xuống sâ u tới 2 - 3m.
Xử lý đ ấ t ph ù hợp với các loại ch ất th ải n h ư bùn th ả i chế biến dầu,

bùn creosote hoặc nước thải, bùn th ải từ n h à m áy gỗ, giấy hoặc dệt.
Phương p h á p này cũng được sử dụng để xử lý b ù n và nước th ải sinh
hoạt; bù n và nước th ả i của n h à máy chế biến thực phẩm . Các loại dầu,
kim loại và các cấu p h ầ n khác liên qu an đến môi trường cũng được kiểm
soát th à n h công b ằn g phương p háp xử lý này. H ầ u h ế t các điểm xử lý
đ ấ t được đ ặ t tại m ột p h â n xưởng của n h à máy. Giá th à n h xử lý bằng
phương p h á p này k h á rẻ tiền và có th ể phổ biến rộng rãi.
1.2.6. 2.

u rác

(composting)

Ú rá c thường sử dụng diện tích đ ấ t xử lý ít hơn xử lý đ ấ t và kiểm
soát được k h í th ả i và nước th ả i rỉ ra. Trong quá tr ìn h ủ, đông ủ có th ể
cao 1,5 đến 2,5m. Việc thông k h í vào đông ủ b ằng cách đảo trộn cơ học
hoặc b ằ n g h ệ thông cấp khí cưõng bức. Có th ể bổ su n g vỏ bào, m ạ t cưa
làm tă n g khả n ă n g thông khí. N hững v ậ t dụn g to n h ư gỗ, sau khi k ế t
thúc qu á tr ìn h ủ được sàn g ra để bổ su ng vào mẻ ủ sau.
ủ rác được sử dụng để xử lý ch ất th ả i nông nghiệp, b ù n th ả i nước
sinh hoạt, m ột sô' ch ấ t th ả i r ắ n công nghiệp n h ư b ù n đã sa u xử lý nước
th ả i công nghiệp, p h ế th ả i của công nghiệp thực p h ẩ m cũng n h ư m ột sô"
c h ấ t th ả i công nghiệp có h àm lượng ch ất độc h ạ i thấp.
Đ AI H Ọ C Q U Ố C G IA H A NCH
2-GTVSVXL CHẤT THẢl

TRUNG TẦ M THÕNG TIN THƯ VIỆN

17

1.2.6.3. Hệ thông x ử lý lỏng/rắn

Phương p h á p này là phương p háp tru n g gian giữa phư ơng p h á p xử
lý đ ấ t và hệ thông xử lý nước th ả i thông thường. C h ấ t th ả i k h ô ng ở
trạ n g th á i r ắ n n h ư xử lý đ ấ t m à cũng không ở tr ạ n g th á i lỏng n h ư xử lý
nước thải, m à bao gồm cả 2 phần. C h ất th ả i ở tr ạ n g th á i h u y ền phù,
nhão hoặc giống dạng bù n thải.
Mỗi hệ thống xử lý, đ ầu tiên giảm thiểu ch ấ t th ả i độc b ằ n g cách hòa
c h ấ t h ữ u cơ vào nước để vi sin h v ậ t phân huỷ san g tr ạ n g th á i ít độc hơn
và giải phóng sả n p h ẩ m khí vào không khí. Bước chìa k h o á của phương
này là hòa ch ấ t th ả i r ắ n th à n h c h ấ t th ải lỏng và k ế t q u ả d ặ t dược là
dưới tác động của vi sinh v ậ t hoặc phương pháp hoá lý, c h ấ l th ả i không
còn độc hại nữa.
1.2.6.4. Lọc sinh học đất

