Vi sinh vật học môi trường - PGS. TS. GV Cao cấp Ngô Tự Thành

t trong pha lỏng cao hơn nhiều so với hằng số bán bão hòa, CL  KS , thì phương trình (10.17) được rút gọn thành biểu thức của tốc độ bậc không: 166 CHƯƠNG 3. VI SINH VẬT VÀ XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG Ô NHIỄM trong đó K = tốc độ phản ứng bậc không, g/m3.giây, tương đương với . Các động học phản ứng bậc không được dùng khi cơ chất không là nhân tố giới hạn tốc độ, do nồng độ cao trong dòng vào hoặc do có một hợp chất khác được dùng làm cơ chất sơ cấp. Dưới đây trình bày hai ví dụ về động học bậc không vẫn thường được mô tả: một là, hợp chất xâm nhập hoàn toàn qua một biofilm có độ dầy L, tức trường hợp giới hạn phản ứng; hai là, nồng độ hợp chất trong pha khí là thấp hơn, và hợp chất này xuyên qua biofilm tới một khoảng cáchnào đó nhỏ hơn L, còn phần còn lại của biofilm được coi là không có hoạt tính, đó là trường hợp giới hạn sự khuếch tán. - Trường hợp giới hạn phản ứng, khi mà hợp chất xâm nhập hoàn toàn qua biofilm: phương trình (10.18) có thể được giải bằng điều kiện ranh giới bên phải với giả định rằng dòng vào pha rắn bằng không. Giả định này được giải thích rằng dòng vào pha rắn do sự hấp phụ bằng dòng ra khỏi pha rắn do giải hấp. Điều kiện ranh giới bên trái trong đó H = hệ số định luật Henry không thứ nguyên Cg = nồng độ pha khí, g/m3 Với việc dùng điều kiện ranh giới bên trái, chúng ta coi rằng các pha khí và lỏng là ở trạng thái cân bằng ở bề mặt ranh giới giữa chúng, đó là điều kiện có thể được mô tả bằng định luật Henry như đã thảo luận ở một phần trên đây. Phép giải cho trường hợp giới hạn phản ứng là: hoặc dưới dạng không thứ nguyên: Thông số ệ , tức chỉ số Thiele, được dùng để biểu thị tỷ số giữa tốc độ phản ứng và tốc độ khuếch tán. - Trường hợp giới hạn sự khuếch tán, khi mà chiều dầy xâm nhập nhỏ hơn chiều dầy của biofilm: điều kiện ranh giới bên phải biến đổi thành 167 Lưu ý rằng khi x kéo theo λ thì CL ≤ KS và giả định về động học bậc không bị vi phạm. Phép giải phương trình (10.18) ở dạng không thứ nguyên trở thành Khoảng xâm nhập có thể được tính bằng cách đặt C* bằng không ở σ=λ/L, từ đó suy ra 3.8.5.2.2 Phản ứng bậc một ở những nồng độ cơ chất trong pha lỏng nhỏ hơn nhiều so với hằng số bán bão hòa, CL  KS, biểu thức Monod rút gọn thành biểu thức tốc độ bậc một. Phương trình (10.17), với biểu thức tốc độ bậc một trở thành Với những điều kiện ranh giới (10.19) và (10.20), phép giải ở dạng không thứ nguyên là Thuật ngữ ệ‘ cũng biểu thị chỉ số Thiele vì đó là tỷ số giữa tốc độ phân hủy sinh học và tốc độ khuếch tán. Lưu ý rằng các số hạng trong (10.21) là khác với các số hạng trong . 3.8.5.3 Sự cân bằng khối lượng trong pha khí Trên hình 10.9 trình bày sơ đồ một tầng lọc sinh học và các trục tọa độ. Phương trình vi phân mô tả sự cân bằng khối lượng ở trạng thái ổn định đối với hợp chất trong pha khí tại vị trí z trong tầng lọc, với giả định rằng sự khuếch tán dọc theo trục không đáng kể, có dạng như sau: trong đó vpore = tốc độ dòng khí (m/giây) xuyên qua môi trường xốp hay còn gọi là tốc độ Darcy, được tính bằng tỷ số giữa tốc độ dòng khí ở bề mặt và phần trống rỗng trong môi trường. AS = diện tích bề mặt trên mỗi đơn vị thể tích của môi trường xốp (m-1) Ng =dòng hợp phần từ pha khí đi vào tầng biofilm (g/m2.giây). Dòng khí xuyên qua tầng biofilm được giả thiết là có dạng ... Hình 10.9. Sơ đồ một tầng lọc sinh học. Dòng Ng đi vào tầng lọc sinh học có thể được xác định từ các phương trình (10.21b), (10.23), và (10.26) cho động học bậc không/ sự giới hạn phản ứng động học bậc không/ sự giới hạn khuếch tán, và động học phản ứng sinh học bậc một, theo thứ tự. Đối với trường hợp động học bậc không/ sự giới hạn phản ứng, thì dòng được xác định từ (10.21) như sau: 168 CHƯƠNG 3. VI SINH VẬT VÀ XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG Ô NHIỄM Đối với trường hợp động học phân hủy sinh học bậc không với sự giới hạn khuếch tán thì dòng được xác định từ (10.23) như sau: Đối với trường hợp động học phân hủy sinh học bậc một thì dòng được xác định từ (10.26) như sau: Giả sử hằng số bán bão hòa cơ chất, tốc độ sinh trưởng đặc hiệu cực đại, và mật độ sinh khối không phải là các hàm số của vị trí trong nồi phản ứng, thì phương trình (10.27) có thể được giải bằng phép tích phân cho ba trường hợp trên đây, với điều kiện ranh giới, Cg = C0 ở z = 0, tại đó C0 là nồng độ trong dòng vào, để thu được các kết quả sau đây: - Bậc không sự giới hạn phản ứng: - Bậc không, sự giới hạn khuếch tán: - Bậc một: Phương trình (10.31), biểu thị trường hợp động học bậc không/ giới hạn phản ứng cho ta biết trước rằng đường biểu diễn nồng độ theo chiều cao trong cột lọc sinh học sẽ là một đường thẳng, và rằng nồng độ trong pha khí ở dòng vào càng cao thì càng đòi hỏi một tầng lọc sâu hơn để đạt được cùng một hiệu quả xử lý (loại bỏ). Hình 10.10 trình bày một kết quả thực nghiệm về khống chế sự phát tán butan bằng một lọc sinh học chứa compost [222] và minh họa động học phản ứng bậc một. Hình 10.10. Đường biểu diễn nồng độ butan trong một lọc sinh học ở quy mô phòng thí nghiệm minh họa một động học phản ứng bậc một [222]. Phương trình (10.32), biểu thị trường hợp động học bậc không với sự khuếch tán, được chứng tỏ là đúng thông qua kết quả thực nghiệm về việc loại bỏ toluen bằng lọc sinh học ở quy mô phòng thí nghiệm [228] (Hình 10.11). Trong nghiên cứu này, nồng độ toluen trong dòng vào là 0,84 g/m3, tức khoảng 200 ppmv. ở một nồng độ thấp hơn thế, trong dòng vào, các kết quả thực nghiệm về loại bỏ diclorometan bằng lọc sinh học ở quy mô phòng thí nghiệm [212] là phù hợp với những gì mà mô hình đã cho phép dự đoán: hình 10.12 cho thấy động học của sự phân hủy bậc một, như ở phương trình (10.33). Các số liệu rất phù hợp với những trị số được dự đoán, cho thấy rằng mô hình này là một công cụ hữu ích để dự đoán hiệu suất của các lọc sinh học xử lý sự phát tán các chất hữu cơ bay hơi ở nồng độ thấp. Trong những thực nghiệm này, nồng độ diclorometan trong dòng vào là 3 ppmv. Hình 10.11. Dạng đường biểu diễn nồng độ toluen trong một lọc sinh học chứa compost cho thấy động học phản ứng bậc không với sự giới hạn khuếch tán trong biofilm [228]. Hình 10.12. Đường biểu diễn nồng độ diclorometan trong một lọc sinh học chứa compost ở quy mô phòng thí nghiệm cho thấy động học phân hủy sinh học bậc một [212]. 