Đề tài Đại cương về vi sinh vật học môi trường

ng Lê Xuân Phương VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG 285 3) Xử lí phế thải bằng "lớp nén giả": Công nghệ sử dụng "lớp nén giả' để xử lí phế thải bắt đầu được áp dụng từ những năm 80. Nó được coi như là sự kết hợp giữa hai kiểu xử lí, xử lí bằng lớp lọc thấm và bằng bùn non. Trong thực tế có hai kiểu hệ thống xử lí bằng "lớp nén giả". a. Hệ thống bẫy Simore Hartley: Hệ thống này do Viện công nghệ thuộc Trường tổng hợp Massachusetts (Mỹ) thiết kế. Trong thiết bị này, sinh khối được tích luỹ trên tấm chắn bằng polyester xốp nằm bên trong thiết bị xử lí. Các tấm chắn này theo chu kỳ sẽ lần lượt đẩy ra ngoài một lượng sinh khối khá lớn, tới khoảng 15kg/m3 chất mang. Sau khi giải phóng sinh khối bằng cách nén ép chúng, các tấm chắn này lại quay ngược trở lại vào bên trong thiết bị và bắt đầu công việc lại từ đầu. b. Bể oxy hóa Dor Oliver: Trong thiết bị xử lí này người ta sử dụng chất lót bên dưới là cát và theo chu kỳ nó được đưa ra ngoài được tẩy sạch và tái sử dụng. 8.3.2.2.Xử lý sinh học yếm khí đối với phế thải : Trong quá trình xử lí phế thải yếm khí (lên men tạo khí methane). Có ba nhóm vi khuẩn tham gia vào quá trình: 1) Nhóm vi khuẩn chịu trách nhiệm thủy giải và lên men; 2) Nhóm vi khuẩn tạo H2 và acetic acid; 3) Nhóm vi khuẩn tạo khí methane tự dưỡng sử dụng H2. Để nâng cao năng suất của quá trình lên men, hiện người ta vẫn tiếp tục hoàn thiện các loại giống, chủng, vi khuẩn lên men yếm khí bằng biện pháp chọn lọc tự nhiên hoặc nhờ phương pháp công nghệ di truyền. Đặc biệt về mặt công nghệ người ta cần phải chú ý khắc phục các yếu tố giới hạn tốc độ phân huỷ cơ chất có mặt trong phế thải như cellulose, tinh bột ...., và tốc độ tạo khí methane. Cần lưu ý là một số sản phẩm cuối của quá trình lên men như H2, CO2 và H2S, thường có tác động ức chế ngược làm giảm hoạt tính hoạt động của vi khuẩn tạo khí methane. 1. Hệ thống xử lý yếm khí: 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 lí có cấu tạo khá phức tạo hiện đang hoạt động ở một số nước phát triển. ở Việt Nam các ứng dụng xử lí yếm khí tạo biogas đã được bắt đầu từ những năm 80. Dưới đây là hai kiểu thiết bị lên men yếm khí tương đối điển hình và đang được sử dụng khá rộng rãi . Lê Xuân Phương VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG 286 Hình 8.3: Thiết bị xử lý nước thải trại chăn nuôi A và nước thải thành phố B 2. Kiểm soát sinh học các hệ xử lý: Điều kiện tiên quyết để ổn định quá trình phân huỷ yếm khí nước thải là sự theo dõi thường xuyên các tác động có thể có của độc chất có mặt trong dòng nước thải đi vào hệ thống xử lý. Điều này cần thiết nhằm mục đích sao cho thiết bị không bị quá tải, dẫn đến làm giảm tuổi thọ của nó. Thông thường người ta theo dõi theo nhu cầu sử dụng oxy, độ pH và hàm lượng ATP của quần thể vi sinh vật và dựa vào các thông số này để kiểm soát và điều hòa quá trình lên men yếm khí. Trong đó việc theo dõi biến thiên hàm lượng ATP là quan trọng nhất. Thông thường để đánh giá khả năng hoạt động của hệ xử lý người ta tiến hành xác định sự biến thiên của hàm lượng ATP nội bào. Đồ thị nhận được cho ta thấy rằng, khi trong dòng dịch đi vào có mặt chất độc, thì hàm lượng của ATP, số lượng bùn hoạt tính được tạo thành và số lượng hạt rắn trong huyền phù đều giảm mạnh. Sau một khoảng thời gian nhất định, các tham số trên mới khôi phục trở lại trạng thái trước khi xuất hiện độc chất. 3. Kiểm soát nguồn bệnh: Một trong những ưu điểm của quá trình lên men yếm khí là nó giúp loại bỏ các nguồn gây bệnh. Nguyên nhân chủ yếu là do sự có mặt của acid béo bão hòa được tạo thành bởi phản ứng β-oxy hoá trong dịch lên men. Các acid này thường kết hợp với H2, cũng được tạo thành trong quá trình trên, tạo ra octanic acid là chất kháng khuẩn rất mạnh. 4. Thu nhận các chất hữu ích từ lên men yếm khí: Một trong những nhiệm vụ quan trọng nhất của quá trình xử lí phế thải, là tái sử dụng các chất hữu cơ có trong phế thải. Nội dung của vấn đề này bao gồm hai khía cạnh: 1) Tách và cô đặc các chất hữu ích có trong phế thải; 2) Biến phế thải thành sản phẩm có ích. Trong thực tế, hiện người ta đặc biệt quan tâm đến vấn đề xử lý và tái sử dụng nguồn nước, xử lý phế thải nói chung để sản xuất khí sinh học, đồng thời tạo ra sản phẩm làm nguồn thức ăn gia súc hoặc phân bón hữu cơ. a. Xử lý tái sử dụng nước thải: Xu thế hiện nay là người ta tiến hành xử lý các dạng nước thải khác nhau và tái sử dụng chúng để phục vụ cho các ngành công nghiệp nặng như ngành năng lượng, Lê Xuân Phương VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG 287 sản xuất phân bón và khai thác than. Vì nói chung nước sử dụng trong các lĩnh vực nói trên không đòi hỏi độ sạch như đối với nước dân dụng. b. Xử lý tạo nguồn phân hữu cơ: Cho đến nay quy mô sử dụng phân hữu cơ có nguồn gốc từ động vật và nước thải của ngành chăn nuôi không lớn so với phân vô cơ. Tuy nhiên xu thế trên trong tương lai sẽ thay đổi vì một số nguyên nhân sau: 1) Để sản xuất phân vô cơ cần phải tiêu tốn nhiều năng lượng, và tuy hàm lượng NPK của nó cao, nhưng sử dụng lâu ngày sẽ làm hỏng đất; 2) Hiện nay đã xuất hiện một số công nghệ mới cho phép tạo được phân hữu cơ có hàm lượng NPK cao; 3) Việc xử lí phế thải tạo phân hữu cơ bao giờ cũng tạo ra khí sinh học, là nguồn cung cấp năng lượng đáng kể (bảng 8.1) Bảng 8.1 Thành phần chất dinh dưỡng trong phân động vật: Loài động vật Chất khô N P K Mg Đại gia súc 4 - 23 2,4 - 6,5 0,4 - 1,8 2,0 - 5,8 0,2 - 0,6 Heo 4 - 25 1,6 - 6,8 0,6 - 2,1 1,7 - 3,6 0,3 - 0,7 Gà 23 - 68 9,6 - 23 2,4 - 12 3,8 - 11,6 1,2 - 2,2 c. Xử lý phế thải tạo thức ăn gia súc: Hằng năm chỉ riêng ở Anh hoạt động sống của con người thải ra chừng 2,5.1010 kg phế thải, ngành chăn nuôi thải ra chừng 1,8.1011 kg. Từ lượng phế thải này, qua quá trình xử lý sẽ tạo ra một số lượng bùn hoạt tính khổng lồ có hàm lượng protein chiếm tới khoảng 30 - 40% sinh khối khô. Tiếp tục xử lý chúng sẽ tạo được một nguồn thức ăn cho gia súc rất có giá trị (bảng 8.2) Bảng 8.2 - Thành phần hóa học của bùn hoạt tính: Thành phần % Trọng lượng khô Nước 7,85 Protein tổng số (N x 6,25) 37,80 Protein thực sự 31,25 Mỡ 1,73 Tro 25,16 Trong không tan trong acid 12,33 Carbohydrate (theo glucose) 9,80 Xơ 10,30 Năng lượng tương đương (kcal/g) 16,20 Quy trình công nghệ thu nhận protein từ bùn hoạt tính không phức tạp và gồm các công đoạn sau (hình 8.4) Lê Xuân Phương VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG 288 Hình 8.4 : Quy trình công nghệ thu nhận protein từ bùn hoạt tính. Theo quy định của Anh (1981) về việc sử dụng protein từ bùn hoạt tính, thì vấn đề kiểm soát sự hiện diện của mầm bệnh, đặc biệt là Salmonella, phải được tuân thủ rất nghiêm ngặt. 8.3.3. Xử lý sinh học phế thải công nghiệp: Trong thực tế người ta thường phân biệt phế thải công nghiệp thành hai nhóm: 1) Phế thải của ngành công nghiệp có liên quan đến sinh học; 2) Phế thải của các ngành công nghiệp không liên quan đến sinh học như công nghiệp hóa chất, cơ khí, công nghiệp nặng... Vì phế thải của các ngành công nghiệp không liên quan đến sinh học rất đa dạng và chứa nhiều thành phần khó bị phân hủy bằng xử lý sinh học, nên trước khi tiến hành xử úy sinh học, cần phải xử lí sơ bộ phế thải bằng phương pháp hóa học hoặc vật Bùn hoạt tính Sấy, phơi Khử trùng Sản phẩm Thức ăn gia súc và cá Bùn hoạt tính Sấy, phơi Xử lí kiểm Lọc Xử lí acid Lọc Rửa Sấy khô Thức ăn gia súc và cá Loại bỏ kim loại Lê Xuân Phương VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG 289 lý. Cho đến nay, việc sử dụng các chủng vi sinh vật đặc hiệu để phân hủy phế thải vấn chưa phổ biến. Tuy nhiên, đây là một giải pháp rất có triển vọng để: 1) Phân hủy đặc hiệu tại chỗ một số loại phế thải riêng biệt; 2) Bổ sung tập đoàn các chủng vao hệ thống xử lí nhằm gia tăng hiệu quả của nó; 3) Phân huỷ dầu ô nhiễm hoặc để tách kim loại; 4) Làm sạch khí thải; 5) Thu nhận sinh khối có ích từ phế thải; 6) Lên men tạo khí methane (biogas) từ phế thải. Về công nghệ cần đặc biệt lưu ý đến: a) việc cung cấp đầy đủ oxy để quá trình phần hủy sinh học phế thải được thực hiện triệt để. Trong thực tế để đạt được điều này người ta thường hoặc sử dụng hệ thống xử lí tạo bong bóng khí, hoặc bổ sung trực tiếp oxy vào hệ thống. b) Để xử lý phế thải chứa độc chất nên sử dụng hệ thống màng xử lý chứa vi sinh vật (đơn giản nhất là màng thấm). Dưới đây chúng ta sẽ xem xét một số biện pháp xử lý sinh học đối với một số loại phế thải công nghiệp. 8.3.3.1. Xử lí sinh học đối với phế thải công nghiệp chế biến sữa: Huyết thanh sữa là phế thải chủ yếu của ngành công nghiệp chế biến sữa. Thành phần huyết thanh sữa phụ thuộc vào hình thức sử dụng sữa. Người ta thường cô đặc huyết thanh sữa để sử dụng làm thức ăn chăn nuôi. Tuy nhiên có điểm khiếm khuyết là thành phần dinh dưỡng của nó không được cân bằng: Huyết thanh sữa chứa nhiều chất khoáng và đường lactose. Do vậy, trong thực tế người ta thường trích ly protein từ huyết thanh sữa bằng cách li tâm. Sau khi li tâm dịch lọc vẫn còn chứa khá nhiều lactose (35-50 g/l), vitamine, khoáng chất và lactic acid. Do đó người ta sử dụng một số công nghệ khác để nâng cao hơn nữa hiệu quả sử dụng huyết thanh sữa. Trong đó chủ yếu là cho lên men bởi nấm men Lactobaccillus bulgaricus hoặc Candida krusei và lên men bởi nấm men Kluyveromyces fragilis hoặc Candida intermedia. Sau quá trình lên men người ta thu được sinh khối vi sinh vật và dịch còn lại có hàm lượng protein khá cao. Từ dịch huyết thanh sữa ngoài các sản phẩm giàu protein, người ta còn thu được nguồn nguyên liệu cho ngành công nghiệp hóa học như ethanol chẳng hạn. Hoặc bằng phản ứng thủy giải hóa học đường lactose tạo ra glucose và galactose, là nguồn nguyên liệu có giá trị. Bằng cách sử dụng nấm men đột biến không chứa enzyme β- galactosidase, nhưng vẫn có khả năng thủy giải lactose và sử dụng glucose mới được tạo ra làm nguồn cung cấp C. Kết quả là dịch lọc huyết thanh sữa trở nên ngọt hơn và hiện được sử dụng khá rộng rãi trong một số ngành công nghiệp thực phẩm . Hiện nay để làm "ngọt hóa" dịch phế thải chứa huyết thanh sữa, người ta không sử dụng các chủng đột biến như đã đề cập ở trên, mà sử dụng trực tiếp enzyme β-galactosidase được cố định trên vật liệu mang không tan trong công nghệ thủy giải lactore. Các bước xử lý chủ yếu phế thải chứa huyết thanh sữa được mô tả trong hình 8.5. Lê Xuân Phương VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG 290 Hình 8.5 Sơ đồ xử lí phế thải công nghiệp chế biến sữa 8.3.3.2 Xử lý phế thải công nghiệp sản xuất giấy: Công nghệ xử lý phế thải công nghiệp sản xuất giấy phụ thuộc vào quy trình công nghệ sản xuất bột giấy từ gỗ: Sản xuất bột giấy bằng cách xử lý kiềm hay acid. Xử lý kiềm tạo ra phế thải ở dạng dịch màu đen chứa nhiều lignin khó phân giải và các acid hữu cơ có trọng lượng phân tử thấp. Dịch này rất khó xử lý bằng con đường sinh học. Do vậy, trong trường hợp này, tốt hơn cả là cho dịch bay hơi và đốt cháy để lấy năng lượng. Còn xử lý acid tạo ra dịch phế thải chứa khoảng 60% lignin, một số loại đường trong đó có mannose, galactose, glucose, xylose và arabinose. Sữa nguyên liệu Protein Dịch thuỷ phân protecin Phoma, kem sữa Chế biến sữa Huyết thanh sữa Dịch lọc chứa nhiều lactose khoáng, vitamin và lactic acid Thức ăn gia súc Lên men biến lactose thành lactic acid Nấm men Kluyveromyces fragilis và Candida internedia Dịch giàu carbohydrate Dịch giầu protein Nấm men Lactobacillus bul - garicuss và Candida krusei Thức ăn gia súc Sinh khối giầu protein Thức ăn gia súc Lê Xuân Phương VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG 291 Chúng chiếm khoảng 30%, còn lại là acetic acid, methanol và furfural. Với thành phần nêu trên, dịch phế thải này hoàn toàn thích hợp để lên men tạo sinh khối giàu protein làm thức ăn cho gia súc. Lignin và các dẫn xuất của nó có mặt khá nhiều trong nước phế thải của ngành sản xuất giấy. Các hợp chất này rất khó bị phân hủy và do vậy cho đến nay chúng vẫn là đối tượng nghiên cứu của các nhà công nghệ sinh học. 8.3.3.3. Xử lý nước phế thải công nghiệp chứa chất màu: Nước phế thải của các nhà máy dệt, nhuộm và sản xuất màu thường chứa các chất màu và các sắc tố. Ngoài ra nó còn chứa một số chất độc trong đó có những chất gây bệnh ung thư cho người và động vật. Cho đến nay nước thải chứa chất màu nói trên thường vẫn được xử lý bằng các biện pháp hóa học, vì khả năng phân giải chất màu và sắc tố của vi sinh vật nói chung là