C h ấ t th ả i nguy hại ở trạ n g th á i khí sẽ được xử lý có h iệ u q u ả bằng
phương p h áp sin h học. T rên bề m ặ t v ật liệu lọc, c h ấ t th ả i sẽ dược làm
giảm m ùi hôi, hợp ch ấ t carbon bay hơi và các tiể u p h ầ n có trong khí
thải. Phương p h áp này thực hiện 2 cơ chế: lọc cơ học và xử lý c h ấ t thải
b ằng vi sin h v ậ t trê n các h ạ t đất.
Lọc sin h học bao gồm các m ạng lưới ống nhỏ p h ía dưới lớp đ ấ t hoặc
sỏi nhẹ. Khí th ải xử lý được bơm qua môi trường sỏi, đ ấ t và bám lại
trong th à n h ống. Nó đi qua môi trường đ ấ t dày 1,5 đến 5m. C h ấ t thải
giữ lại trê n p hin lọc có th ể loại bỏ b ằn g cách lọc, hấp th ụ hoá lý, oxy hoá
hoặc làm th a y đổi cấu trúc của ch ất thải.
Kỹ t h u ậ t n ày không mới, lọc sinh học đã được áp d ụ n g từ lâu để khử
mùi sinh ra trong quá trìn h sản x u ấ t và ch ế biến lương thực, thực phẩm ,
các n h à m áy giấy và hoá chất. M àng lọc đ ấ t sẽ loại bỏ có hiệu quả các
loại khí n h ư H 2S, S 0 2, N H 3 và N 0 2 ở nồng độ th ấ p cũng n h ư các tiểu

p h ầ n của k h í này. Phương pháp này ứng dụng tố t cho việc k h ử khí th ải
của n h iề u lĩn h vực sả n x u ấ t công nghiệp.
1.3. XỬ LÝ NƯỚC THẢI
Xử lý sin h học đã ứng dựng th à n h công trong việc loại bỏ ch ất thải
hữ u cơ và các ch ấ t h ữ u cơ dạng keo. Các phương p h áp bù n h o ạ t tính, lọc
sinh học, ao hồ th o á n g khí, bể oxy hoá và lên m en hiếu k h í là một sô"
phương pháp cơ b ả n đế xử lý sin h học nước th ả i được th ả o luận trong
chuyên đề này. Việc loại bỏ các ch ấ t độc hại cần được q u a n tâm , bởi vì vi
sinh v ậ t có th ê bị p h á huỷ nếu c h ấ t độc h ại vượt quá mức m à chúng có
thế chịu được.

18


P hân huý sinh học là khả n ăng của vi sinh v ậ t trao dổi các ch ấ t hữu
cờ b an g hệ thông enzym của chúng đến COv, nưốc và n ă n g lượng. N ăng
lượng dược sử dụ ng để tổng hợp các chất, để chuyển động và hô hấp. Từ
ch ấ t th ả i h ữ u cơ dược thu ỷ p h â n để tạo th à n h sinh khôi vi sinh v ật mới,
các: c h ấ t tích luỹ khác không chuyển hoá được sẽ lắng theo cùng sinh
khôi vi sin h v ậ t qua bể lắng. Tuy nhiên phân huỷ sinh học không thể
dạt dược 10 0 %, các sả n p hẩm tạo th à n h nhiều sẽ gây độc cho vi sinh vật,
cho nên cần xử lý tiếp b ằn g phương p háp hoá học, hoặc p h a loãng đốn
nồng độ cần th iế t cho vi sinh v ậ t có th ể p h á t triển được.
Nitơ và phospho cũng nh ư các ch ất vô cơ khác là cần th iế t cho việc
hìn h th à n h t ế bào vi sinh vật mới. Nguồn nitơ bổ su n g vào môi trường
din h dưỡng thư ờ ng ở dạn g amoni.
BOD (nh u cầu oxy sinh hoá) là chỉ sô" đo nồng dộ các ch ấ t hữu cơ có
trong môi trường và để xác định tổng sô" lượng oxy cần th iế t cho vi sinh
v ậ t oxy hoá các c h ấ t hữ u cơ. Thường nồng độ các c h ấ t h ữ u cơ có trong
môi trư ờng cao hơn chỉ sô" BOD. Tỷ lệ BOD : N : p là 100 : 5 : 1 là chỉ sô"