169 3.9 Xử lý sinh học chất thải rắn hữu cơ10 3.9.1 Mở đầu Riêng lượng rác thải sinh hoạt thải vào môi trường là rất lớn. chúng ta hãy tự làm phép tính rằng trung bình mỗi người một ngày đưa vào môi trường 0,5 kg rác thải thì nước ta với dân số 80 triệu, thế giới với dân số 6 tỷ sẽ phải xử lý một lượng rác thải khổng lồ như thế nào. Vì vậy việc xử lý chất thải sinh hoạt là vấn đề cấp thiết của mỗi quốc gia, mỗi cộng đồng dân cư. Và ngành công nghiệp xử lý rác thải sinh hoạt đã phát triển nhanh chóng thu hút nhiều công ty có phạm vi hoạt động quốc tế, với nhiều công nghệ hiện đại. Trong khuôn khổ của chương này, chúng ta chỉ đề cập đến những cơ sở của xử lý sinh học- công cụ chủ yếu đễ xử lý chất thải rắn hữu cơ nói riêng và chất thải hữu cơ nói chung. Nắm vững những cơ sở ấy chúng ta hoàn toàn có thể dễ dàng tiếp cận những vấn đề khác mang tính kỹ thuật của việc xử lý chất thải rắn. 3.9.2 Về thành phần chất thải rắn sinh hoạt và chất thải rắn hữu cơ Thành phần chất thải rắn nói chung (rác thải) rất đa dạng, bao gồm từ rác thải công nghiệp, rác thải (phế thải) xây dựng, rác thải sinh hoạt, phế thải nông nghiệp. Như trên đã nói, chất thải rắn hữu cơ chỉ có trong rác thải sinh hoạt (cùng với hỗn hợp rất phức tạp của các hợp phần vô cơ), và là hầu như toàn bộ thành phần của phê thải nông nghiệp. Vì vậy, muốn xử lý sinh học chất thải rắn hữu cơ trong rác thải sinh hoạt một cách hiệu quả thì cần phảitách riêng chúng ra khỏi hỗn hợp của rác. Công việc phân loại đó được thực hiện một cách thủ công hoặc cơ giới. Việc tách (phân loại) bằng cơ giới chủ yếu dựa vào tỷ trọng và kích thước của các hợp phần trong rác. Riêng về phần chất thải rắn hữu cơ trong rác sinh hoạt, chúng cũng rất đa dạng về thành phần nguyên tố, do rất đa dạng về thành phần hợp chất. Chúng ta phải quan tâm tới thành phần nguyên tố của rác này vì vi sinh vật than gia phân hủy chúng, cũng như mọi vi sinh vật, đòi hỏi sự cân đối về thành phần nguyên tố trong hỗn hợp chất dinh dưỡng mà chúng thu nhận, nhất là về tỷ lệ C:N. Trong điều kiện phòng thí nghiệm, chúng ta thường nuôi vi sinh vật trên các môi trường có tỷ lệ C:N (w/w) khoảng từ 8 đến 10. Trong điều kiện tự nhiên của các bãi rác, tỷ lệ này thường cao hơn nhiều, nhưng vi sinh vật vẫn có thể sinh trưởng được- tất nhiên không thể ở mức độ như trong phòng thí nghiệm. Việc bổ sung thêm dinh dưỡng nitơ vào các bãi rác tự nhiên để đạt tỷ lệ C:N như trong điều kiện phòng thí nghiệm là hoàn toàn không kinh tế. Tuy nhiên ở một mức độ nào đó có thể dùng bùn cống như một nguồn dinh dưỡng nitơ bổ sung. Những số liệu sau đây cho chúng ta khái niệm về tỷ lệ C:N của một vài loại rác thải hữu cơ: 10Phiên bản trực tuyện của nội dung này có ở . 170 CHƯƠNG 3. VI SINH VẬT VÀ XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG Ô NHIỄM 171 Về nguồn gốc: Chất thải rắn (rác thải, rác) hữu cơ bao gồm các vật liệu hữu cơ thải bỏ thuộc nhiều loại như: - Phế thải nông nghiệp (rơm, rạ) - Thân, cành và lá cây các loại - Các loại rác thải của vùng nguyên liệu công nghiệp, như: vỏ hạt cà phê, vỏ lạc, bã mía, v.v... - Phế liệu nhà máy giấy, nhà máy sợi - Phế thải của làng nghề chế biến tinh bột - Thực phẩm hỏng hoặc thừa (rau, quả, thịt, cá, trứng v.v...) - Phế thải sinh hoạt (đồ dùng) từ vải, bông, sợi bông, cactông Về mặt hóa học, các rác hữu cơ ấy chứa các phân tử lớn mà tuỳ theo loại rác có thể giàu polysaccarit, protein, lipit, hoặc hỗn hợp của chúng, v.v.... Đa số rác thải sinh hoạt là một hỗn hợp của tất cả các chất hữu cơ nói trên. 3.9.3 Về sự phân huỷ chất hữu cơ nhờ vi sinh vật Như chúng ta biết, trong tự nhiên, tất cả các chất hữu cơ tự nhiên đều bị nhóm này hay nhóm khác của vi sinh vật phân huỷ, trong điều kiện hiếu khí hoặc kị khí. Chất hữu cơ càng phức tạp bao nhiêu thì sự phân huỷ nó càng phải trải qua nhiều giai đoạn, do nhiều nhóm vi sinh vật kế tiếp nhau phân huỷ, trước khi tới sản phẩm cuối cúng là các chất vô cơ. Tuỳ theo loại chất hữu cơ bị phân huỷ, các sản phẩm cuối cùng có thể là CO2, CH4, H2O, NH3, NO2, H2S, v.v... (hình 1). Như vậy một sản phẩm của phản ứng phân huỷ nào đó có thể tích luỹ trong môi trường tự nhiên nơi nó được sinh ra, cũng như có thể được phân huỷ trong một phản ứng tiếp theo, nhờ một nhóm vi sinh vật khác. 3.9.4 Xử lý sinh học rác hữu cơ 3.9.4.1 Khái niệm Các quá trình xử lý sinh học rác hữu cơ do con người thực hiện chính là sự bắt chước những gì diễn ra trong tự nhiên. Nói cách khác, xử lý sinh học rác thải hữu cơ dựa vào hoạt động phân huỷ của vi sinh vật nhằm phân huy chất hữu cơ của rác. Tuy nhiên, để cho quá trình phân hủy ấy đạt hiệu quả cao và triệt để (tới các sản phẩm cuối cùng), cần phải tạo các điều kiện tối ưu cho những vi sinh vật tham gia phân huỷ. Muốn được như vậy, có rất nhiều vấn đề kỹ thuật cần được giả quyết. Ở một mức độ nhất định, một số vấn đề kỹ thuật này sẽ được đề cập ở các phần dưới đây. 3.9.4.1.1 Các biện pháp và quy mô xử lý Ủ đống (composting) Đây là hình thức xử lý được coi là đơn giản nhất và với quy mô nhỏ nhất. Rác được ủ thành đống hoặc luống, nổi trên mặt đất hoặc chìm dưới hố, hoặc nửa nôỉ nửa chìm. Đống ủ có thể được trát kín bằng bùn. Trong trường hợp này, suốt quá trình ủ, oxy sẽ được tiêu thụ dần đến hết, và điều kiện chuyển từ hiếu khí sang kị khí; nhiệt độ có thể tăng lên đến 60-70oC. Nếu đống ủ không được trát kín, nó cũng có thể được đảo xới định kỳ để được cung cấp oxy vào bên trong. Hình thức ủ đóng có thể được áp dụng không những với rác thải sinh hoạt mà còn với rác thải sản xuất của làng nghề, loại giàu tinh bột (chế biến sắn, làm bún, miến, v.v...), với phế thải công nghiệp: công nghiệp cà phê (vỏ hạt cà phê), công nghiệp đường (bã thân cây mía), công nghiệp giấy (phế liệu từ thực vật), phế thải nông nghiệp (rơm, rạ), và với phế thải chăn nuôi (phân và nước tiểu gia súc và gia cầm). Thời gian ủ dài hay ngắn là tuỳ thuộc vào quy mô đống ủ, tuỳ nguyên liệu ủ và điều kiện hiếu khí hay kị khí. Có thể kết hợp một giai đoạn hiếu khí với một giai đoạn kị khí. Sản phẩm của sự ủ đống được gọi là phân ủ (compost), cũng giống như của quá trình phân huỷ chất hữu cơ trong tự nhiên, là hỗn hợp của các chất hữu cơ đơn