yếu. Thí dụ, người ta có thể dùng bùn non để loại bỏ chất màu ra khỏi nước thải, nhưng bùn non không xảy ra quá trình phân hủy bản thân chất màu, mà chỉ xảy ra sự tách chúng ra khỏi nước thải nhờ quá trình hấp phụ. Tuy nhiên cũng có một số nhóm thuốc nhuộm, trong đó có nhóm thuốc nhuộm là azo-, là một trong những nhóm chất màu quan trọng nhất, lại dễ dàng bị phân hủy bởi biện pháp xử lý sinh học cả ở điều kiện hiếu khí và yếm khí. Nguyên nhân chủ yếu là vì ở điều kiện yếm khí, nhiều loại vi sinh vật có khả năng tổng hợp enzyme nói trên sẽ bị phân rã tiếp bởi phản ứng oxy hóa được enzyme aeroreductase do vi sinh vật tạo ra xúc tác. 8.3.4 Phân hủy sinh học các chất tổng hợp hữu cơ: Quá trình phân hủy các chất tổng hợp hữu cơ trong tự nhiên phụ thuộc vào bản chất của chúng như độ bền vững của chất, độ hòa tan trong nước. kích thước và diện tích của phân tử, độ bay hơi..., các yếu tố bên ngoài như độ pH, khả năng oxy hóa bởi ánh sáng, yếu tố sinh học. Trong đó yếu tố Phân huỷ sinh học thể hiện thông qua sự có mặt của cộng đồng vi sinh vật là có ý nghĩa hơn cả. Chúng có những ưu thế sau: a) Trong cộng đồng vi sinh vật, các loài vi sinh vật khác nhau thường bổ sung cho nhau những thành phần thiết yếu cho sự tồn tại của riêng từng loài và như vậy giúp duy trì sự tồn tại chung của cộng đồng. Đây là một quan hệ rất phức tạp và đóng vai trò chủ đạo trong quá trình phân hủy. Ví dụ: cộng đồng vi khuẩn phân rã cyclohexane gồm hai loài. Trong đó vi khuẩn Norcadia chịu trách nhiệm phân hủy chính, vì nó có khả năng oxy hóa cyclohexane. Tuy nhiên nó không thể tồn tại riêng lẻ và cần sự có mặt của Pseudomonas, vì vi khuẩn này cung cấp biotin là chất cần thiết cho sự phát triển của Norcadia , mà bản thân nó không tự tổng hợp được. Do vậy, tốc độ phân rã các chất tổng hợp hữu cơ chủ yếu phụ thuộc vào cộng đồng vi sinh vật, chứ không phụ thuộc vào từng loại vi sinh vật riêng lẻ. b) Các thành viên trong cộng đồng vi sinh vật phân hủy các chất hữu cơ tổng hợp theo cơ chế bổ sung lẫn nhau. Có nghĩa là mỗi một thành viên trong cộng đồng chỉ chịu trách nhiệm một công đoạn trong toàn bộ quá trình phân hủy. c) Trong cộng đồng vi sinh vật bao giờ cũng xảy ra sự trao đổi thông tin di truyền giữa các loài vi sinh vật. chủ yếu trao đổi thông tin quá plasmid. Thí dụ, người ta biết có hai loài Pseudomonas, trong đó một loài có khả năng sống độc lập trên Lê Xuân Phương VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG 292 chlorocatechol, còn loài kia chứa plasmid TOL mang gene chịu trách nhiệm tổng hợp enzimye benzodioxygenase. Cả hai đều không thể sống độc lập trên cơ chất chứa 4- cholorobenzoate. Tuy nhiên sau khi nuôi cấy chúng liên tục qua nhiều thế hệ cùng nhau, người ta tạo ra được thể đột biến có khả năng sống trên 4-cholorobenzoate. Điều này xảy ra là nhờ có sự trao đổi thông tin di truyền giữa hai loài nói trên. 8.3.4.1. Phân huỷ sinh học các dẫn xuất hữu cơ chứa chlore: Các chất hữu cơ tổng hợp chứa chlore thường vẫn được sử dụng làm dung môi hữu cơ, và do vậy chúng là một trong những nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường. Cho đến nay quá trình phân hủy các chất này bởi vi sinh vật hãy còn được biết rất ít. Trong thực tế người ta đã phân lập được những chủng vi sinh vật cố khả năng phân hủy dichloromethane, tuy cơ chế hoạt động của quá trình này vẫn chưa được lý giải hoàn toàn. Có lẽ chủng nói trên tổng hợp được enzyme haloidhyrolase xúc tác phản ứng tạo chloromethanol từ dichloromethane. Chất này sau đó sẽ tự phân rã và tạo ra formalđehye. Còn các dẫn xuất nhân thơm chứa chlore bị phân hủy bởi enzyme dioxygenase xúc tác phản ứng oxy hóa gắn O và nguyên tử C liên kết với Cl và làm cho liên kết C-Cl bị yếu đi nhiều. Các sản phâm tạo thành sau đó là dẫn xuất catechol chứa nhóm halogen thay thế. Đây là các chất trao đổi chủ yếu trong quá trình phân hủy các hợp chất nhân thơm chứa Cl. Sau đó chúng sẽ bị phân hủy tiếp bởi enzyme pyrocatechase, dẫn đến sự mở vòng nhân thơm. 8.3.4.2 Phân hủy sinh học các dẫn xuất nhân thơm chứa các nhóm thế đơn: Nói chung các dẫn xuất nhân thơm chứa các nhóm thế đơn thường bị phân rã trong quá trình khá giống nhau: trước hết là phản ứng gắn oxy vào nhân thơm, sau đó là phản ứng loại bỏ nhóm thế (Ví dụ: SO3H) và cuối cùng là quá trình tái tạo lại nhân thơm (hình 5.10). Polichlorobiphenyl (PCB) là nhóm chất rất bền vững trong tự nhiên. Tuy nhiên nếu xét riêng từng mặt thì bản thân gốc biphenyl nói chung cũng dễ dàng bị phân hủy bởi vì sinh vật giống như các hợp chất chứa nhân thơm khác. Tuy nhiên khi mức độ chloro hóa gia tăng, thì khả năng phân hủy của vi vật đối với chúng ta lại giảm mạnh. Trong thực tế khi số gốc Cl được gắn lớn hơn 4, tức là lớn hơn số Cl trong phân tử tetrachloro PCB, thì hâu như không xảy ra quá trình phân hủy vi sinh vật. Benzopyrene là polyme đa vòng. Quá trình phân rã nó tạo ra các dẫn xuất chứa nhóm -OH và epoxy có khả năng gây bệnh ung thư. Trong thực tế các chất này hầu như không bị phân hủy trong hệ thống sử lý bùn hoạt tính. Tuy nhiên người ta cũng đã ghi nhận được một số chủng vi sinh vật có khả năng phân hủy benzopyrene và tạo ra các phức chất có cấu tạo rất phức tạp. Polystyrol cũng rất bền đối với phân huỷ vi sinh vật. Tuy nhiên cho đến nay cũng đã xuất hiện những thông báo về sự phân hủy bột vỏ lốp xe hơi (chủ yếu là cao su styrolbutadiene) bởi một số loài vi sinhvật, khi bổ sung thêm chất hoạt bề mặt vào môi trường nuôi cấy chúng. 