Tài liệu Chương 9: Các ứng dụng trong môi trường docx

Nhập môn Công nghệ sinh học
302
Chương 9

Các ứng dụng trong môi trường

I. Mở đầu
Như chúng ta biết, môi trường sống hiện đang bị ô nhiễm trầm trọng,
giải quyết nạn chất thải vẫn là vấn đề hết sức nan giải, đặc biệt là chất thải
công nghiệp ảnh hưởng rất lớn đến môi sinh. Ngoài ra, một khối lượng lớn
chất thải dân dụng, rác thành phố, phế phẩm nông nghiệp... cũng đã và đang
gây ô nhiễm nặng nề môi trường sống. Dân số của thế giới lại không ngừng
tăng, nhu cầu tiêu thụ hàng hóa càng lớn, khối lượng hàng hóa phải sản xuất
ra ngày càng nhiều, vì thế lượng rác do sản xuất và tiêu thụ thải vào môi
trường là không nhỏ.
Cùng với sự phát triển của khoa học-kỹ thuật, loài người đang phải bắt
đầu tìm cách giải quyết vấn đề bảo vệ môi trường bằng nhiều biện pháp
khác nhau. Trong đó, các biện pháp công nghệ sinh học ngày càng tỏ ra ưu
việt hơn so với các biện pháp khác. Nói chung, hiện nay vấn đề bảo vệ môi
trường được giải quyết theo ba hướng sau: 1) Phân hủy các độc chất vô cơ
và hữu cơ; 2) Phục hồi các chu trình trao đổi chất của C, N, P và S trong tự
nhiên; 3) Thu nhận các sản phẩm có giá trị ở dạng nhiên liệu hoặc các hợp
chất hữu cơ.
Hiện tại có hai vấn đề cơ bản được đặt ra: 1) Giải quyết tiêu hủy một
khối lượng khổng lồ các loại chất thải ngày càng nhiều mà không ảnh hưởng
đến môi trường. 2) Vô hiệu hóa các loại chất độc sinh ra trong quá trình
phân hủy các loại chất thải công nghiệp, đã gây ô nhiễm nghiêm trọng đất,
nước, không khí, và gây nguy hiểm đến sức khỏe con người và động vật.
Với sự phát triển của công nghệ sinh học nói chung và công nghệ
DNA tái tổ hợp nói riêng, việc nghiên cứu và ứng dụng thành tựu công nghệ
sinh học để giải quyết vấn đề môi trường được đặt ra cấp bách và thực sự

đang được ứng dụng ngày càng rộng rãi.

II. Xử lý nước thải
Cho đến nay, các chất thải trong hoạt động sống của con người đều
được xử lý một cách tự nhiên nhờ vi sinh vật. Nhìn chung, quá trình này bao
Nhập môn Công nghệ sinh học
303
gồm một số giai đoạn sau: 1) Loại bỏ phần rắn, tủa và cặn. 2) Phân hủy các
chất hữu cơ tan trong nước nhờ vi khuẩn hiếu khí để tạo ra bùn non (còn gọi
là bùn hoạt tính), bùn non sau đó bị loại bỏ hoặc được đưa vào bể phản ứng
để tái sử dụng. 3) Tạo tủa và tách P và N (giai đoạn này có khi không cần
thiết). 4) Xử lý bùn tạo ra ở giai đoạn 1 và 2 bằng phân hủy yếm khí. Quá
trình này làm giảm thể tích cặn, số lượng vi sinh vật gây bệnh, làm mất mùi
hôi và tạo ra nhiên liệu sinh học chứa khí methane, còn gọi là biogas.

1. Xử lý hiếu khí bằng hệ thống bùn hoạt tính
Công nghệ xử lý chất thải bằng bùn hoạt tính có công suất lớn hơn
nhiều so với xử lý bằng bộ lọc thấm. Tuy nhiên, nó cũng có một số nhược
điểm sau: do cường độ sử dụng lớn hơn, nên mức tiêu thụ năng lượng để
khuấy trộn không khí cũng như số lượng sinh khối được tạo ra lớn hơn
(Bảng 9.1). Công nghệ này thích hợp để xử lý nước thải cho các điểm dân
cư đông đúc, vì nó chiếm ít diện ích hơn so với hệ thống xử lý theo công
nghệ lọc thấm.
Bảng 9.1. So sánh các quá trình xử lý nước thải khác nhau

Xử lý hiếu khí Xử lý yếm khí
Bùn hoạt tính MBR UASB
BOD còn lại Thấp Rất thấp Cao
N và P còn lại Thấp Thấp Cao
Sản xuất bùn Cao Rất thấp Rất thấp