giản (các sản phẩm trung gian của quá trình phân huỷ các chất hữu cơ phức tạp) và các chất vô cơ. Hỗn hợp này tương đương với mùn trong tự nhiên, vì thế có thể được dùng làm phân bón hữu cơ, dùng cho trồng trọt. Khi bón vào đất, chúng được các nhóm 172 CHƯƠNG 3. VI SINH VẬT VÀ XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG Ô NHIỄM vi sinh vật đất phân huỷ tiếp tới các chất vô cơ mà cây hấp thụ được. Trong quá trình ủ đống nói trên, nếu đảm bão giữ được nhiệt sinh ra (tới 60-70oC) thì hầu hết vi sinh vật gây bệnh (vốn không sinh bào tử), và cả trứng giun, sán bị giết chết, nên phân ủ nói chung không đáng lo ngại về mặt vệ sinh. Trong một số trường hợp, để tăng cường quá trình phân huỷ trong đống ủ, người ta bổ sung các chế phẩm vi sinh vật gồm các tế bào sống đã được lựa chọn. Đó có thể là chế phẩm đơn chủng, hoặc đa chủng có những hoạt tính mong muốn, ví dụ phân huỷ một loại chất nhất định, ở điều kiện hiếu khí, hay kị khí, hoặc vi hiếu khí. Một số chủng đã được dùng làm chế phẩm là thuộc các chi Cellulomonas, Trichoderma, Aspergillus, và Penicillium. Chôn lấp hợp vệ sinh Chôn lấp hợp vệ sinh: Đó là phương pháp lưu giữ chất thải rắn trong một bãi và có phủ đất lên trên. Chất thải rắn trong bãi chôn lấp bị phân hủy sinh học, tạo thành các sản phẩm như axit hữu cơ, các hợp chất nitơ, amôn và một số khí như CO2, CH4. Chất thải rắn được chấp nhận chôn lấp phải là chất thải không nguy hại. Vận hành bãi chôn lấp: Trải những lớp rác dầy 40- 80 cm lên mặt đất, đầm nén nó và tiếp tục trải những lớp khác lên. Khi lớp rác dầy 2- 2,2 m thì phủ một lớp đất dầy 10- 60 cm lên trên rồi lại đầm nén. Cứ như thế với độ cao 15m. Một lớp hoàn chỉnh như vậy gọi là ô rác. Thông thường một con đập bằng đất được làm để rác đổ xuống tì vào và để dễ dàng đầm nén rác sau đó. Nếu bãi vận hành liên tục thì cứ sau 24 tiếng vận hành lại cần phủ đất. Chống thấm cho các ô chôn lấp. • Ô chôn lấp cần được đặt ở những nơi có lớp đất đá tự nhiên đồng nhất, với hệ số thấm ≤ 1.10-7cm/s, và có chiều dày tối thiểu 6m. Phải tạo độ dốc của đáy tối thiểu 2% để nước rác tự chảy về các rãnh thu gom nước thải. • Thành ô chôn lấp cũng phải có tính chống thấm như đáy của nó. Nếu thành ô chôn lấp không đạt yêu cầu, cần phải xây thành nhân tạo, bằng vật liệu có hệ số thấm ≤ 1.10-7cm/s, với chiều rộng tối thiểu 1m. Quá trình sinh hóa diễn ra tại các bãi chôn lấp. • Tại đây, vi sinh vật sử dụng chất hữu cơ của rác làm nguồn dinh dưỡng. • Nhiệt độ tăng tới 60- 70oC kéo dài những 30 ngày. • Ở khoảng nhiệt độ này, các phản ứng hóa học diễn ra sẽ trội hơn các phản ứng vi sinh vật vì hầu hết vi sinh vật bị tiêu diệt ở nhiệt độ 70oC. • Oxy bị vi sinh vật hiếu khí tiêu thụ dần => các vi sinh vật yếm khí bắt đầu hoạt động. • Các quá trình sinh hóa: • Cách chất hữu cơ Nếu rác chứa nhiều sunphat thì sự tạo thành mêtan sẽ giảm. Chất thải xây dựng là một nguồn sunphat, vì thế, không nên đổ lẫn nó vào bãi chôn lấp rác thải chung. 173 Các giai đoạn lớn: • Giai đoạn hiếu khí (ngắn, vài tuần): tạo ra . . . • Giai đoạn yếm khí tùy tiện: tạo ra axit (axit béo); ngoài ra có axit amin, axit hữu cơ • Giai đoạn yếm khí tuyệt đối: tạo ra nhiều CH4 (vài năm đến 100 năm hoặc lâu hơn). Nước rỉ rác (nước rác) Đó là nước bẩn (ô nhiễm) chứa các chất gây ô nhiễm bắt nguồn từ rác, thấm qua lớp rác của bãi chôn lấp, đi xuống đất ở dưới bãi chôn lấp và có thể xuống tới nước ngầm ở vùng đó. Nước rác được hình thành từ tất cả các loại nước xâm nhập vào bãi rác, cũng như từ nước của chính rác thải đem chôn lấp. Thành phần và tính chất lý- hóa- sinh học của nước rác do rất nhiều nhân tố quy định trong đó có thành phần của chính rác ở bãi chôn lấp, thành phần đất phủ, đất nền, độ nén rác, thời gian chôn lấp, khí hậu và mùa, v.v. . . Có thể coi nước rác cũng là một loại nước thải, một loại nước thải thứ cấp. Do vậy, các bãi chôn lấp rác phải có hệ thống thu gom nước rác để xử lý. Đó là hệ thống cống rãnh và/ hoặc ống dẫn xung quanh bãi rác và dưới đáy các lớp rác. Các phương pháp xử lý nước rác về cơ bản cũng là các phương pháp để xử lý nước thải nói chung, và bao gồm các phương pháp vật lý, hóa học và sinh học. Trước khi lựa chọn công nghệ phù hợp để xử lý nước rác và thiết kế trạm xử lý nước rác, trước hết cần quan tâm đến các đặc tính của nước rác về BOD, COD, cặn lơ lửng (SS), hàm lượng nitơ tổng số, hàm lượng NH4+, pH, số lượng coliform, v.v. . . Về sự tạo thành khí ở bãi chôn lấp rác Quá trình phân hủy rác hữu cơ do vi sinh vật thực hiện tại các bãi chôn lấp rác làm sinh ra nhiều loại khí, hỗn hợp các khí ấy được gọi chung là khí sinh học (biogas). Khí sinh học chiếm chủ yếu là mêtan (50- 60%), rồi các khí khác với lượng rất nhỏ, như nitơ, oxy, hydro,v.v. . . Mêtan (CH4) là khí chiếm tỷ lệ lớn nhất và gây nguy hiểm nhất (gây ngạt, gây cháy nổ) nên cần có hệ thống thu gom để tận dụng như một nguồn nhiên liệu. Nếu không thể thu gom được, cần làm thoát khí này để tránh các nguy cơ nói trên. Giới hạn cho phép về nồng độ khí mêtan trong không khí thuộc khu vực bãi chôn lấp rác là 1,25% (v/v). Việc thu gom cũng như làm thoát khí này phải được tính đến trong thiết kế bãi chôn lấp rác. 3.9.4.1.2 Xử lý có chế biến Chất thải rắn đô thị Chất thải rắn đô thị (rác) hầu hết thường được đổ vào các bãi rác rộng lớn. Điều kiện ở đấy là rất kỵ khí, thậm chí đến mức những vật liệu mà lẽ ra bị phân hủy sinh học – như giấy chẳng hạn – cũng rất khó bị vi sinh vật tấn công. Trong thực tế việc tìm thấy những tờ báo cũ tới 20 năm mà vẫn còn đọc rõ chữ là chuyện bình thường. Tuy nhiên những điều kiện kỵ khí như vậy lại thúc đẩy hoạt động của chính những vi khuẩn sinh mêtan. Mêtan mà chúng sinh ra có thể được thu lấy nhờ các lỗ khoan, và được đốt cháy để tạo thành điện năng, hoặc được làm sạch rồi đưa vào hệ thống ống dẫn khí tự nhiên (xem hình 28.14). Tại Mỹ, hơn 100 bãi rác có những hệ thống như vậy, một số hệ thống này cung cấp năng lượng cho vài nghìn người. Hình 28.14. Sự sản sinh mêtan từ rác. Mêtan bắt đầu được tích lũy vài tháng sau khi bãi đổ rác đầy và được bịt kín. Bãi rác này còn tiếp tục sinh mêtan trong vòng 5 – 10 năm. Ảnh này chụp ngọn lửa cháy do mêtan sinh ra từ một bãi rác như vậy. Có thể làm giảm đáng kể lượng chất hữu cơ đổ vào các bãi rác bằng cách trước hết tách