8.3.4.3 Xử lý sinh học ô nhiễm dầu mỏ: Vấn đề ô nhiễm môi trường sống bởi dầu mỏ là một vấn đề lớn của loài người và ở Việt Nam cũng đã bắt đầu xảy ra ở mức độ khá nghiêm trọng. Do vậy vấn đề xử lý ô Lê Xuân Phương VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG 293 nhiễm dầu nói chung và xử lý ô nhiễm dầu bằng các biện pháp sinh học nói riêng ngày càng được quan tâm. Thông thường người ta chia ô nhiễm dầu mỏ làm hai loại: 1) Nước thải bị ô nhiễm trong quá trình khai thác dầu khí, 2) Ô nhiễm dầu nói chung đối với môi trường sống. Sau đây chúng ta sẽ xem xét một số trường hợp xử lý ô nhiễm dầu điển hình. Nước ô nhiễm trong quá trình khai thác dầu khí thường được xử lý bằng biện pháp sinh học sau khi đã loại bỏ phần lớn lượng dầu có mặt trong nước bằng các biện pháp vật lý hoặc bằng hóa chất tạo nhũ. Hiện nay hệ thống xử lý ô nhiễm sử dụng bùn hoạt tính kết hợp thổi oxy trong thiết bị dạng cột được coi là thích hợp nhất. Trong thực tế những sự cố rò rỉ dầu mỏ lớn nhất thường xảy ra ở biển. Sau khi thoát ra dầu sẽ chịu các tác động vật oy1 khác nhau (kể cả gió thổi). Trong quá trình đó khoảng 25- 40% lượng dầu mỏ dò rỉ bị phân hủy, đặc biệt là đối với alkanen có trong lượng phân tử thấp. Mức độ phân hủy vi sinh vật đối với dầu dò rỉ bị phân tán như trên phụ thuộc khá nhiều vào yếu tố như: hàm lượng tương đối của chất bão hòa, các chất nhân thơm chứa N, S, và O, mức độ phân nhánh của các chất alkane cũng như hàm lượng của phân đoạn nặng (như nhựa đường chẳng hạn) của dầu mỏ. Trong đó, thành phần chứa alkene có độ phân nhánh cao hoặc các hợp chất nhân thơm chứa lưu huỳnh và phân đoạn chứa nhựa đường, là những thành phần khó bị phân huỷ nhất của dầu mỏ. Ngoài ra tốc độ phát triển của bản thân vi sinh vật phân hủy dầu con phụ thuộc vào sự có mặt của các chất dinh dưỡng có sẵn trong tự nhiên (hoặc do bổ sung), đặc biệt là N và P. Cũng cần lưu ý là các yếu tố vật lý như nhiệt độ, nồng độ oxy áp suất thuỷ lực và mức độ tạo huyền phù của dầu ảnh hưởng nhiều lên tốc độ phân hủy của nó. Sự ô nhiễm dầu đất và nguồn nước ngọt cũng là một vấn đề phải quan tâm. Thực tế trong đất luôn có mặt rất nhiều loài vi sinh vật có khả năng phân hủy dầu. Tuy nhiên hiệu quả phân hủy của chúng sẽ giảm đi nhiều, nếu dầu ô nhiễm ban đầu tạo ra các dẫn xuất tan trong nước hoặc có hoạt tính bề mặt, làm do dầu lan truyền dễ dàng (điều này cũng có liên quan đến sự lan truyền do gió, thủy triều lên xuống). 8.3.4.4 Phân huỷ sinh học thuốc trừ sâu: Hiện nay vấn đề ô nhiễm môi trường do ngành sản xuất thuốc trừ sâu hóa học, cũng như do việc sử dụng nó trong nông nghiệp gây ra, đang là tâm điểm của nhiều nước. Do vậy các biện pháp phòng trừ và khắc phục hậu quả do ô nhiễm thuốc trừ sâu gây ra (đặc biệt là các biện pháp sinh học), đang được quan tâm chú ý. Về nguyên tắc, dư thừa lượng thuốc trừ sâu trong đất bị phân hủy bởi cộng đồng vi khuẩn và nấm khá nhanh. Thông thường độ độc của thuốc trừ sâu giảm mạnh sau giai đoạn biến đổi đầu tiên của chúng. Điều này cho phép xây dựng công nghệ xử lý ô nhiễm thuốc trừ sâu bằng vi sinh vật khá đơn giản. Quá trình phân rã thuốc trừ sâu được xúc tác bởi một số enzyme thủy phân ngoại bào của vi sinh vật như esterase, acylamidase và phosphoesterase. Ví dụ: enzyme parathiohydrolase do Pseudomonas SP. tổng hợp có khả năng phân hủy tới 94-98% dư thuốc trừ sâu paraythion. Hoạt độ của enzyme này phụ thuộc vào cấu trúc, độ ẩm và dung đệm của đất... Do vậy, trong thực tế enzyme thể hiện hoạt độ phân ra parathion ở các điều kiện khác nhau thì khác nhau. Ngoài ra, hiện nay đã xuất hiện khả năng sử dụng enzyme nói trên ở dạng cố Lê Xuân Phương VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG 294 định trên các màng lọc để xử lý nước thải của các nhà máy sản xuất thuốc trừ sâu hóa học hoặc để làm sạch nguồn nước dân dụng. 8.3.4.5. Phân hủy sinh học các chất tẩy rửa: Theo khả năng bị phân hủy sinh học, người ta chia đất tẩy rửa tổng hợp làm hai loại: Loại cứng và loại mềm. Vào thời kỳ đầu, người ta sử dụng các chất tẩy rửa có độ phân nhánh cao như alkylbenzosulphonate. Đó là các chất khá bền đối với quá trình phân hủy sinh học. Để tránh tích lũy các chất alkyl mạch thẳng dễ bị phân hủy sinh học. Trước hết chúng bị phân huỷ bởi phản ứng oxy hóa nhóm -CH3 đầu cuối. Mạch thẳng còn lại sau đó sẽ bị oxy hóa tiếp và kết thúc bằng phản ứng oxy hóa nhân của phân tử. Toàn bộ quá trình trên xảy ra ở điều kiện hiếu khí vì cần oxy cho phản ứng oxy hóa. Alkyl mạch nhánh cũng bị phân hủy sinh học, nhưng chậm hơn và cơ chế của quá trình vẫn chưa bị biết nhiều. Hiện chỉ biết là liên kết C-S của các chất tẩy rửa nói chung là bền với tác động phân hủy sinh học. Liên kết này bị phá gãy và tạo ra gốc sulphonate bởi enzyme hydroxylase và monooxygenase do vi sinh vật tổng hợp. Hiện các chất tẩy rửa trung tính vẫn được sử dụng để tạo nhũ phục vụ cho các mục đích sử dụng trong nông nghiệp và công nghiệp mỹ phẩm. Các chất này bị phân hủy sinh học chủ yếu thông qua quá trình oxy hóa và thuỷ phân do enzyme xúc tác. Các chất tẩy rửa ở dạng thương phẩm chỉ chứa khoảng 30% chất hoạt hóa bề mặt, còn lại là các chất tẩy trắng, tạo bọt, enzyme và chủ yếu là các chất phụ gia. Ban đầu người ta sử dụng trisodiumphosphate làm chất phụ gia, nhưng nó lại là nguồn cung cấp P và do đó góp phần làm ô nhiễm nguồn nước rất mạnh. Nên sau này người ta phải chuyển sang sử dụng các chất phụ gia không chứa P và N như CMS (carboxymethyl succinate), ODA (oxydiacetate) và EGDA (ethylene glycol diacetate): - HOOCCH2OCH(COOH)CH2COOH CMS - HOOCCH2OCH2COOH ODA - HOOCCH2OCH2CH2OCH2COOH EGDA - N(CH2COOH)3 NTA Các chất này bị phân hủy khá nhanh bởi enzyme liase do nhiều loại vi sinh vật tổng hợp. Ngoài ra hiện nay người ta còn sử dụng rộng rãi NTA (nitriltriacetate), là phụ gia tuy có chứa N, nhưng lại dễ dàng bị phân hủy sinh học ngay cả trong nước sông ngòi ở điều kiện tự nhiên, hoặc bởi hệ thống xử lý bằng bùn hoạt tính. 8.3.4. Xử lý sinh học phế thải nông nghiệp: Hàng năm, ngành nông nghiệp nói chung (kể cả trồng trọt và đặc biệt là chăn nuôi) thải ra một số lượng lớn phế thải. Do đó vấn đề xử lý phế thải nông nghiệp (đặc biệt là phế thải chăn nuôi) trở thành một vấn đề lớn cần giải quyết. Do vậy cần phải có các quá trình công nghệ thích hợp để xử lý phế thải nông nghiệp thành những sản phẩm có ích và góp phần bảo vệ môi trường sống. 8.3.4.1. Xử lý hiếu khí phế thải trong nông nghiệp: Đặc điểm nổi bật của phương pháp xử lý hiếu khí phế thải là vi khuẩn tham gia vào việc xử lý hiếu khí phế thải được cung cấp oxy đầy đủ. Do vậy sản phẩm xử lý Lê Xuân Phương VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG 295 khá ổn định. Yêu cầu đối với các hệ xử lý hiếu khí hoạt động ổn định lâu dài, thao tác đơn giản và dễ dàng tự động hóa. Hiện nay ở các nước phát triển đang hoạt động một số hệ thống xử lý hiếu khí sau: 1) Hồ chứa để oxy hóa: Là mô hình xử lý đơn giản nhất, là nơi chứa nước thải chăn nuôi thường không sâu quá 1,5m và yêu cầu phải có bề mặt rộng để quá trình thông khí được dễ dàng. Trên bề mặt của hệ xử lý thường có nhiều loại tảo quang hợp, chúng giúp tăng hiệu quả hoạt động của hệ xử lý. Đối với hệ xử lý này tốc độ nạp phế thải không lớn. Hệ xử lý này có một nhược điểm sau: tốc độ xử lý chậm, yêu cầu diện tích lớn, cặn bã tích lũy ở đáy hồ và bị phân giải ở điều kiện hiếu khí, tạo điều kiện cho nhiều loại côn trùng không mong muốn phát triển. Nhưng hệ xử lý này có ưu điểm là chi phí thấp và không cần phải trông coi. Trong thực tế người ta gia tăng hiệu quả hoạt động của hệ thống xử lý này bằng cách gia tăng độ thông khí (bằng những biện pháp thích hợp). Nhờ đó có thể giảm kích thước của hệ thống và thời gian xử lý. 2) Hệ thống xử lý bể bậc thang: Hệ thống này được sử dụng ở Anh. Khác với hồ chứa để oxy hóa, phế thải được nạp vào hệ này một cách đều đặn và được lưu giữ không lâu. Nhờ dòng chảy từ từ theo bậc thang, phế thải được oxy hóa khá mạnh và cặn được giữ lại ở đáy bể. Nói chung quá trình xử lý phế thải trong hệ xử lý này mạnh hơn so với hồ chứa để oxy hóa. 3) Xử lý trong rãnh Pasveer (Pasveer Dltch): Là hệ thống xử lý cải tiến có sử dụng bùn hoạt tính (bùn non). Lớp dịch phế thải trong rãnh sâu khoảng 0,3-0,6m, được khuấy trộn bằng động cơ do vậy tốc độ xử lý cao thông qua quá trình oxy hóa cưỡng bức. Hiệu lực xử lý gia tăng nhờ có sự hiện diện của tập đoàn vi sinh vật trong lớp bùn non. 8.3.4.2. Xử lý phế thải nông nghiệp ở điều kiện yếm khí: Bản chất của xử lý này chính là quá trình lên men ở điều kiện yếm khí tạo ra khí sinh học (biogas), chứa chủ yếu khí methane, CO2 và một số khí khác. Xử lý này một mặt cung cấp một phân năng lượng cho các hoạt động nông nghiệp, mặt khác không kém phần quan trọng là hạn chế phế thải nông nghiệp gây ô nhiễm môi trường. Quá trình lên men yếm khí được thực hiện chủ yếu bởi nhóm vi khuẩn kị khí sinh methane. Lê Xuân Phương VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG 296 CHƯƠNG IX TÁC NHÂN VI SINH VẬT TRONG XỬ LÝ KHÍ THẢI 9.1 NGUYÊN LÝ CỦA QUÁ TRÌNH XỬ LÝ SINH HỌC KHÍ THẢI: Khí thải hoạt động sống của con người nói chung và khí thải công nghiệp nói riêng có mùi khó chịu và chứa nhiều các dẫn xuất lưu huỳnh ở dạng khí như: thiosulphate, H2S, methyl mercaptan và dimethyl sulphite. Phân rã hiếu khí: H2S + 2O2 → H2SO4 (CH3)2S + 5O2 → 2CO2 + H2SO4 + 2H2O Phân rã yếm khí: H2S + 8NaNO3 → 4Na2SO4 + H2SO4 + 4H2O + 4N2 (CH3)2S + 4NaNO3 → Na2SO4 + 2NaOH + 2H2O + 2N2 + 2CO2 Các chất này là nguồn cung cấp năng lượng cho hoạt động sống của nhiều loài vi sinh vật hiếu khí và yếm khí. Trong thực tế chúng bị phân huỷ như mô tả ở các phương trình trên. 9. 2 CÁC HỆ THỐNG LÀM SẠCH KHÔNG KHÍ BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC: Công nghệ sinh học đã được đưa vào áp dụng rộng rãi trong các biện pháp nhằm bảo vệ môi trường sinh thái tránh khỏi các chất thải độc hại của các xí nghiệp công nghiệp. Trước kia đó là nước thải công nghiệp, còn trong những năm gần đây đó là loại khí thải công nghiệp. Trong cả hai trường hợp đó là những chất độc hại đối với con người và các loại động vật máu nóng khác. Trong thiên nhiên có một sự phân bố rộng rãi các vi sinh vật có vai trò to lớn trong vòng tuần hoàn của các chất hữu cơ nhờ chúng có các hệ enzyme có khả năng thủy giải các chất độc tố rất khác nhau về mặt cấu tạo hóa học và sau đó lại có khả năng đồng hóa các sản phẩm tạo ra trong quá trình thủy giải, sử dụng các sản phẩm này như là cơ chất của sự trao đổi kết cấu và năng lượng. Ngày nay người ta đã biết được phổ rất rộng các hợp chất hữu cơ thuộc các nhóm chất khác nhau mà cơ thể vi sinh vật có khả năng phân giải. Trong thực tế người ta đã sử dụng chủng vi sinh vật hay quần thể vi sinh vật để làm sạch môi trường xung quanh khỏi các chất hữu cơ độc hại. Lê Xuân Phương VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG 297 Trong không khí của các thành phố công nghiệp lớn, người ta đã phát hiện tới khoảng 150 chất hữu cơ thuộc về các chất đồng đẳng của benzol, hydrocarbons, phenol... Các xí nghiệp hóa học, chế tạo giấy cellulose, sản xuất sơn và công nghiệp thực phẩm, các xí nghiệp chế biến nông sản và các tổ hợp chăn nuôi, các bể lắng nước thải và các thiết bị xử lý chất thải đều là nguồn thải các chất độc hại có mùi hôi thối mà thậm chí ở nồng độ không lớn đã gây ra cho con người cảm giác khó chịu làm hại sức khỏe của cộng đồng xã hội. Phương pháp vi sinh vật làm sạch không khí khác với các phương pháp làm sạch hoá học và lý học bởi khả năng tiến hành của quá trình này ở nhiệt độ bình thường và dưới áp suất khí quyển. Có ba kiểu hệ thống làm sạch không khí bằng phương pháp sinh học: 1. Tấm lọc sinh học (Bio-filter); 2. Các thiết bị làm sạch sinh học (Bio-scrubber); 3. Các Biocreactor chứa các màng lọc polymer; 9.2.1 Tấm lọc sinh học Biofilter: Thành phần chính của bio-filter là lớp lọc, trên đó xảy ra quá trình hấp thụ các chất độc từ không khí bị nhiễm bẩn và sau đó phân hủy chúng bằng các vi sinh vật. Không khí cần làm sạch được đưa vào bằng quạt gió. Người ta thường sử dụng phân ủ, than bùn và các chất có nguồn gốc tự nhiên tương tự để làm vật liệu cho lớp lọc. Bản thân các vật liệu nói trên có chứa những khoáng chất cần thiết để nuôi dưỡng vi khuẩn. Thường người ta sử dụng quần thể vi sinh hỗn hợp thí dụ như “bùn hoạt tính” chẳng hạn để làm sạch nước thải của các xí nghiệp hóa chất. 9.2.2 Các thiết bị làm sạch sinh học Bio - Scrubber: Nguyên tắc hoạt động của các bio-scrubber khác với bio-filter ở chỗ là các chất độc được hấp thụ bằng nước và bị phân hủy lần lượt bởi vi sinh vật nằm trong các thiết bị khác nhau. Thành phần cấu tạo quan trọng nhất của bio-scrubber là thiết bị hấp thụ (absorber) là nơi diễn ra sự trao đổi khối lượng chất giữa khí thải nhiễm bẩn và chất Lê Xuân Phương VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG 298 hấp thụ. Khi thiết kế bất kỳ kiểu absorber nào người ta cũng phải đặc biệt chú ý đến việc làm tăng diện tích bề mặt phân chia phase, là yếu tố quyết định hiệu quả của việc hấp thụ. Bên trong absorber các chất độc và oxy di chuyển vào nước, do đó khí thoát ra khỏi absorber sẽ ở dạng được làm sạch, còn nước thì ở trạng thái nhiễm bẩn. Sơ đồ thiết bị lọc ở mô tả ở hình 9.1, bao gồm bộ phận thu góp (aerotank) nằm ở phần đáy của absorber (1). Một đường ống được lắp vào bên trên aerotank để đưa khí nhiễm bẩn vào (2). Không khí đã được làm sạch thoát ra ngoài qua lỗ số (3). Ở phần trên của bio- scrubber lắp các màng lọc (4) và ống dẫn (5) nằm bên cạnh vòi phun (6). Nước tuần hoàn trong hệ thống có chứa bùn hoạt tính nằm trong aerotank (1), luôn có độ pH được duy trì ở mức cần thiết nhờ sự trợ giúp của thiết bị chuyên dụng. Hệ thống này cũng sử dụng cả than hoạt tính, khoảng 4g/l, trộn lẫn với bùn hoạt tính. Khi thiết bị hoạt động, không khí bẩn đi vào theo ống dẫn (2) qua các lớp màng lọc (4) tới lỗ thoát ra. Đồng thời từ aerotank (1) bằng máy bơm theo đường ống (8) dịch lỏng tẩy rửa được phun qua vòi phun. Khi xuất hiện dòng xoáy mạnh và đạt được các chỉ số trao đổi chất cao, thì quá trình làm sạch khí khỏi các tạp chất độc hại sẽ được coi là đạt yêu cầu. Sự có mặt của than hoạt tính sẽ làm tăng các chỉ số làm sạch, bởi vì một số chất độc có mặt trong không khí sẽ hấp thụ trên lớp than và quá trình phân huỷ chúng sẽ diễn ra trong aerotank. Các tế bào vi sinh vật tham gia vào thành phần của bùn hoạt tính và những enzyme ngoại bào do chúng tiết ra cũng được giữ lại trên than hoat tính. Nước sạch được cung cấp vào aerotank theo đường ống (9) đồng thời theo đường ống thoát (10), một lượng tương ứng nước rửa cùng với bùn hoạt tính sẽ đổ vào bể lắng (12). Khi cần thiết có thể đưa chất kết tủa từ bể lắng trở lại earotank theo (14), (15) hay đưa ra khỏi hệ thống theo các đường (11), (13). Lê Xuân Phương VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG 299 Hình 9.1. Thiết bị làm sạch sinh học Bio - Scrubber 9.2.3. Bioreacter: Những bioreactor có chứa các màng polymer gắn tế bào vi sinh vật (người ta còn gọi chúng là bioreactor bọc lớp rửa) là những hệ thống làm sạch không khí tiên tiến nhất. Việc làm sạch khỏi chất độc diễn ra cũng nhờ vào hoạt tính enzyme của các tế bào vi sinh được cố định trên màng. Đôi khi thay thế vào chỗ các tế bào người ta cố định enzyme lên các màng polymer nói trên. Tuy nhiên để thực hiện các quy trình công nghệ người ta chủ yếu chỉ sử dụng các tế bào vi sinh vật cố định. Một trong những nguyên nhân chủ yếu là do khả năng dễ dàng thâu nhận chúng với giá thành rẻ hơn so với các chế phẩm enzyme. Ngoài ra, trong số các ưu thế về mặt công nghệ khác phải kể tới mức độ ổn định cao của enzyme trong tế bào vi sinh vật so với enzyme được tách ra từ tế bào, cũng như khả năng tái sinh tự nhiên cofactor của nó trong quá trình hóa sinh xảy ra liên tục. Trong khi việc tái sinh cofactor trong trường hợp sử dụng các chế phẩm enzyme tinh khiết trong các quy trình sản xuất lớn sẽ đòi hỏi chi phí rất cao kèm theo các thiết bị công nghệ phức tạp. Tuy nhiên việc sử dụng các tế bào cố định cũng có những nhược điểm cần phải lưu ý. Có thể xảy ra những phản ứng phụ do sự có mặt trong tế bào một số lượng lớn các enzyme khác nhau. So với chế phẩm enzyme không tan, hoạt động của enzyme trong tế bào vi sinh vật tính trên đơn vị diện tích bề mặt của bioreactor sẽ thấp hơn. Lê Xuân Phương VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG 300 Protease có mặt trong tế bào có thể gây ra sự biến tính của enzyme, ngoài ra các tế bào cố định cũng tạo ra sự cản trở khuếch tán bổ sung. Hình 9.2. Sơ đồ nguyên tắc hoạt động của Bioreactor Hiện nay có một số giải pháp thiết kế đối với kiểu bioreactor đã nói ở trên, những giải pháp này có tính đến các yếu tố có liên quan tới chế độ khai thác liên tục của các xí nghiệp công nghiệp. Trên hình 9.2 là sơ đồ nguyên tắc mô tả phương pháp vi sinh vật làm sạch không khí đầu tiên đã được đề nghị sử dụng. Trong quy trình công nghệ này người ta sử dụng vi sinh vật đất, chúng được phân bố trên đất mang có chứa nước và các muối khoáng cần thiết cho dinh dưỡng của vi sinh vật. Khi các chất hữu cơ đi qua bioreactor, chúng bị đồng hoá bởi vi sinh vật và bị oxy hóa một phàn tới CO2 và H2O . Hệ thống nói trên không yêu cầu tái sinh hay thay thế cho đến khi độ ẩm bên trong hệ thống vẫn còn và việc cung cấp các chất dinh dưỡng hữu cơ cần thiết cho vi sinh vật vẫn được duy trì. Như mô tả trên hình 9.2 hệ thống này là một kênh quạt gió, trong đó trên bề mặt của chất mang (có thể là bọt xốp, bông thủy tinh hoặc bất kỳ vật liệu nào có diện tích bề mặt riêng lớn) người ta cố định các cơ thể vi sinh vật. Chất mang cùng với các vi sinh vật gắn trên đó được xếp trong container (1) có các lỗ để khí đi qua. Container lại được xếp vào trong thiết bị chứa (4) có chứa muối khoáng. Không khí bẩn đi qua container và sau đó đi qua thiết bị điều chỉnh không khí đến thành phần cũng như nhiệt độ và độ ẩm cần thiết. Bộ phận chuẩn bị không khí (3)có thể cải tiến để đốt nóng hoặc làm lạnh bằng cách cho đi qua thiết bị nhiệt ở dạng ống xoắn (2). Cuối cùng khí sau khi được làm sạch và được đưa về các thông số cần thiết sẽ đi vào hệ thống quạt để ra ngoài. Trong các hệ thống hiện đại rất phổ biến các chất mang polymer ở dạng lỗ hoặc ở dạng sợi có gắn các tế bào vi sinh vật và được sắp xếp một cách đặc biệt trong container. Không loại trừ khả năng cố định các tế bào vi sinh vật trên chất mang vô cơ, thí dụ trên silicagel cải biến, khi đó các tế bào vi sinh vật cố định sẽ tạo ra một lớp ép không chặt. Theo nguyên tắc, các tế bào vi sinh vật cố định trên chất mang được nhồi vào thiết bị chứa container nhỏ có hình viên đạn, nước cùng muối khoáng cần thiết cho tế bào vi sinh vật sẽ được đưa vào các containner này. Các chất cần phân huỷ có mặt trong không khí bẩn khi đi qua lớp xúc tác sinh học sẽ phân bố giữa phase khí và màng Dịch ngưng kết Lê Xuân Phương VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG 301 nước bọc các hạt xúc tác, chúng sẽ khuếch tán qua màng này và sau đó bị phân rã trong lớp xúc tác sinh học. Tốc độ làm sạch khí có thể bị giới hạn hoặc bởi sự khuếch tán của cơ chất từ phase khí qua màng nước vào hạt xúc tác, hoặc bởi tốc độ phân rã của chúng do các tế bào vi sinh vật gây ra. Tốc độ khuếch tán phụ thuộc vào bản chất và nồng độ của chất khuếch tán ở ranh giới phía ngoài và phía trong màng nước. Còn tốc độ phân rã chúng lại phụ thuộc vào hoạt độ của hệ enzyme ở tế bào vi sinh vật thực hiện quá trình này. Nếu xảy ra sự phân rã toàn