c h ấ t d in h dưỡng tối ưu cần th iế t cho vi k h u ẩ n p h á t triển.
1.3.1. Quá trình bùn hoạt tính
Q uá tr ìn h này bao gồm sự tă n g sinh khôi của vi sin h v ậ t h u y ền phù
trong nồi p h ả n ứng và p h â n huỷ các ch ấ t hữu cơ hòa tan . Nước th ải được
cấp k h ô ng k h í vào trong ae ro ta n k (bể sục khí) và việc cấp k h í sao cho vi
sinh v ậ t và c h ấ t th ả i trong môi trường nước được tiếp xúc tối đa. H àm
lượng c h ủ yếu là chỉ sô" MLSS (chất rắ n huyền p h ù hỗn hợp trong nước)
được đ ư a vào bể lắng và lắng xuống đáy, sa u khi gạn nước ph ía trên,
m ột p h ầ n b ù n h o ạt tín h dưới đáy bể được bổ sung lại bế sục.
1.3.2. Quá trình lọc chậm
Nước th ả i được p h ân bổ theo dòng vào v ậ t liệu lọc m à ở đó vi sinh
v ậ t đã p h á t triể n th à n h m àng và được cấp oxy. Dòng nưốc th ả i di xuống,
các c h ấ t h ữ u cơ và c h ấ t dinh dưỡng được h ấp th ụ lên bề m ặ t m àng vi
sin h v ậ t và sả n p h ẩ m cuôi được th o á t ra theo hệ thông th u nước. Tuy
nhiôn m à n g sinh học sẽ trôi theo nước thải, sau đó cần p h â n tách chúng
ra khỏi môi trư ờn g nước.
1.3.3. Ao hổ ổn định
T ron g q u á tr ĩn h này, nước th ả i được được xử lý dưới tác động của vi
sin h v ật tro n g bế hoặc ao hồ. Thường có 2 loại ao hồ: th ứ n h ấ t là cấp oxy
tự n h iê n b ằ n g q uá trìn h quang hợp của tảo (bể oxy hoá) và th ứ hai là

19


cấp oxy b ằn g thổi kh í hoặc k h u ấ y nước (ao th oáng khí). Vi sin h vật
chuyển hoá các c h ấ t th ả i và ch ất rắ n sẽ lắng xuống đáy hồ tạo th à n h
bùn. Tuy nhiên, v ẫn có quá tr ìn h kỵ k h í dưới đáy hồ p h â n h u ỷ c h ấ t thải
không cần oxy. Cũng có th ể cả 2 quá trìn h p h â n h u ỷ hiếu k h í và ky khí
diễn ra trong hồ, với sự th a y đổi sản p hẩm giữa 2 lốp vi sin h v ậ t trong
môì q u a n hệ cộng sinh (xem mục 6.5).

1.4. KHẢ NĂNG PHÂN HUỶ SINH HỌC
T h u ậ t ngữ “k h ả n ă n g p h â n h u ỷ sinh học” được hiểu là k h ả năng
p h ân huỷ của c h ấ t th ả i trong hệ thông sinh học bao gồm các chất: Dê
p h ân huỷ, bền vững, khó p h â n huỷ và khoáng hoá. T h u ậ t ngữ này có ý
nghĩa q u a n trọng n h ấ t trong kiểm soát môi trưòng.
- Dễ p h â n huỷ: các ch ấ t dễ th ay đổi từ tr ạ n g th á i n à y s a n g trạ n g
th á i khác dưới tác động của vi sinh vật, ph ụ thuộc vào pH và th à n h
p h ầ n môi trường.
—Bền vững: các ch ấ t không th ể bị ph ân huỷ.
—Khó p h â n huỷ: các c h ấ t phụ thuộc vào điều kiện mới bị p h â n huỷ
bởi vi sin h vật.
- K hoáng hoá là các ch ất hữ u cơ bị p h â n h u ỷ h oàn to àn đôn sản
p h ẩm cuối cùng là C 0 2 và nước.
1.4.1. Cơ sở cho sự phân huỷ
Một vài hợp c h ấ t bị p h â n huỷ do vi sinh v ậ t là do cơ th ể vi sinh vật
cần n ă n g lượng để sin h trưởng, tái sinh và các chức n ă n g sin h học khác
để duy trì sự sông. Nguồn thức ăn chứa oxy trong các n h óm OH và
COOH. P h ả n ứ n g oxy hoá là ở chỗ điện tử được tru y ề n q u a chuỗi điện tử
đến ch ấ t n h ậ n điện tử. Coenzym ở dạng NADH và NAD bị khử, đôi điện
tử tru y ền qua chuỗi để sả n x u ấ t liên kết cao n ă n g ATP n h ằ m duy trì sự
sông của t ế bào vi sin h vật.
Vi sinh v ậ t chỉ có th ể thực hiện n hữ n g h o ạ t động m à ch ú n g có tiềm
n ăn g di tru yển. C h ún g sản sinh các enzym để duy trì sự sông của chúng,
do đó môi trư ờng sống đã tạo cho vi sinh v ậ t sả n sin h enzym đó. Các
ch ất có trong môi trường với nồng độ quá th ấ p hoặc quá cao, th ì ch ất đó
cũng k hông bị p h â n huỷ, bởi vì quá th ấ p sẽ k hông điều k h iển sinh
enzym và cao quá th ì chính ch ấ t đó dã gây độc cho vi sin h v ật. Do vậy,
n ếu vi sin h v ậ t không trao đổi ch ấ t thì nó sẽ chết. N ếu nó sử dụng
n h ữ n g cơ ch ấ t k hác n h a u là điều may m ắn và được gọi b ằ n g th u ậ t ngữ
trao đổi c h ấ t k‘vô cớ”. N ếu quá trìn h p h â n huỷ sin h học q u á phức tạp còn