nó khỏi vật liệu không bị phân hủy sinh học, và đem ủ đống. Việc ủ đống (composting) là một quá trình được những người làm vườn áp dụng để biến rác thực vật thành mùn tự nhiên (hình 27.9). Đống lá cây hoặc vụn cỏ ấy sẽ chịu sự phân hủy của vi sinh vật. Trong những điều kiện thuận lợi, các vi khuẩn ưa nóng sẽ làm tăng nhiệt độ của đống ủ lên tới 55 – 600C trong vòng hai ngày. Sauk hi nhiệt độ giảm xuống, người ta xới trộn đống ủ để cung cấp thêm oxy, và nhiệt độ đống ủ lại tăng lên. Sau một thời gian, quần thể vi sinh vật ưa nóng được thay thế bằng một thể ưa ấm, chúng tiếp tục biến đổi, một cách chậm chạp, vật chất hữu cơ trong đống ủ sang trạng thái ổn định hơn, đó là mùn. Nếu có nhiều diện tích, rác được ủ đống thành luống (là những 174 CHƯƠNG 3. VI SINH VẬT VÀ XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG Ô NHIỄM đống dài và thấp), những luống này được đảo xới định kỳ bằng máy móc chuyên dụng, nhờ phương pháp ủ đống. a. Rác thải đô thị được đảo xới bằng máy chuyên dụng b. Phân ủ làm từ rác thải đô thị đang chờ để vận chuyển đi bón ruộng Bảng 3.16 Hình 27.9. Việc làm phân ủ từ rác thải đô thị. Phục hồi sinh học những vùng ô nhiễm dầu và những vùng ô nhiễm thủy ngân Theo các tiểu thuyết hư cấu về khoa học, những sinh vật ngoài hành tinh đến đây có cấu trúc hóa học hoàn toàn khác chúng ta, và chúng có thể ăn, uống, hít thở những chất mà chúng ta không thể hấp thụ. Như vậy những cơ thể xa lạ này là vô giá nếu chúng giúp chúng ta làm sạch (loại trừ) những chất gây ô nhiễm hành tinh này như dầu thô, xăng, thủy ngân. . ., tất cả đều độc hại đối với cây cối, động vật và con người. May thay, chúng ta không cần chờ đợi sự viếng thăm của những cơ thể chỉ có trong trí tưởng tượng ấy mà vẫn có thể giải quyết được vấn đề của mình nhờ những cơ thể sống ngay quanh ta: mặc dù nhiều vi sinh vật có nhu cầu dinh dưỡng giống như con người (nên chúng mới làm hỏng thực phẩm của chúng ta!), nhưng có những vi sinh vật khác lại chuyển hóa được những chất mà chỉ có thể là các “món ăn” của các cơ thể ngoài trái đất, như các kim loại nặng, lưu huỳnh, nitơ dạng khí, dầu thô, thậm chí cà polyclorinat biphenyls (PCBs), và thủy ngân. Vi khuẩn có một vài lợi thế trong việc xử lý ô nhiễm. Chúng có thể tách chiết ra những chất gây ô nhiễm khó bị rửa trôi hoặc tách ra, do đã liên kết với đất và nước. Ngoài ra chúng có thể làm thay đổi cấu trúc hoá học của một chất độc để thành một chất không độc, thậm chí có ích. Những vi sinh vật có khả năng phân hủy nhiều chất gây ô nhiễm vẫn sống tự nhiên trong đất và nước; việc sử dụng chúng để phân hủy các chất gây ô nhiễm được gọi là sự phục hồi sinh học (bioremediation). Tuy nhiên vì số lượng của chúng là nhỏ nên không đủ để xử lý những vùng ô nhiễm rộng lớn. Vì vậy phương hướng giải quyết vẫn đề này là nâng cao hoạt tính của các chủng tự nhiên. Một cách khác là cải biến di truyền các chủng để chúng có thể phân hủy một chất hóa học nhất định. Người ta đã đạt được những kết quả rất khả quan trong lĩnh vực phục hồi sinh học khi xử lý vùng bờ biển Alaska sau vụ tràn dầu Exxon Valdez. Nhiều vi khuẩn tự nhiên thuộc chi Pseudomonas có khả năng phân hủy dầu thô vì nhu cầu cacbon và nhu cầu năng lượng của chúng. Khi có mặt không khí, chúng tách đồng thời hai nguyên tử cacbon ra khỏi phân tử lớn của dầu. Đơn vị hai cacbon này có thể được chuyển hóa bên trong tế bào. Vì vi khuẩn phân hủy dầu quá chậm nên phải có cách nào đó mới lợi dụng được chúng để xử lý các vùng bị tràn dầu. Một cách rất đơn giản đã được vận dụng thành công trong việc xử lý vụ tràn dầu nói trên, mà không cần tới biện pháp cải biến di truyền. Đó chỉ đơn giản là việc đưa các phân nitơ và photpho vẫn dùng trong nông nghiệp vào nơi cần xử lý, ở đây chúng được gọi là các chất tăng cường sinh học (bioenhencers). Kết quả là số lượng các vi khuẩn phân hủy dầu tăng lên rõ rệt so với ở các vùng bờ biển không được bón phân, và vì thế bãi biển được sạch dầu. Còn về ô nhiễm thủy ngân thì có một nhóm vi khuẩn khác có khả năng làm sạch. Thủy ngân có mặt trong nhiều chất vốn được dùng rộng rãi, như trong sơn thừa đọng ở đáy hộp đựng quẳng vào bãi rác chẳng hạn. Từ đó nó có thể ngấm vào đất và nước. Một loài vi khuẩn phân bố rộng, Desulfovibrio desulfuricans, trong thực tế làm cho thủy ngân trở nên độc hơn, bằng cách gắn thêm nhóm metyl, thành metyl thủy ngân. Trong các thủy vực, chất này bám vào các cơ thể plankton chẳng hạn, do vậy đi tiếp vào chuỗi dinh dưỡng tới các thể lớn hơn, sau đó gây ngộ độc cho cá và cuối cùng cho người. Để giải quyết vấn đề này chúng ta có thể dùng một nhóm vi khuẩn khác, đó là các loài thuộc chi Pseudomonas. Để tránh bị nhiễm độc, những vi khuẩn này trước hết chuyển hóa metyl thủy ngân thành ion thủy ngân: CH3Hg CH4 + Hg2+ Sau đó nhiều vi khuẩn có thể chuyển hóa ion thủy ngân mang điện tích dương thành dạng nguyên tố tương đối không độc, bằng cách thêm electron mà chúng lấy từ các nguyên tử hydro: 175 Hoạt động này của các vi khuẩn nói trên diễn ra quá chậm trong tự nhiên, nên cấn có các giải pháp kỹ thuật; đó có thể là việc bổ sung các chất nâng cao sinh học, và các kỹ thuật khác, nhằm nâng cao hiệu quả xử lý. Không giống như một vài phương pháp làm sạch môi trường khác, theo đó các chất độc hại được chuyển từ nơi này sang nơi khác, việc làm sạch bằng vi sinh vật có tác dụng loại bỏ chất độc hại và thường trả lại môi trường một chất không độc hoặc có ích. 3.9.5 Định nghĩa chất thải rắn Theo quan niệm chung : Chất thải rắn là toàn bộ các loại vật chất được con người loại bỏ trong các hoạt động kinh tế- xã hội của mình (bao gồm các hoạt động sản xuất, các hoạt động sống và duy trì sự tồn tại của cộng đồng v.v. . .). Trong đó quan trọng nhất là các loại chất thải sinh ra từ các hoạt động sản xuất và hoạt động sống. Theo quan điểm mới: Chất thải rắn đô thị (gọi chung là rác thải đô thị) được định nghĩa là: vật chất mà con người tạo ra ban đầu vứt bỏ đi trong khu vực đô thị mà không đòi hỏi được bồi thường cho sự vứt bỏ đó. Thêm vào đó, chất thải được coi là chất thải rắn đô thị nếu chúng được xã hội nhìn nhận như một thứ mà thành phố phải có trách nhiệm thu gom và tiêu hủy. Chất thải nguy hại: bao gồm các loại hóa chất dễ gây phản ứng, độc hại, chất thải sinh học dễ thối rữa, các chất dễ cháy, nổ hoặc các chất thải phóng xạ, các chất thải nhiễm khuẩn, lây lan. . . có nguy cơ đe dọa tới sức khoẻ người, động vật và cây cỏ. Nguồn phát sinh ra chất thải nguy hại chủ yếu từ các hoạt động y tế, công nghiệp và nông nghiệp. Chất thải y tế nguy hại: là chất thải có chứa các chất có một trong các đặc tính gây nguy hại trực tiếp hoặc tương tác với các chất khác gây nguy hại tới môi trường và sức khỏe cộng đồng. Chúng gồm: bông băng, gạc, nẹp, kim tiêm, ống tiêm, các chi thể cắt bỏ, tổ chức mô cắt bỏ, chất thải sinh hoạt từ bệnh nhân; các chất thải có chứa nồng độ cao của: thủy ngân, chì, catmi, asen, xianua. . .; các chất thải phóng xạ từ bệnh viện. 3.9.6 Các biện pháp làm giảm lượng phát sinh chất thải rắn Lợi ích của việc làm giảm lượng phát sinh chất thải rắn: - Tiết kiệm năng lượng; - Giảm sự khai thác, xử lý, sử dụng các nguồn gây tác động xấu tới môi trường; - Tăng yếu tố an toàn cho công nhân trực tiếp xử lý chất thải rắn, cũng như cho toàn xã hội, do sự giảm phát sinh chất thải rắn, trong đó có chất thải nguy hại. - Giảm chi phí quản lý chất thải - Giảm chi phí xử lý chất thải. Các phương thức giảm chất thải rắn: - Tăng mức tiêu thụ - Xây dựng các quy trình sản xuất mới cho phép sử dụng ít nguyên liệu hơn - Thiết kế và tạo ra các sản phẩm mới sao cho khi sử dụng chúng ít gây ô nhiễm và ít tạo ra chất thải - Loại bỏ sự đóng gói không cần thiết; và đặc biệt quan trọng là: - Áp dụng công nghệ sản xuất sạch hơn. Bạn có biết?Bạn nghĩ gì? SẢN XUẤT SẠCH HƠN 176 CHƯƠNG 3. VI SINH VẬT VÀ XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG Ô NHIỄM Sản xuất sạch hơn (cleaner production) là gì? Đó là khái niệm do chương trình Môi trường của Liên hợp quốc xây dựng và áp dụng tại nhiều nơi trên thế giới từ khoảng năm 1990. Nó cho phép giảm ô nhiễm môi trường do hoạt động sản xuất của con người, ngoài ra còn cho phép giảm chi phí của các đơn vị sản xuất. Mục tiêu của sản xuất sạch hơn là nhằm tránh phát sinh ô nhiễm ngay tại nguồn bằng cách sử dụng tài nguyên và các nguyên liệu có hiệu quả nhất. Nói cách khác, sản xuất sạch hơn tránh việc một phần nguyên liệu đi vào chất thải, thay vào đó nó được chuyển thêm vào giá trị sản phẩm. Như vậy sản xuất sạch hơn đồng nghĩa với giảm thiểu chất thải và ngăn chặn ô nhiễm. Sản xuất sạch hơn và các biện pháp xử lý môi trường (xử lý nước thải, xử lý khí thải, xử lý chất thải rắn) là hai cách tiếp cận khác nhau: Xử lý môi trường, theo cách nói của các đơn vị sản xuất là “xử lý cuối đường ống”, tuy giúp họ giảm mức độ tác hại của các chất thải nhưng không tận thu được phần nguyên liệu mất vào các chất thải (gọi chung là “dòng thải”). Vì vậy xử lý cuối dòng thải đòi hỏi chi phí. Về phần sản xuất sạch hơn, nó vừa giảm nguy cơ gây ô nhiễm vừa mang lại lợi nhuận cho nhà sản xuất. Có thể ví sản xuất sạch hơn tương đương với “phòng bệnh”, còn xử lý cuối đường ống là “chữa bệnh”. Phòng bệnh và chữa bệnh cho ai chắc chúng ta đều rõ. Và như chúng ta đã biết phòng bệnh bao giờ cũng đơn giản, đỡ tốn kém và cho sức khỏe tốt hơn so với chữa bệnh. Vì thế cần luôn ghi nhớ: phòng bệnh hơn chữa bệnh! Từ trước đến nay, những tiêu chí hàng đầu để xem xét một quá trình sản xuất là: lợi nhuận, chất lượng và số lượng sản phẩm. Ngày nay cách nhìn nhận ấy cần thay đổi: với quan điểm sản xuất sạch hơn thì cần phải xem xét đầu vào, đầu ra, cũng như xem xét vfi sao có dòng thải phát sinh, không cho nó phát sinh hoặc giảm nó bằng cách nào, cách tận dụng (tái sử dụng nó) ra sao. Khái niệm sản xuất sạch hơn còn khá mới mẻ ở Việt Nam, do vậy chưa được áp dụng nhiều. Nhằm phổ biến rộng khái niệm này và áp dụng nó nhiều hơn, Tổ chức Phát triển Công nghệ của Liên hợp quốc (UNIDO) cùng với các cơ quan hữu trách của Việt Nam đã xây dựng một số cơ sở nghiên cứu để ứng dụng. Một xí nghiệp bia áp dụng phương thức sản xuất sạch đã giảm được 25% lượng than tiêu dùng nhờ làm giảm tổn thất nhiệt ở hệ thống cấp hơi. Rõ ràng kết quả đó có tác dụng rất tích cực đến môi trường, và là một con số không nhỏ góp vào lợi nhuận của xí nghiệp đó. Cũng tại xí nghiệp đó các biện pháp kĩ thuật nhằm giảm lượng nước tiêu thụ và lượng bia thất thoát cũng có hiệu quả không kém đối với môi trường và cả đối với lợi nhuận. 3.10 Xử lý nước và xử lý nước thải11 Nước sạch là thiết yếu cho sự sống và các hoạt động của con người. Để có nước sạch ấy, cần phải xử lý nước và nước và nước thải. Trong cả hai trường hợp, việc xử lý nhằm loại bỏ các vi sinh vật, hóa chất và các chất gây ô nhiễm khác để bảo vệ sức khỏe con người. 3.10.1 Xử lý nước để uống Trước hết cần nhấn mạnh rằng nước để uống (potable water) là nước được xem là an toàn để uống, chứ không có nghĩa là nước đó hoàn toàn không chứa vi sinh vật và hóa chất. Điếu đó có nghĩa là số lượng vi sinh vật và hàm lượng hóa chất trong nước ấy là thấp đến mức không gây lo ngại cho sức khỏe con người. Từ đó chúng ta hiểu nước nào không phải là nước để uống chính là nước ô nhiễm, nghĩa là nó chứa nhiều vi sinh vật và hóa chất tới quá mức cho phép. Mức cho phép về vi sinh vật và hóa chất trong một loại nước tùy thuộc vào mỗi quốc gia, và tất nhiên tùy thuộc vào việc nước đó có được dùng để uống hay không. Theo tiêu chuẩn của Cơ quan Bảo vệ môi trường của Mỹ (Environmental Protection Agency, EPA) thì chỉ số coliform của nước uống phải là 0, tức không được phép có một coliform nào trong 100ml nước, và chỉ số đó của nước dùng vào mục đích giải trí là 200 coliform/ml. Ở đây cần nhắc lại rằng các coliform là những vi khuẩn đường ruột như E. coli chẳng hạn. Sự có mặt của các coliform trong nước chứng tỏ rằng nước đó đã bị nhiễm phân và như vậy rất có thể nó cũng nhiễm các vi sinh vật gây bệnh. Việc xử lý nước để uống có thể gồm ba giai đoạn (hình 26.8). 11Phiên bản trực tuyện của nội dung này có ở . 