bộ các chất khuếch tán qua màng nước nhờ enzyme, thì điều đó có nghĩa là quá trình này hoạt động ở chế độ khuếch tán. Điều này có thể xét đoán theo ảnh hưởng của chất mang và nồng độ sinh khối lên khả năng phân hủy. Mức độ biến đổi cơ chất phản ánh quá trình làm sạch khí, sẽ bị giảm khi tốc độ của dòng khí gia tăng. Bioreactor có lớp rửa như trên thường có chu kỳ hoạt động khoảng 5-10 ngày, nếu như người ta bổ sung vào nước tưới lên reactor sinh học khoảng 5% bùn hoạt tính lấy từ hồ đọng nước. Tuy nhiên việc sử dụng các vi sinh vật đã thích nghi với sự phát triển trên các chất độc tố có trong không khí cần làm sạch, có thể làm thời hạn trên giảm thậm chí còn vài giờ. Cùng với thời gian, độ cản khí động học của lớp xúc tác sinh học sẽ gia tăng do sự gia tăng hàm lượng sinh khối bị giữ lại trong nó, vì thế cứ vài tháng người ta lại phải làm sạch chất xúc tác sinh học nói trên. Để phân huỷ với hiệu suất cao một chất hữu cơ cụ thể nào đó, thì cần phải sử dụng bioreactor chứa các chủng chuyên biệt có hoạt tính phân hủy chất nói trên cao. Thực tế cho thấy rằng, để thực hiện chức năng xúc tác phân hủy các hợp chất hữu cơ cần phải có chế độ nuôi cấy riêng biệt các chủng vi sinh vật trước khi cố định chúng. Cơ sở của chế độ nuôi cấy này là làm cho quần thể vi sinh vật thích nghi được với một cơ chất cụ thể nào đó, điều này cần thiết bởi vì quần thể vi sinh vật trong trường hợp này rất không đồng nhất. Có thể những khó khăn xuất hiện khi nuôi cấy vi sinh vật trên cơ chất cụ thể, khi cơ chất là chất bay hơi không tan trong nước. Đối với một số chất, có thể sử dụng các chất tương đồng về mặt cấu trúc để tạo ra sự thể hiện của gen chịu trách nhiệm tổng hợp enzyme tương ứng, có nghĩa là gây ra sự cảm ứng không đặc hiệu cho quá trình tổng hợp enzyme phân huỷ. Đồng thời phải nghiên cứu đặc tính động học của quá trình phân huỷ trong một số trường hợp cần thiết, để chắc chắn là không có các chất ức chế được tạo thành trong quá trình phân hủy chất nói trên, cũng như xác định ngưỡng nồng độ hoạt động của hệ thống. Trong vấn đề này cần thiết phải có thông tin về các tế bào bị chết không còn khả năng tái tạo trong quá trình cố định, nếu quá trrình này tiến hành đồng thời với quá trình polymer hóa các sợi mang. Cũng như cần phải biết được ảnh hưởng của các chất hữu cơ tham gia vào quá trình polymer hóa lên khả năng sống sót của tế bào vi sinh vật ở từng giai đoạn riêng biệt. Điều này cần bắt buộc khi vì lý do nào đó phải thay đổi chế độ cố định tế bào hoặc chế độ nuôi cấy chúng. Vì container chứa các tế bào cố định được chuẩn bị trước, cho nên phải tính đến việc sấy khô, giữ hoạt độ của tế bào sau khi sấy, thời gian thích nghi của tế bào sau khi đưa container vào hệ thống và sự thay đổi cho phép của số lượng tế bào còn khả năng sống sót sau thời gian bảo quản ở các điều kiện quy định. Lê Xuân Phương VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG 302 Phụ thuộc vào cơ chất, tế bào có thể thực hiện chức năng thủy giải, thí dụ như esterase là enzyme cắt liên kết ester của các ester phức (như ethylacetate, butylacetate) hoặc đồng hoá cơ chất và sử dụng chúng trong quá trình trao đổi cấu trúc hoặc năng lượng. Cơ sở của quá trình làm sạch khí bằng phương pháp vi sinh vật dựa trên sự phát triển của vi sinh vật khi được khuấy trộn mạnh mẽ, còn gọi là chemostate. Trong đó người ta không quan tâm nhiều đến vấn đề là chất cần phân huỷ ở dạng dung dịch hay dạng hơi trong phase khí có hòa tan hoặc khuếch tán vào phase nước của hệ thống khử hay không. Khác với các bài toán cổ điển được giải quyết theo kiểu chemostate, trong quá trình nói trên có cả các trường hợp có liên quan với nồng độ cơ chất thấp kèm theo các yếu tố giới hạn thay đổi cũng như tốc độ phát triển thấp. Trong các tính toán và chọn kiểu bioreactor có thể sử dụng phương trình không tuyến tính của Monod để tính tốc độ sử dụng cơ chất. Cơ sở lý thuyết của phương thức giải quyết nhiệm vụ đề ra là sự hiểu biết sinh hóa và vi sinh vật về cơ chế đồng hóa các chất cần phân huỷ ở tế bào vi sinh vật. Vì các chất này được sử dụng trong quá trình trao đổi cấu trúc và năng lượng. Do đó cần phải biết được các thông số tính toán tối ưu cho biết phần nào của cơ chất bị oxy hóa đến sản phẩm cuối cùng và phần nào sẽ tham gia vào trao đổi cấu trúc, có nghĩa là tạo sinh khối. Cũng cần phải xác định bằng thực nghiệm giá trị ngưỡng của sinh khối mà ở đó hãy còn diễn tiến quá trình diễn tiến quá trình xúc tác ở những nồng độ đã cho của cơ chất. Hơn nữa phải chú ý là tác động xúc tác được thực hiện bởi các tế bào sống trong quá trình hoạt động của hệ thống bioreactor. Do đó phải tính toán sao cho sự gia tăng sinh khối luôn ở mức tối thiểu, bởi vì sự gia tăng sinh khối nói chung đều tạo nên một sự cản trở bổ sung ở màng. Người ta đưa ra phương pháp phổ biến nhất làm phương pháp khởi đầu để tối ưu hóa các thông số nói trên. Một trong hai phương pháp đó là phương pháp tính theo hiệu quả kinh tế, có nghĩa là phải tính được tương quan tối ưu giữa sự gia tăng sinh khối tối thiểu và sự tiêu tốn cao nhất cho trao đổi năng lượng. Phương pháp thứ hai dựa trên cơ sở tính toán hệ số biến đổi cơ chất cao nhất thành sản phẩm Ypmax theo lý thuyết oxy-hóa khử. Những yêu cầu chủ yếu đối với các thiết bị sinh học làm sạch không khí là: đơn giản trong vận hành, hiệu quả làm sạch, cũng như năng suất hoạt động riêng (là tỷ lệ giữa không khí đi qua thiết bị trong một giờ và thể tích làm việc của hệ thống) cao và độ can trở khí động học thấp. Thiết bị làm sạch sinh học không khí phổ biến nhất là các biofilter có chi phí sản xuất không đáng kể (vật liệu của lớp lọc rẻ và phổ biến, tiêu tốn nước, điện thấp). Năng suất hoạt động của bioreactor cao hơn nhiều so với các thiết bị sinh học làm sạch khí khác, vì nó có nồng độ sinh khí cao trong thể tích làm việc của reactor nhờ sự cố định vi sinh vật trên các chất mang polymer và vô cơ. Ngoài vai trò tập trung sinh khối, các chất mang này còn thực hiện một chức năng rất quan trọng khác là đảm bảo diện tích bề mặt phân cách lớn giữa hai phase nước-khí. Bởi vì hiệu suất làm sạch không khí của bioreactor ở thể tích và tốc độ dòng khí lớn sẽ bị giới hạn bởi tốc độ khuếch tán của các chất cần loại bỏ qua màng nước bao