Năng lượng Cao Cao Thấp
Diện tích đáy Lớn Rất nhỏ Rất nhỏ
Độ tin cậy Phần lớn là bùn Thô Nổi hạt nhỏ
Chú thích:
MBR: bể phản ứng sinh học màng (membrane bioreactor)
UASB: bể phản ứng kiểu lớp phủ bùn thải yếm khí chảy lên (upflow
anaerobic sludge blanket reactor).
Nhập môn Công nghệ sinh học
304
Thực tế có khá nhiều hệ thống xử lý theo công nghệ này. Thiết kế của
chúng khác nhau tùy thuộc vào hệ số thông khí và cách thức cung cấp khí
(Hình 9.1). Bùn non trong hệ thống xử lý này chứa nhiều nước hơn so với
bùn non trong bộ lọc thấm, vì vậy chứa ít chủng loại vi sinh vật hơn. Để quá
trình xử lý đạt kết quả, việc xác định thành phần và nồng độ các chất trong
nước thải là vấn đề quan trọng bậc nhất nhằm tạo điều kiện cho nhiều nhóm
vi sinh vật tham gia quá trình xử lý. Các vi sinh vật quan trọng nhất là nhóm
vi khuẩn tự dưỡng chất hữu cơ như: Achromobacter, Flavobacterium,
Pseudomonas và Moraxella. Trường hợp nước thải có hàm lượng chất vô cơ
cao, thì cần sự có mặt các loại vi khuẩn như: Thiobacillus, Nitrosomonas,
Nitrobacter và Ferrobacillus, chịu trách nhiệm oxy hóa S, NH
3
và Fe.

Hình 9.1. Sơ đồ dòng chảy của bùn hoạt tính với sự loại bỏ N sinh học

2. Xử lý yếm khí
Trong quá trình xử lý yếm khí chất thải (lên men tạo khí methane) có
ba nhóm vi khuẩn tham gia: 1) Nhóm vi khuẩn chịu trách nhiệm thủy phân
và lên men. 2) Nhóm vi khuẩn tạo H
2
và acetic acid. 3) Nhóm vi khuẩn tạo
khí methane tự dưỡng sử dụng H
2
. Để nâng cao hiệu suất của quá trình lên
men, hiện nay người ta vẫn tiếp tục hoàn thiện các loại giống, chủng vi
khuẩn lên men yếm khí bằng biện pháp chọn lọc tự nhiên hoặc nhờ phương
pháp công nghệ DNA tái tổ hợp. Đặc biệt, về mặt công nghệ người ta cần
phải chú ý khắc phục các yếu tố giới hạn tốc độ phân hủy cơ chất có mặt
trong chất thải như cellulose, tinh bột... và tốc độ tạo khí methane. Cần lưu ý
Chất
lỏng
Bùn thải
Thu hồi nitrate
Thu hồi bùn
Không khí
Bể lắng Bể hiếu khí
Bể thiếu oxygen
Nước thải
Nhập môn Công nghệ sinh học
305
một số sản phẩm cuối của quá trình lên men như H

2
, CO
2
và H
2
S

thường có
tác động ức chế ngược làm giảm hoạt động của vi khuẩn tạo khí methane.
Trong thực tế có rất nhiều kiểu thiết bị lên men yếm khí. Từ những
dạng cấu tạo đơn giản hoàn toàn thủ công, cho đến các hệ thống xử lý có
cấu tạo khá phức tạp hiện đang hoạt động ở một số nước phát triển. Dưới
đây là kiểu thiết bị lên men yếm khí tương đối điển hình và đang được sử
dụng khá rộng rãi (Hình 9.2).













Hình 9.2. Sơ đồ của bể phản ứng UASB

3. Thu hồi nước (water recycling)

Hiện nay, trên thế giới vấn đề thiếu nước ngày càng trở nên trầm
trọng, do đó việc sử dụng lại nước thải sau khi được xử lý sẽ là một hướng
ưu tiên trong các thập kỷ tới.
Ở các nước thuộc thế giới ba việc sử dụng nước thải thô của chăn nuôi
để tưới trực tiếp cho cây trồng lương thực khá phổ biến. Một hệ thống vòng
khép kín như thế có khả năng gây nhiễm bẩn rất lớn các cây trồng lương
thực với các virus gây bệnh hoặc prion. Đây cũng là một thách thức lớn
trong việc thực hiện các công trình có giá trị kinh tế nhằm sản xuất nước
tưới an toàn vệ sinh mà không loại bỏ các chất có thể sử dụng làm phân bón
Lớp bùn yếm khí
(vùng phân cắt)
Chất lỏng chảy vào
Chất lỏng chảy ra
Biogas
Nhập môn Công nghệ sinh học
306
như là N và P. Trong trường hợp này, sự phân hủy yếm khí là rất có triển
vọng.
Một hoạt động sử dụng nước rất nhiều nữa là sản xuất công nghiệp,
chẳng hạn công nghiệp thực phẩm, kim loại, dệt và giấy. Hiện nay, các hoạt
động sản xuất này đang phát triển các hệ thống xử lý mới cho phép thu hồi
nước thải của họ trong một hệ thống vòng kép kín. Đặc trưng, là một hệ
thống các quy trình sản xuất nước chất lượng cao từ nước thải của quá trình
sản xuất. Quy trình này thường phối hợp các xử lý sinh học ở giai đoạn đầu
và các xử lý hóa-lý ở bước cuối cùng. Ví dụ: nhà máy sản xuất chip khoai
tây sử dụng một chuỗi các quá trình bao gồm xử lý hiếu khí và yếm khí, lọc,
khử trùng bằng khí ozone và thẩm thấu ngược. Một hệ thống xử lý phức tạp
như thế cần thiết được thực hiện để loại bỏ hoàn toàn các carbohydrate,
thuốc diệt cỏ và vi sinh vật.
Thực tế cho thấy, để sản xuất một tấn thép người ta cần 280 tấn nước.