177 3.10.1.1 Lắng đọng Trong giai đoạn này, nước được bơm vào các bể chứa, tại đó các vật chất dạng hạt (cát, sỏi, và chất hữu cơ) lắng xuống. Nước đã được làm trong một phần này sau đó được bơm sang bể thứ hai để làm kết tụ (flocculation). [. . .] Nước trong ở trên phần lắng đọng sẽ được bơm sang một bể khác để lọc. 3.10.1.2 Lọc Thủ tục lọc có thể làm giảm tới 90% số vi sinh vật có trong nước, trong vòng vài ngày. Trong một phương pháp lọc người ta dùng cát và các vật liệu khác để vi sinh vật bám vào đó và tạo thành các biofilm, những màng này giữ lại và loại bỏ các vi sinh vật khác ra khỏi nước. Có thể phân biệt kỹ thuật lọc cát chảy nhanh và lọc cát chảy chậm. - Lọc cát chảy chậm gồm một lớp cát mịn hoặc đất khuê tảo dày 1m. Nó có công suất khoảng 3 triệu gallon trên một mẫu anh của bề mặt lọc trên một ngày, do đó thích hợp cho các đô thị nhỏ. - Lọc cát chảy nhanh chứa cát lớn hơn và sỏi, và cho phép lọc 200 triệu gallon/ mẫu anh/ ngày, thích hợp cho các đô thị lớn. Cả hai loại lọc được làm sạch bằng cách phun nước ngược lên trên. Ngoài ra còn có: - Kỹ thuật lọc màng (membrane filtration), mà màng lọc của nó có các lỗ với đường kính 0,2 àm. - Lọc bằng than hoạt tính, nó cho phép vừa lọc các phần tử lơ lửng, vừa loại bỏ một số chất hữu cơ. 3.10.1.3 Sát trùng (disinfection) Đây là giai đoạn xử lý cuối cùng trước khi nước được đua tới người tiêu dùng. Có thể dùng các biện pháp sát trùng sau đây: - Clo hóa: phép xử lý này được dùng phổ biến nhất vì chi phí thấp. Khí clo có thể giết chết vi khuẩn, tảo, nấm, và động vật nguyên sinh, do làm biến tính protein của chúng – trong khoảng 30 phút tác dụng. Mức độ clo hóa phụ thuộc số lượng vi sinh vật trong một đơn vị thể tích nước: số lượng này càng cao thì mức độ clo hóa càng phải cao. Clo hóa không giết chết mọi vi sinh vật: hầu hết virut không bị clo làm bất hoạt, các nội bào tử của vi khuẩn và các nang của động vật nguyên sinh nói chung không bị bất kỳ phép xử lý hóa học nào làm hỏng. Chúng chỉ có thể bị loại trừ hoàn toàn nhờ biện pháp lọc cơ học. Hình 26.8. Xử lý nước để uống a) Một trạm xử lý nước. b) Các giai đoạn xử lý nước: lắng đọng, lọc, và sát trùng. Câu hỏi: - Vì sao xử lý hóa học không thể phá hủy hầu hết virut? Trả lời: - Hầu hết các hóa chất sát trùng được tạo ra nhằm ức chế một hoạt tính trao đổi chất hoặc làm hỏng một cấu trúc tế bào; vì vậy các hóa chất ấy không làm hỏng các virut không có cấu trúc tế bào và đang ngừng trao đổi chất. *** 3.10.2 Xét nghiệm chất lượng nước Việc xét nghiệm chất lượng nước dựa vào sự có mặt của một số sinh vật chỉ thị (indicator organisms) để chứng tỏ khả năng hiện hữu của các tác nhân gây bệnh trong nước uống hoặc trong các thủy vực tự nhiên. Vì phần lớn các bệnh truyền qua nước có nguyên nhân là một sự nhiễm phân, nên sự có mặt của E. coli (sinh vật chỉ thị được dùng phổ biến nhất) và các coliform dạng phân khác trong nước chứng tỏ rằng rất có thể các tác nhân gây bệnh cũng có mặt. E. coli hội đủ các yêu cầu về một vật chỉ thị tốt: nó luôn luôn có mặt trong phân người, có thời gian sống sót lâu bằng hầu hết các tác nhân gây bệnh trong phân (có thể còn lâu hơn), và dễ dàng bị phát hiện bằng các kỹ thuật đơn giản. Sau đây là một số kỹ thuật xét nghiệm chất lượng nước: 178 CHƯƠNG 3. VI SINH VẬT VÀ XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG Ô NHIỄM - Kỹ thuật nhiều ống nghiệm: kỹ thuật “cồng kềnh” và lâu đời nàydựa trên việc tìm số lượng có xác suất lớn nhất (most probable number, MPN) (xem hình 6.24); đó là một phép thử theo phương pháp thống kê, cho phép khẳng định sự nhiễm bẩn. Hình 6.24. Phương pháp nhiều ống nghiệm để xác định số lượng vi sinh vật trong nước. Thông thường, cần một dãy 5 ống nghiệm cho mỗi độ pha loãng. Sau khi nuôi, số lượng ống mà trong đó có sinh trưởng được dùng để tra bảng MPN (xem bảng 6.6.), để biết số tế bào/ 100ml chất lỏng. Câu hỏi - Nếu các kết quả là 5, 3, 1 thì số lượng vi sinh vật có thể sẽ là bao nhiêu? Trả lời - MPN là 110. - Kỹ thuật lọc màng (membrane filtration): kỹ thuật này được dùng phổ biến hơn (hình 26.9.a), vì dễ thao tác. Rót 100ml nước cần xét nghiệm qua một màng lọc, sau đó đặt màng này lên đĩa thạch EMB (Eosin methylene blue) và nuôi. Mọi coliform dạng phân nào sinh trưởng trên đó thì đều có màu xanh lục ánh kim loại rất đặc trưng. Sau đó đếm số khuẩn lạc này và biểu thị thành số lượng khuẩn lạc/ 100ml. Hình 26.9.a. Kỹ thuật lọc màng. Các đường kẻ ô vuông trên màng lọc cho phép đếm dễ dàng các khuẩn lạc màu xanh ánh kim loại đặc trưng của các coliform dạng phân. Hình 26.9.b. Kỹ thuật dùng ONPG và MUG. Màu vàng trong chai chứa ONPG cho biết sự có mặt của các coliform, còn màu huỳnh quang xanh trong chai chứa MUG cho biết sự có mặt của coliform E. coli, chai không màu là đối chứng âm tính. - Kỹ thuật dùng ONPG và MUG: Các mẫu nước được rót vào các chai nhỏ chứa ONPG (O- nitrophenyl-ò- D- galactopyranoside) và MUG (4- methylumbililliferyl- õ- D- glucouronide) làm nguồn dinh dưỡng duy nhất. Hầu hết các coliform đều sản sinh õ- galactosidase, một enzyme phản ứng với ONPG để tạo ra màu vàng, còn coliform dạng phân E. coli thì sinh ra một enzym khác- õ- glucuronidase- phản ứng với MUG để tạo thành chất phát huỳnh quang xanh dưới ánh sáng tử ngoại có bước sóng dài (hình 26.9.b). Kỹ thuật này cho phép phát hiện nhanh, nhưng cũng giống như MPN, nó không co biết con số thật. - Kỹ thuật fingerprinting Với hai kỹ thuật trên đây không thể phát hiện các virut và những vi khuẩn gây bệnh đặc hiệu. Muốn phát hiện chúng cần phải dùng kỹ thuật fingerprinting, theo đó các mẫu nước cần xét nghiệm phải được làm giàu bằng cách nuôi mọi cơ thể có mặt trong đó. Sau đó hàm lượng ADN của mẫu đã làm giàu được sàng lọc di truyền để nhận dạng tác nhân gây bệnh tiềm ẩn. Những xét nghiệm thuộc loại này nói chung chỉ có thể thực hiện được tại những trung tâm xét nghiệm lớn, nơi có các phòng thí nghiệm đủ khả năng thao tác chúng. 