bọc lớp sinh học, do vậy nếu muốn gia tăng hơn nữa năng suất của bioreactor, thì có lẽ phải hoàn thiện hơn thiết kế của bioreactor và tìm kiếm các vật liệu mới để cố định vi sinh vật nhằm tạo diện tích bề mặt ngăn cách phase lớn. Lê Xuân Phương VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG 303 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Nguyễn Lân Dũng , Nguyễn Đình Quyến, Phạm Văn Ty 2002. Vi sinh vật học . NXB Giáo dục. 2. Nguyễn Lân Dũng VSV đất và sự chuyển hoá các hợp chất cacbon, nitơ NXB KH và Kỹ thuật Hà Nội 1984 3. Nguyễn Đức Lượng - Công nghệ VSV tập I, II NXB Đa Quốc gia TP HCM 4. Nguyễn Đức Lượng - Công nghệ VSV tập I, II NXB Đa Quốc gia TP HCM 5. Nguyễn Xuân Nguyên, Trần Quang Huy - Công nghệ xử lý nước thải và chất thải rắn NXB KH & KT Hà Nội 2004 6. Trần Hiếu Khuê (Chủ biên) Trần Đức Hạ - Lê Hiếu Thảo - Giáo trình các quá trình vi sinh trong các công trình cấp thoát nước. Trường Đại học Xây dựng hà Nội 1994 7. Lê Xuân Phương - Vi sinh vật công nghiệp - NXB Xây dựng Hà Nội 8. Trần Thanh - Công nghệ vi sinh NXB Giáo dục Hà Nội 2000 9. Trịnh Thị Thanh - Độc học môi trường và sức khoẻ con người - NXB Đại học Quốc gia Hà NỘi 2003 10. Trần Linh Thước, Phương pháp phân tích vi sinh vật học trong nước thực phẩm và mỹ phẩm, 2002, NXB giáo dục 11. Trần Cẩm Vân - Giáo trình VSV học môi trường NXB ĐH Quốc gia Hà Nội 2003 12. Trung tâm đào tạo ngành nước và môi trường Sổ tay xử lý nước Tập I, II XNB Xây dựng Hà nội 1999 MỤC LỤC PHẦN I : ĐẠI CƯƠNG VỀ VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG .........................1 CHƯƠNG 1 : HÌNH THÁI, CẤU TẠO VÀ CÁC ĐẶC TÍNH CƠ BẢN CỦA VSV ...................................................................................................................1 1.1 Đặc điểm chung của vi sinh vật .....................................................................2 1.2 Các nhóm vi sinh vật chính ...........................................................................5 CHƯƠNG 2 : SINH LÝ ĐẠI CƯƠNG VI SINH VẬT ...........................................59 2.1 Dinh dưỡng của vi sinh vật .........................................................................59 2.2 Trao đổi chất và trao đổi năng lượng của vi sinh vật ..................................90 2.3 Ảnh hưởng các yếu tố bên ngoài đến hoạt động của vi sinh vật .................94 CHƯƠNG 3 : SỰ PHÂN BỐ CỦA VI SINH VẬT TRONG MÔI TRƯỜNG ...108 3.1 Môi trường đất và sự phân bổ của vi sinh vật trong đất ............................108 3.2 Môi trường nước và sự phân bổ của vi sinh vật trong nước .....................119 3.3 Môi trường không khí và sự phân bổ của vi sinh vật trong không khí .....122 CHƯƠNG 4 : KHẢ NĂNG CHUYỂN HOÁ VẬT CHẤT CỦA VI SINH VẬT TRONG CÁC MÔI TRƯỜNG TỰ NHIÊN .....................................126 4.1 Khả năng chuyển hoá các hợp chất cacbon trong môi trường tự nhiên ....126 4.2 Khả năng chuyển hoá các hợp chất nitơ trong môi trường tự nhiên của VSV ....................................................................................................135 4.3 K/năng chuyển hoá các hợp chất phốt pho trong môi trường tự nhiên của VSV ............................................................................................155 4.4 K/năng chuyển hoá các hợp chất lưu huỳnh trong môi trường tự nhiên của VSV ............................................................................................158 CHƯƠNG 5 : Ô NHIỄM VI SINH VẬT ................................................................161 5.1 Nguyên nhân của vấn đề ô nhiễm vi sinh ..................................................161 5.2 Nhiễm trùng và khả năng chống đỡ của cơ thể .........................................162 5.3 Một số vi sinh vật gây bệnh chính .............................................................168 5.4 Một số vi khuẩn gây bệnh khác..................................................................180 5.5 Vi sinh vật chỉ thị ô nhiễm ........................................................................192 PHẦN II : VSV VÀ CÁC CHẤT VỚI QUÁ TRÌNH SINH HỌC TRONG CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG ......................................................................195 CHƯƠNG VI : CƠ SỞ SINH HỌC CỦA QUÁ TRÌNH XỬ LÝ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG .............................................................................................195 6.1 Tình hình ô nhiễm môi trường hiện nay ....................................................195 6.2 Nguyên lý cơ bản của các quá trình ..........................................................196 6.3 Một số loại vi sinh vật sử dụng trong xử lý ô nhiễm môi trường ..............199 CHƯƠNG 7: TÁC NHÂN VI SINH VẬT TRONG QUÁ TRÌNH XỬ LÝ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG NƯỚC .......................................................211 7.1 Vi sinh vật gây bệnh và chỉ tiêu vệ sinh về vi sinh vật trong nước cấp sinh hoạt .............................................................................................211 7.2 Sự nhiễm bẩn nguồn nước, quá trình tự làm sạch của nước nguồn (sông, hồ) ....................................................................................................224 7.3 Các quá trình vi sinh vật trong các công trình xử lý nước thiên nhiên .....238 7.4 Các hiện tượng bất lợi do sự phát triển vi sinh vật, sinh vật trong ống dẫn, công trình và thiết bị cấp nước, biện pháp khắc phục ...............244 7.5 Vi sinh vật với quá trình xử lý ô nhiễm môi trường nước ........................247 CHƯƠNG 8: TÁC NHÂN VI SINH VẬT TRONG XỬ LÝ CHẤT THẢI ........267 8.1 Khái niệm về chất thải ...............................................................................267 8.2 Phân loại chất thải .....................................................................................268 8.3 Khái niệm về xử lý chất thải .....................................................................268 CHƯƠNG 9: TÁC NHÂN VI SINH VẬT TRONG XỬ LÝ KHÍ THẢI ...........293 9.1 Nguyên lý của quá trình xử lý sinh học khí thải .......................................294 9.2 Các hệ thống làm sạch không khí bằng phương pháp sinh học ................293