Trong trường hợp này, những cố gắng thu hồi nước từ các lò luyện than cốc
thông qua xử lý bùn hoạt tính đã bị đe dọa bởi sự nhiễm độc bùn thải nhanh
khi hơn 50% nước xử lý đã được tái sử dụng. Nguyên nhân do sự tích lũy
các hợp chất hữu cơ độc tính cao, vì vậy nó cũng chỉ ra sự cần thiết phải
nghiên cứu cẩn thận về các hợp chất hữu cơ còn thừa và thậm chí các sản
phẩm vi sinh vật đã làm tăng quá trình chuyển hóa không hoàn toàn. Nhiều
thiết bị xử lý ướt nguyên liệu dệt hiện nay đang nâng cấp các hệ thống xử lý
nước thải của nó để thu hồi nước. Do thành phần hóa học của các chất thải
lỏng thay đổi rất lớn (tùy thuộc vào loại vải và thuốc nhuộm đang được xử
lý), cho nên ít có hai nhà máy dệt cùng áp dụng một phương thức để xử lý
nước thải của họ (Hình 9.3).

III. Phân hủy bùn hữu cơ
Sản xuất các loại bùn hữu cơ, chẳng hạn như bùn thải hoặc phân động
vật, đang tăng lên ở nhiều nơi trên thế giới và chúng thường được sử dụng
một cách tùy tiện, ví dụ như các ứng dụng của chúng lên đất nông nghiệp.
Vì thế, hiện nay số lượng các nước có lệnh cấm sử dụng tùy tiện đang tăng
lên do sự ô nhiễm của nước ngầm. Các quá trình xử lý thân thiện với môi
trường hơn cho các loại bùn hữu cơ lại có giá thành cao và/hoặc hiệu quả
kém.

Nhập môn Công nghệ sinh học
307

Hình 9.3. Sơ đồ dòng chảy xử lý trong công nghiệp dệt. Nước sau khi xử lý
được dùng để rửa, tẩy sạch, tẩy trắng, nhuộm và in. Xử lý sinh học kết hợp với xử
lý hóa-lý để đạt được sự tinh sạch cần thiết.

Quá trình xử lý cho hiệu quả tốt đối với các bùn thải và phân động vật
là sự phân hủy yếm khí trong các bể phản ứng được trộn đều (completely-
mixed reactor). Trong suốt quá trình này, khoảng 50% chất rắn được biến
đổi thành biogas, trong khi phần còn lại hầu như được ổn định. Sản lượng
biogas của các chất phân hủy yếm khí có thể được tăng lên bằng cách đồng
phân hủy (co-digesting) phân động vật hoặc bùn thải với 10-20% các chất
thải rắn từ công nghiệp thực phẩm và nông nghiệp, ví dụ: chất thải của lò
mổ gia súc, dược phẩm, nhà bếp, chất thải lên men hoặc chất thải đô thị.

Bùn hoạt tính
Làm đông/kết bông
Lọc cát
Hệ lọc sinh học
bằng carbon hoạt

tính dạng hạt

Nước xử lý sạch

Nước thải
Nhập môn Công nghệ sinh học
308
Các bể phản ứng được trộn đều để xử lý các bùn thải hữu cơ có tốc độ
nạp thấp, khoảng từ 2-5 kg chất hữu cơ/m
3
bể phản ứng trong một ngày, do
các chất hữu cơ dạng hạt phải được hòa tan trước khi chúng có thể thực hiện
biến đổi yếm khí (Bảng 9.2). Tốc độ hòa tan các chất thải hữu cơ có thể khá
thấp, chẳng hạn cần phải mất 15 ngày mới thủy phân được 90%. Vì thế, cần
duy trì thời gian ít nhất là 20 ngày, có khi lên tới 60 ngày hoặc lâu hơn.