3.10.3 Xử lý nước thải Nước thải chứa rất nhiều loại tác nhân gây ô nhiễm khác nhau, bao gồm các chất rắn lơ long, các chất hữu cơ và vô cơ có khả năng bị phân hủy sinh học, các kim loại độc, và các tác nhân gây bệnh. Mục đích của xử lý nước thải là loại bỏ hoặc giảm thiểu những tác nhân gây ô nhiễm này tới mức có thể chấp nhận được. Vì nước thải chủ yếu là nước (chỉ chứa dưới 1% chất rắn), nên hầu hết các quá trình xử lý nước thải đều liên quan đến việc loại bỏ các vi sinh vật. Có một thời nước thải không xử lý được đổ thẳng vào sông hoặc biển nơi gần nhất, với ý nghĩ rằng nước thải ấy sẽ bị pha loãng tới mức vô hại. . . . . . . . . . . . Một khái niệm then chốt trong xử lý nước thải là làm giảm nhu cầu oxy sinh hóa (biochemical oxygen demand, BOD) tức là làm giảm lượng oxy mà các vi sinh vật hiếu khí đòi hỏi để chuyển hóa hoàn toàn chất hữu cơ trong nước thải. Lượng oxy này tỷ lệ thuận với lượng chất thải trong nước; nồng độ các chất có thể phân hủy được càng cao thì lượng oxy cần thiết để chuyển hóa chúng càng cao, do đó BOD càng cao. Những xử lý nước thải có hiệu quả làm giảm BOD tới mức rất thấp, khiến cho vi sinh vật sinh trưởng kém, do đó các vi sinh vật gây bệnh ít có cơ hội sống sót. 179 Dưới đây chúng ta xem xét các kiểu xử lý nước thải khác nhau: xử lý nước thải theo cách truyền thống, được áp dụng trong các hệ thống xử lý cho đô thị, xử lý dùng cho các vùng nông thôn, xử lý các chất thải nông nghiệp, và xử lý trong đó dùng các đầm lầy nhân tạo. 3.10.3.1 Xử lý nước thải đô thị Ngày nay, các thành phố lớn ở các nước phát triển đều có hệ thống cống rãnh đô thị, gồm các đường ống dẫn, thu thập nước thải và dẫn nó tới các trạm xử lý nước thải để xử lý. Việc xử lý nước thải theo cách truyền thống bao gồm bốn giai đoạn (hình 26.10): 3.10.3.1.1 Xử lý bậc một Nước thải được bơm vào các bể lắng, tại đó các vật rắn nhẹ, dầu và mỡ, các vật thể trôi nổi được vớt bỏ đi, còn các vật thể nặng hơn thì lắng xuống đáy thành bùn. Sau khi bổ sung phèn là tác nhân gây keo tụ, bùn được loại bỏ, và phần nước đã làm trong một phần này sẽ được xử lý tiếp. Xử lý bậc một loại bỏ được 25- 35% BOD của nước thải. 3.10.3.1.2 Xử lý bậc hai Hoạt tính sinh học trong giai đoạn này làm giảm BOD tới còn 5- 25% so với ban đầu. Hầu hết vi sinh vật gây bệnh cũng bị loại trừ. Nước thải được thông khí nhằm thúc đẩy sinh trưởng của các vi sinh vật hiếu khí, chúng oxy hóa các chất hữu cơ hòa tan tới CO2 và nước. Trong một hệ thống bùn hoạt tính, nước thải đang được thông khí còn được bổ sung (cấy) bùn của xử lý bậc một trong đó chứa nhiều vi sinh vật đang có hoạt động oxy hóa; sự keo tụ cũng xảy ra trong giai đoạn này. Mọi vật chất rắn còn lại đều lắng xuống và tham gia vào bùn từ xử lý bậc một. Bùn tổng thể ấy được bơm vào các bể chứa kỵ khí. Với một vài cộng đồng dân cư nhỏ hơn thì có thể thực hiện xử lý bậc hai nhờ hệ thống lọc trích (lọc chảy giọt, trickling filter), mà nguyên lý hoạt động giống với của các lọc cát chảy chem. Dùng trong xử lý nước để uống nhưng kém hiệu quả hơn hệ thống bùn hoạt tính về mặt làm giảm BOD. 3.10.3.1.3 Xử lý hóa học Nước từ xử lý bậc hai được sát trùng, thường bằng cách clo hóa, sau đó được thải vào các thủy vực tự nhiên, hoặc đôi khi được phun tưới cho nông nghiệp hoặc cho các thảm cỏ ven đường quốc lộ. Trong những trường hợp khác người ta loại bỏ nitrat, photphat và phần BOD cũng như các vi sinh vật còn sót lại bằng cách đưa nước qua những lọc cát mịn và/ hoặc qua cá lọc than hoạt tính. Nitrat được chuyển hóa thành ammoniac và thải vào không khí (nhờ thế loại bỏ được khoảng 50% lượng nitơ), còn photphat thì được kết tủa bằng vôi hoặc phèn (do vậy loại bỏ được khoảng 70% lượng photpho). Việc xử lý bậc ba như vậy nói chung được áp dụng cho những vùng nhậy cảm về môi trường, hoặc những nơi mà nước thải được thải vào các hệt thống hồ kín. 3.10.3.1.4 Xử lý bùn Bùn được phân hủy kỵ khí theo ba bước: - Đầu tiên các vi sinh vật kỵ khí lên men vật chất hữu cơ để sinh ra CO2 và các axit hữu cơ. - Sau đó vi sinh vật khử những axit hữu cơ này thành H2 và thành CO2 nữa và những axit hữu cơ đơn giản hơn như axit axetic chẳng hạn. - Cuối cùng, các axit hữu cơ đơn giản ấy, H2 và CO2 được chuyển thành khí mêtan. Phần bùn còn lại được làm khô mang đi chôn lấp hoặc dùng làm phân bón. Hình 26.10. Xử lý nước thải đô thị. (a) Một trạm xử lý nước thải đô thị. (b) Các giai đoạn của quá trình xử lý. Sự phân hủy nhờ vi sinh vật trong giai đoạn xử lý bậc hai làm giảm phần lớn BOD trước khi nước thải được xử lý hóa học. Sau giai đoạn xử lý bùn, thu được bùn khô, nó được tái tuần hoàn vào đất, còn mêtan sinh ra thì được thu lấy để làm nhiên liệu. 180 CHƯƠNG 3. VI SINH VẬT VÀ XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG Ô NHIỄM 3.10.3.2 Xử lý nước thải cho vùng nông thôn Tại các vùng nông thôn, nơi không có hệ thống đường dẫn nước thải chung nối cá nhà với nhau để dẫn đến trạm xử lý, có hai loại hình hệ thống xử lý nước thải: 3.10.3.2.1 Bể tự hoại Đây là một hệ thống xử lý ở qui mô hộ gia đình, tương đương với xử lý bậc một (hình 26.11). Nước thải trong nhà chảy vào một bể chứa xây kín và ngầm dưới đất, trong vườn chẳng hạn. Các chất rắn lắng xuống đáy bể, còn chất lỏng thì chảy ra khỏi bể, vào một vùng thấm lọc (leach field) ngầm dưới đất, vùng này có tác dụng lọc. Bùn trong bể và các chất hữu cơ trong nước bị các vi sinh vật phân hủy. Tuy nhiên vì bể được xây kín, nên lượng bùn được tích lũy ngày càng nhiều trong bể cần phải được bơm hút ra một cách định kỳ. Hình 26.11. Bể tự hoại. Sau khi nước thải trong nhà chảy vào bể tự hoại, các chất rắn lắng xuống thành bùn, còn chất lỏng được lọc qua đất trong những vùng thấm lọc. 3.10.3.2.2 Hố nước thải Hố này giống với bể tự hoại nhưng nó không được xây kín. Khi nước thải đi vào hệ thống của các vòng có lỗ được xây chìm dưới đất, nước được giải phóng vào đất xung quanh; các chất thải rắn được tích tụ ở đáy và được vi sinh vật kỵ khí phân hủy. 3.10.3.3 Xử lý chất thải nông nghiệp Nông dân và các chủ trại chăn nuôi thường dùng hệ thống cácao oxy hóa để xử lý chất thải động vật tích tụ trong các khu chăn nuôi. Các ao này thực hiện chức năng của xử lý nước thải. Nước thải được bơm vào các ao sâu và được giữ ở đó trong ba tháng; bùn lắng xuống đáy ao; và các vi sinh vật kỵ khí phân hủy bùn này; phần chất lỏng được bón sang ao tiếp theo, nông hơn, tại đó sóng trong ao có tác dụng thông khí cho nước. Các vi sinh vật hiếu khí, nhất là tảo, phân hủy các chất hữu cơ lơ lửng trong nước. Cuối cùng các vi sinh vật chết đi, và nước đã trở nên trong được thải vào các thủy vực. Nhược điểm của các ao oxy hóa là ở chỗ chúng là những hệ thống mở, do đó nếu nước lũ tràn qua chúng thì sẽ làm phát tán các chất thải động vật chưa xử lý tới những vùng khác ở rất xa. 3.10.3.4 Các đầm lầy nhân tạo Từ những năm 1970, các cộng đồng dân cư nhỏ và một số nhà máy đã xây dựng các đầm lầy nhân tạo để xử lý nước thải. Các đầm lầy này sử dụng các quá trình tự nhiên để phân hủy chất thải và loại bỏ vi sinh vật và các hóa chất ra khỏi nước trước khi thải nó ra ngoài tự nhiên. Không cần đến các bể tự hoại, mà