20


được gọi là “trao dối ch ấ t phức tạ p ” (cometabolism), ở đó hai cơ ch ấ t đều
cần Lhiôt, có n g h ĩa là một ch ấ t không đáp ứng được sự cần th iế t của vi
sin h v ậ t h o ạ t động n h ư là nguồn carbon và n àn g lượng cần thiết.
Vi sinh vật cần nguồn carbon để sinh trưởng, còn nếu bổ sung nguồn
có c h ấ t nhiều quá, vi sin h v ậ t không có khả n ă n g trao đôi các c h ấ t này.
C h ú n g cần thời gian “thích nghi”, mà ở đó chúng p h á t triến , vững m ạn h
và th ậ m chí có th ể th a y đối cả bản ch ấ t di truyền. N ếu ch ấ t tru n g gian
gây dộc, vi sin h v ậ t có th ê bị giết chết hoặc h ìn h th à n h ch ủn g mới có
k h ả n ăng ph ân giải chúng hoặc làm hỏng hệ thông. C hính vì vậy, vi sinh
v ậ t thư ờ ng làm việc bơi tậ p đoàn chủng đổ kh o án g hoá hoàn toàn các
c h ấ t tro n g môi trường mà chỉ một chủng không có k h ả n ăn g di tru yền
cần Lhiôt.
Còn m ột k h ía cạn h ít thấy là vi sinh v ật có k h ả n ă n g p h â n huỷ các
c h ấ t n h ư thuốc tr ừ sâu, ch ất này bị p h â n huỷ n h a n h trước khi vi sinh
v ậ t bị tác dộng. H iện tượng này được gọi là “sự p h â n huỷ thuốc sâu
n h a n h n h ạ y ”. Sự tiến hoá x u ấ t hiện là yếu tô" ở đây có n h ữ n g vi sin h v ật
sử d ụ n g thuốc tr ừ sâu làm nguồn dinh dưõng bởi sự tiến hoá của các
enzym dặc hiộu. N hiều loại vi sinh v ật có th ể cùng tồn tại trong cộng
đồng đô chuyến hoá thuốc trừ sâ u làm nguồn dinh dưỡng cho bản th â n
vi sinh vật. Cách xác định hoạt tín h enzym đặc hiệu của vi sin h v ậ t là
k h ả n ă n g chuyên hoá cơ c h ấ t là thuốc trừ sâu nào đó được chỉ ra khả
n ă n g thích nghi chéo của vi sinh v ậ t đôi với sự p h â n h u ỷ các hdp chất
thuôc tr ừ sâ u tro n g môi trường đ ấ t m à chúng tồn tại được (hĩnh 1 .6).