Bảng 9.2. Các thông số thiết kế cho các loại bể phản ứng yếm khí


Bể phản
ứng
UASB
Bể phản
ứng được
trộn đều
Bể phản
ứng trạng
thái rắn
Chất lỏng được xử lý Nước thải Bùn hữu
cơ

Các chất
thải rắn
Nồng độ chất rắn trong bể phản ứng
(g/L)
< 50 50-100 200-400
Tốc độ nạp (kg chất hữu cơ/m
3
ngày) 10-30 2-5 20-40
Thời gian giữ nước (ngày) 0,3-1 20-40 10-20
Thời gian giữ chất rắn (ngày) >20 20-40 10-20

Thực hiện sự phân hủy ở các mức nhiệt độ cao cũng có thể cải thiện
được hiệu suất do tốc độ thủy phân của các chất dạng hạt tăng lên cùng
với việc tăng nhiệt độ. Nhờ hiểu biết đầy đủ về quá trình phân hủy ưa
nhiệt người ta đã xây dựng được một số hệ phân hủy ưa nhiệt quy mô lớn
để xử lý phân bón đồng ruộng. Khi thực hiện ở nhiệt độ cao, các bể phản
ứng này cho phép thu được chất lỏng không có tác nhân gây bệnh, không
giống như trường hợp phân hủy ưa nhiệt trung bình, thường thất bại do
còn lại các tác nhân gây bệnh có nguồn gốc từ phân. Trước đây, một số
hạn chế đã làm cho sự phân hủy ưa nhiệt khó trở thành thông dụng, ví dụ
các khó khăn của sự khởi động và độ nhạy đối với một vài nhân tố stress
nào đó như NH
3
và H
2
S. Đất sét bentonite có thể được dùng để loại bỏ sự
Nhập môn Công nghệ sinh học
309
ức chế NH
3

. Mặt khác, H
2
S có thể bị phá hủy bằng cách đưa vào các chất
nhận điện tử, ví dụ oxygen hoặc nitrate trong bể phản ứng.
Phương pháp kết tủa thông qua điều chỉnh pH bằng vôi là giải pháp
hữu hiệu vì độ pH cao cũng có thể giúp loại bỏ ammonium. Phương pháp
này cũng có thể được phối hợp với việc bổ sung muối nhôm hoặc muối sắt,
tốt nhất là từ một nguồn rẻ tiền như loại nước thải giàu nhôm/sắt từ các thiết
bị sản xuất nước uống. Vẫn còn một phương pháp nữa để tối ưu các điều
kiện kết tủa MgNH
4
PO
4
đó là thông qua làm lạnh và tách CO
2
.
Các công nghệ hiện nay như ổn định yếm khí hoặc hiếu khí, nghiền
đất (land disposal) và đốt các bùn thải hữu cơ cung cấp các phương thức làm
mất nước (làm khô) bùn thải từ 2-5% tới 25-40% chất khô có thể được phát
triển rẻ tiền và hiệu quả hơn. Thách thức chính đối với công nghệ sinh học
môi trường là phát triển các enzyme, các sản phẩm và phương thức xử lý
cho phép làm mất nước của sinh khối vi sinh vật (bùn dư) tới mức thích
hợp. Các phát triển mới đang được ứng dụng thương mại dựa vào sự sinh
nhiệt trong quá trình hậu xử lý hiếu khí để bốc hơi lượng nước thừa. Quá
trình “làm khô sinh học này” đòi hỏi ít năng lượng hơn các kỹ thuật làm khô
bằng nhiệt. Tuy nhiên, còn một khó khăn rất nhạy cảm đó là sự sinh ra mùi
thối đã làm ngừng hoạt động của một số nhà máy.

IV. Xử lý chất thải rắn
Các phương pháp xử lý chất thải rắn thường được sử dụng là chôn

trong đất (landfilling) hoặc đốt. Hiện nay, phương pháp chôn trong đất ngày
càng ít được lựa chọn do chúng ngăn cản sự thu hồi các sản phẩm có thể
dùng lại được (plastic, giấy, các vật liệu xây dựng...) và chúng không hiệu
quả lắm trong việc thu hồi năng lượng (biogas). Hơn nữa, chôn trong đất
ngâm có thể gây ra sự bốc mùi của khí gây ô nhiễm môi trường. Tương tự
như thế, các lò đốt không cho phép thu hồi nguyên liệu mặc dù chúng có thể
được thiết kế để thu hồi năng lượng từ chất thải. Các lò đốt có nhiều hạn chế
như giá thành cao và ngoài ra hệ thống khí của ống khói cần được thiết kế
tinh vi để tránh ô nhiễm môi trường.
Hiện nay, một phương thức xử lý chất thải rắn công nghiệp và đô thị
khác đang được thực hiện nhờ vào thiết bị phân tách và sản xuất phân ủ.
Đây là những thiết bị rất lớn và phức tạp, có năng suất cao (100.000 tới