thay vào đó, nước thải chảy vào các ao kế tiếp nhau- nơi xảy ra sự phân hủy vi sinh vật (hình 26.12). Ao đầu tiên của hệ thống được thông khí để thúc đẩy sự phân hủy hiếu khí chất thải trong nước; sự phân hủy kỵ khí diễn ra trong bùn ở đáy ao. Sau đó nước chảy qua đầm lầy, tại đó chất hữu cơ bị phân hủy tiếp nhờ vi sinh vật đất. Một ao thứ hai, ao tĩnh và chứa tảo, sẽ loại bỏ tiếp chất hữu cơ, sau đó nước chảy qua một mảnh đất sình lầy mở, tại đó cỏ và cây sẽ giữ lại các chất gây ô nhiễm. Dần dần, nước đi tới ao cuối cùng, khi ấy hầu hết BOD và vi sinh vật được loại bỏ, và nước có thể được thải ra ngoài hệ thống cho các mục đích tưới tiêu và giải trí . Nhược điểm của hệ thống này là ở chỗ, nó cần diện tích rộng, ví dụ tới 50 mẫu anh hoặc hơn nữa, chỉ để phục vụ cho một cộng đồng nhỏ. Hình 26.12. Xử lý nước thải nhờ một hệ thống đầm lầy nhân tạo. Phần lớn BOD được loại bỏ do hoạt động vi sinh vật trong ao đầu tiên; sự lọc tự nhiên do cây và đất thì loại bỏ các chất ô nhiễm và phần còn lại của BOD. Câu hỏi - Tại sao hệ thống đầm lầy nhân tạo không khả thi đối với các vùng tập trung dân cư lớn? Trả lời - Vì các vùng tập trung dân cư lớn thải ra quá nhiều chất thải và có quá ít diện tích cho việc xây dựng hệ thống này sao cho nó hoạt động tốt. Chương 4 Vi sinh vật và bảo vệ môi trường 181 182 INDEX Chỉ mục Từ khóa và Thuật ngữ Các từ khóa được liệt kê theo phân mục theo thứ tự chữ cái và có dạng: từ khóa, mục (trang). Thuật ngữ được tham chiếu bởi các trang mà chúng xuất hiện. A alcohol, § 3.3(100) an toàn, § 3.10(176) C cacbon, § 1.4(43) chu trình, § 1.4(43) chu trình các bon, § 1.4(43) chất thải rắn, § 3.9(169) chất đặc biệt, § 3.3(100) clorit, § 3.3(100) cổ khuẩn, § 1.1(1) D dinh dưỡng, § 1.3(34) E enzim, § 1.2(4) H hữu cơ, § 3.9(169) I in situ, § 3.5(117) K khả năng, § 3.2(77) L lãnh giới, § 2.1(49) M metylen, § 3.3(100) môi trường, § 3.1(57) N nhân tố, § 3.4(111) nhóm chất, § 3.2(77) nước ngầm, § 3.5(117) nước thải, § 3.10(176) P pha bùn, § 3.6(121) pha khí, § 3.8(154) pha rắn, § 3.7(142) phân hủy, § 3.2(77), § 3.3(100), § 3.4(111) phục hồi, § 3.6(121), § 3.7(142) procaryot, § 1.2(4) S sinh giới, § 1.1(1) sinh học, § 3.3(100), § 3.4(111), § 3.6(121), § 3.7(142), § 3.8(154), § 3.9(169) sinh khối, § 1.3(34) sinh địa hóa, § 1.4(43) sản xuất, § 1.1(1) T tế bào, § 1.2(4), § 1.3(34) V vi khuẩn, § 1.2(4), § 2.1(49) vi sinh vật, § 1.1(1), § 1.3(34), § 1.4(43), § 2.1(49), § 3.1(57), § 3.2(77) X xử lý, § 3.1(57), § 3.5(117), § 3.8(154), § 3.9(169) xử lý nước, § 3.10(176) ô ô nhiễm, § 3.1(57) đ đời sống, § 1.1(1) Tham gia đóng góp 183 Tham gia đóng góp Tài liệu: Vi sinh vật học môi trường Biên soạn bởi: PGS. TS. GV Cao cấp Ngô Tự Thành URL: Giấy phép: Module: "Vi sinh vật trong tự nhiên, trong đời sống, sản xuất của con người" Tác giả: PGS. TS. GV Cao cấp Ngô Tự Thành URL: Trang: 1-4 Bản quyền: Giấy phép: Module: "Cấu trúc và chức năng của tế bào Procaryot" Tác giả: PGS. TS. GV Cao cấp Ngô Tự Thành URL: Trang: 4-34 Bản quyền: Giấy phép: Module: "Dinh dưỡng của vi sinh vật" Tác giả: PGS. TS. GV Cao cấp Ngô Tự Thành URL: Trang: 34-43 Bản quyền: Giấy phép: Module: "Các chu trình sinh địa hóa" Tác giả: PGS. TS. GV Cao cấp Ngô Tự Thành URL: Trang: 43-47 Bản quyền: Giấy phép: Module: "Một số nhóm vi khuẩn" Tác giả: PGS. TS. GV Cao cấp Ngô Tự Thành URL: Trang: 49-56 Bản quyền: Giấy phép: Module: "Một số khái niệm căn bản về xử lý sinh học môi trường ô nhiễm" Tác giả: PGS. TS. GV Cao cấp Ngô Tự Thành URL: Trang: 57-77 Bản quyền: Giấy phép: 184 Tham gia đóng góp Module: "Khả năng của vi sinh vật phân hủy một số nhóm chất" Tác giả: PGS. TS. GV Cao cấp Ngô Tự Thành URL: Trang: 77-100 Bản quyền: Giấy phép: Module: "Sự phân hủy sinh học một số chất đặc biệt" Tác giả: PGS. TS. GV Cao cấp Ngô Tự Thành URL: Trang: 100-111 Bản quyền: Giấy phép: Module: "Những nhân tố ảnh hưởng đến sự phân hủy sinh học" Tác giả: PGS. TS. GV Cao cấp Ngô Tự Thành URL: Trang: 111-117 Bản quyền: Giấy phép: Module: "Xử lý In situ đối với nước ngầm" Tác giả: PGS. TS. GV Cao cấp Ngô Tự Thành URL: Trang: 117-121 Bản quyền: Giấy phép: Module: "Phục hồi sinh học pha bùn" Tác giả: PGS. TS. GV Cao cấp Ngô Tự Thành URL: Trang: 121-142 Bản quyền: Giấy phép: Module: "Phục hồi sinh học pha rắn" Tác giả: PGS. TS. GV Cao cấp Ngô Tự Thành URL: Trang: 142-154 Bản quyền: Giấy phép: Module: "Xử lý sinh học pha khí" Tác giả: PGS. TS. GV Cao cấp Ngô Tự Thành URL: Trang: 154-168 Bản quyền: Giấy phép: Tham gia đóng góp 185 Module: "Xử lý sinh học chất thải rắn hữu cơ" Tác giả: PGS. TS. GV Cao cấp Ngô Tự Thành URL: Trang: 169-176 Bản quyền: Giấy phép: Module: "Xử lý nước và xử lý nước thải" Tác giả: PGS. TS. GV Cao cấp Ngô Tự Thành URL: Trang: 176-180 Bản quyền: Giấy phép: Vi sinh vật học môi trường Môn học gồm 4 phần và . . .. chương Phần I. Những khái niệm cơ bản về vi sinh vật Trong phần này sẽ cung cấp những hiểu biết cơ bản về vi sinh vật như: vi sinh vật là gì, đặc tính chung của chúng, vai trò của chúng trong tự nhiên và trong đời sống sản xuất của con người, cấu tạo và chức năng của hai loài tế bào vi sinh vật (procaryot và eucargot), dinh dưỡng, sinh trưởng và trao đổi chất của vi sinh vật, các chu trình sinh địa hóa với sự tham gia của vi sinh vật. Phần II. Giới thiệu một số nhóm vi sinh vật Phần III. Vi sinh vật và xử lý môi trường ô nhiễm Phần IV. Vi sinh vật và bảo vệ môi trường Thu vien Hoc Lieu Mo Viet Nam Học liệu mở Việt Nam - Vietnam Open Educational Resources (VOER) - là thư viện học liệu mở được phát triển trên mô hình ba chân, cộng đồng mở, nội dung mở và công nghệ mở. Học liệu mở Việt Nam sử dụng hệ thống phầm mềm Rhaptos (hệ thông xuất bản trực tuyến do đại học Rice phát triển và được đánh giá là một cuộc cách mạng trong lĩnh vực xuất bản), giúp cho việc xây dựng, phát triển và lưu trữ nội dung như sách, giáo trình, .. trở nên dễ dàng như đếm 1-2-3. Tất cả các tài liệu trên Học liệu mở Việt Nam đều tuân theo giấy phép bản quyền Mở Create Commons Attribution 3.0 (CC-by 3.0) giúp cho việc tái sử dụng và phân phối trở lên trong suốt với người dùng. Bất kỳ ai cũng có thể tham gia Cộng đồng Mở để đóng góp, sử dụng, phân phối Nội dung Mở trên thư viện Học liệu Mở Việt Nam. Học liệu mở Việt Nam vì sự phát triển của cộng đồng người Việt.