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

21


1.4.2. Các phản ứng trao đối c h ấ t trong xử lý sinh học
Các p h ả n ứng trao đổi c h ấ t bởi vi sinh v ậ t tiêu biểu và q u a n trọng
trong xử lý sinh học được trìn h bày tóm tắ t n h ư sau:
a) C á c p h ả n ứ n g k ỵ k h í (vi sinh v ậ t kỵ khí)
—K hử n itr a t (p hản n itr a t hoá):
5 CH 5COOH + 8 NO 3-

--------------> 1 0 CO 2 + 6 N 2 + 8 0 H -

5S + 6 N O 3- + H 20

---------------- > 5 S 0 42- + 3N 2 + 4 H +

—K hử sulfat:
22 CH 3CH O H CO O H + S 0 4*

4H , + SO.,2-

---------

■>

* 2 CH 3COOH + HvS + 2 0 H
H 20 + H 2S + 20 H

- K hử carbon h ữ u cơ (lên men):
>

-

CHsCOOH

C H 4Y + C 0 2

4 C IỈ 3OH

--------

CgH 12Og

- - - khuÃn— >

_

Nấm men

„

c 6h 12o 6

3CH 4 + C 0 2 + H ,0

»

3 CH 3COOH

2C H 3CH2COOH + 2 C 0 2

>

- Khử carbon dioxid ( C 0 2):

2CH 3 c h 2c o o h + c o 2 —

2 C H 3COOH + CH,

4H , + 2COa

CH 3COOH + 2H 20

—

b) C á c p h ả n ứ n g h iế u k h í (vi sinh v ậ t hiếu khí)
- P h ả n ứng giới h ạ n oxy:
CH 3CH 2OH + 0 2
2 CH 3C H O +

02

2 C H 3C H O H C H 3 + 0 2

-------------

C H 3COOH + h 20
4 C H 3COOH
2 C H 3COOH + h 20

- Oxy hoá h oàn toàn:
CH 3COOH + 2 0 2

2 C 0 2 + 2H20

2Ha + 0 2

2H20

- N itr a t hoá:
2NH3 + 30,

■> 2N0.2- + 2H + + 2H 20

2N C V + O,
- Oxy hoá lưu huỳnh:
2H 2S + 0 2

22

2S + H 90 + 3 0 2

2 S 0 4: + 4H+

s , 0 32- + H 20 + 2 0 2

S04

+ 2H+

- Cô dịnh nitơ:
N.,

--------------»

Nitơ hữu cơ

c) C á c p h ả n ứ n g q u a n g h ơ p (tảo hoặc vi sinh v ậ t chứa sắc tố)
<•(). + 2H,S
+ 2 S + 5 H 20

co,

+

21-1,0

4“

*

Ánh sà"s
Á —

s ú n s ' —

(CH 20 ) + H 20 + 2S
3(CH 20 ) + 4H + + 2SO.f(CH 20 ) + H 20 + 0 2

9 C H ,C 0 0 H

Ạnhsúnv

2 C 0 2 + 4(C,H (i0 , ) + 6 H 20

CO, + 2 H ,

Ánhsáng

(C H ,0) + H 20

2 C H 3COOII + H,

Ánh sáng

(C4H 60 2) + 2H 20

ÔN TẬP CHƯƠNG 1
1. Môi trường là gì? Đ ịnh nghĩa môi trường theo nghĩa rộng và nghĩa hẹp.
2. Công nghộ vi sin h vật là gì? Mổì liên quan giữa công nghệ vi sinh vật,
công nghộ vi sin h v ậ t môi trường và công nghệ sin h học?
3. Vì sao nói: “T ín h đặc trư n g của các quá trìn h trao đổi c h ấ t ở vi sinh
v ậ t là k h ả n ă n g p h â n huỷ vật ch ấ t của q u ầ n th ể vi sin h v ậ t n h ằm
quay vòng các c h ấ t thải có trong tự nh iên ”.
4. C h ấ t th ả i và nước thải là gì? Để kiểm soát nước thải, c h ấ t th ả i người
ta cầ n ph ải là m gì?
5. Hãy tr ìn h bày m ột sô" phương pháp cơ bản xử lý c h ấ t thải, nước thải.
Vì sao người ta q u an tâ m nhiều đến biện p h áp xử lý ch ấ t th ải bằng
biện p h á p sin h học?

6 . T h u ậ t ngữ “k h ả n àng phân huỷ sinh học” được hiểu là gì? Vì sao th u ậ t

ngữ này có ý nghĩa quan trọng n h ấ t trong kiểm soát môi trường?
7. Tại sao nói cơ sớ của sự p h â n huỷ sinh học là dựa trê n các p h ả n ứng
tra o đổi c h ấ t của vi sinh v ậ t trong xử lý c h ấ t thải, nước th ải bằng
biện p h áp sin h học?
8 . Vì sao p h ả i tá ch c h ấ t r ắ n khỏi môi trường nước thải? Điểm qua các

phương p h áp chính.

23


Chương 2

C ơ SỞ SIINH HỌC - SINH THÁI HỌC
TRONG XỬ LÝ CHẤT THẢI BẢO VỆ MÒI TRƯỜNG
2.1. PHẢN HUỶ VI SINH VẬT - cơ sở CỦA SINH THÁI HỌC VÀ QUÁ
TRỈNH TRAO Đổl CHẤT TRONG SINH GIỚI
Công nghệ sin h học tru y ề n thông thường sử dụ ng các c h ủ n g vi sinh
v ậ t th u ầ n k h iế t đã được chọn lọc và tối ưu điều kiện lên m en để tổng
hợp các sả n p h ẩ m đặc hiệu. Môi trường lên men thường giới h ạ n ở các
th à n h p h ầ n đã biết làm nguồn n ăn g lượng và nguồn dinh dưõng. Vi sinh
v ậ t học là m ột n g àn h khoa học chỉ quan tâm ng hiên cứu: sin h trưởng,
p h á t triển, sinh khôi và các sản p h ẩm liên qu an đôn điểu kiộn nuôi cấy
các chủng sả n x u ấ t th u ầ n k h iế t trong môi trường dinh dưỡng xác định.
N hững công nghệ p h â n huỷ các ch ấ t bằn g vi sinh v ậ t thư ờ n g là dựa
trê n cơ sở loại bỏ hỗn hợp nhiểu c h ấ t có trong ch ấ t th ải và tá i sử dụng
chúng. Nồng độ của các c h ấ t hòa ta n thường là th ấp, các c h ấ t k h ô n g hòa
ta n là hựp c h ấ t cao p h â n tử và p h â n huỷ kém. Do vậy, xử ]ý môi trường

hỗn hợp n h iều c h ấ t ô nhiễm bằng cách sử dụng n hiều ch ủ n g vi sin h sẽ
tă n g cường k h ả n ă n g p h ân huỷ các chất', giảm thòi gian p h â n h u ỷ dẫn
đến giảm giá th à n h sản phẩm . Hy vọng nước th ả i và môi trư ờ n g nước
trong tương lai gần sẽ được q u an tâ m nghiên cứu n h iều hơn, từ đó sỗ
bảo vệ môi trường sông tốt hơn.
Việc tìm hiểu tín h đa dạng vi sinh v ậ t th a m gia vào qu á tr ìn h p hân
huỷ các c h ấ t tro n g hệ sinh th á i đ ấ t và nước là cần thiết. Các n guyên lý
sinh th á i học trong p h â n huỷ các c h ấ t trong việc xử lý c h ấ t th ả i dã dược
các n h à khoa học tìm ra và đề cập n h iều trong các công tr ìn h n g hiên cứu
của mình.
Theo q u a n điểm sinh th ái học, các ch ấ t p h â n h u ỷ nhờ vi sin h vật
cần được q u a n tâ m nghiên cứu, bởi vì p h ận huỷ sinh học tro n g điều kiện
không k h í mở sẽ có hệ sin h th á i vi sinh v ậ t đặc th ù (điều k iện lý học và
hoá học) của mỗi sinh cảnh (biotope).
Mỗi hệ sin h th á i được quy định bởi các điều kiện lý học, hoá học, vị
trí địa lý và thực t ế địa ch ấ t của nó. N hũ ng yếu tô" th iế t yếu là nước (hay
độ ẩm), n h iệ t độ, á n h sáng, k h ả n ă n g cung cấp oxy, các c h ấ t d in h dưỡng,
pH và k h ả n ă n g k h u ấ y trộ n cơ học. Các loại sinh v ậ t tồn tại, p h á t triển

24