Chương 9
Các ứng dụng trong môi trường
I. Mở đầu
Như chúng ta biết, môi trường sống hiện đang bị ô nhiễm trầm trọng,
giải quyết nạn chất thải vẫn là vấn đề hết sức nan giải, đặc biệt là chất thải
công nghiệp ảnh hưởng rất lớn đến môi sinh. Ngoài ra, một khối lượng lớn
chất thải dân dụng, rác thành phố, phế phẩm nông nghiệp... cũng đã và đang
gây ô nhiễm nặng nề môi trường sống. Dân số của thế giới lại không ngừng
tăng, nhu cầu tiêu thụ hàng hóa càng lớn, khối lượng hàng hóa phải sản xuất
ra ngày càng nhiều, vì thế lượng rác do sản xuất và tiêu thụ thải vào môi
trường là không nhỏ.
Cùng với sự phát triển của khoa học-kỹ thuật, loài người đang phải bắt
đầu tìm cách giải quyết vấn đề bảo vệ môi trường bằng nhiều biện pháp
khác nhau. Trong đó, các biện pháp công nghệ sinh học ngày càng tỏ ra ưu
việt hơn so với các biện pháp khác. Nói chung, hiện nay vấn đề bảo vệ môi
trường được giải quyết theo ba hướng sau: 1) Phân hủy các độc chất vô cơ
và hữu cơ; 2) Phục hồi các chu trình trao đổi chất của C, N, P và S trong tự
nhiên; 3) Thu nhận các sản phẩm có giá trị ở dạng nhiên liệu hoặc các hợp
chất hữu cơ.
Hiện tại có hai vấn đề cơ bản được đặt ra: 1) Giải quyết tiêu hủy một
khối lượng khổng lồ các loại chất thải ngày càng nhiều mà không ảnh hưởng
đến môi trường. 2) Vô hiệu hóa các loại chất độc sinh ra trong quá trình
phân hủy các loại chất thải công nghiệp, đã gây ô nhiễm nghiêm trọng đất,
nước, không khí, và gây nguy hiểm đến sức khỏe con người và động vật.
Với sự phát triển của công nghệ sinh học nói chung và công nghệ
DNA tái tổ hợp nói riêng, việc nghiên cứu và ứng dụng thành tựu công nghệ
sinh học để giải quyết vấn đề môi trường được đặt ra cấp bách và thực sự
đang được ứng dụng ngày càng rộng rãi.
II. Xử lý nước thải
Cho đến nay, các chất thải trong hoạt động sống của con người đều
được xử lý một cách tự nhiên nhờ vi sinh vật. Nhìn chung, quá trình này bao
Nhập môn Công nghệ sinh học 302
gồm một số giai đoạn sau: 1) Loại bỏ phần rắn, tủa và cặn. 2) Phân hủy các
chất hữu cơ tan trong nước nhờ vi khuẩn hiếu khí để tạo ra bùn non (còn gọi
là bùn hoạt tính), bùn non sau đó bị loại bỏ hoặc được đưa vào bể phản ứng
để tái sử dụng. 3) Tạo tủa và tách P và N (giai đoạn này có khi không cần
thiết). 4) Xử lý bùn tạo ra ở giai đoạn 1 và 2 bằng phân hủy yếm khí. Quá
trình này làm giảm thể tích cặn, số lượng vi sinh vật gây bệnh, làm mất mùi
hôi và tạo ra nhiên liệu sinh học chứa khí methane, còn gọi là biogas.
1. Xử lý hiếu khí bằng hệ thống bùn hoạt tính
Công nghệ xử lý chất thải bằng bùn hoạt tính có công suất lớn hơn
nhiều so với xử lý bằng bộ lọc thấm. Tuy nhiên, nó cũng có một số nhược
điểm sau: do cường độ sử dụng lớn hơn, nên mức tiêu thụ năng lượng để
khuấy trộn không khí cũng như số lượng sinh khối được tạo ra lớn hơn
(Bảng 9.1). Công nghệ này thích hợp để xử lý nước thải cho các điểm dân
cư đông đúc, vì nó chiếm ít diện ích hơn so với hệ thống xử lý theo công
nghệ lọc thấm.
Bảng 9.1. So sánh các quá trình xử lý nước thải khác nhau
Xử lý hiếu khí Xử lý yếm khí
Bùn hoạt tính MBR UASB
BOD còn lại Thấp Rất thấp Cao
N và P còn lại Thấp Thấp Cao
Sản xuất bùn Cao Rất thấp Rất thấp
Năng lượng Cao Cao Thấp
Diện tích đáy Lớn Rất nhỏ Rất nhỏ
Độ tin cậy Phần lớn là bùn Thô Nổi hạt nhỏ
Chú thích:
MBR: bể phản ứng sinh học màng (membrane bioreactor)
UASB: bể phản ứng kiểu lớp phủ bùn thải yếm khí chảy lên (upflow
anaerobic sludge blanket reactor).
Nhập môn Công nghệ sinh học 303
Thực tế có khá nhiều hệ thống xử lý theo công nghệ này. Thiết kế của
chúng khác nhau tùy thuộc vào hệ số thông khí và cách thức cung cấp khí
(Hình 9.1). Bùn non trong hệ thống xử lý này chứa nhiều nước hơn so với
bùn non trong bộ lọc thấm, vì vậy chứa ít chủng loại vi sinh vật hơn. Để quá
trình xử lý đạt kết quả, việc xác định thành phần và nồng độ các chất trong
nước thải là vấn đề quan trọng bậc nhất nhằm tạo điều kiện cho nhiều nhóm
vi sinh vật tham gia quá trình xử lý. Các vi sinh vật quan trọng nhất là nhóm
vi khuẩn tự dưỡng chất hữu cơ như: Achromobacter, Flavobacterium,
Pseudomonas và Moraxella. Trường hợp nước thải có hàm lượng chất vô cơ
cao, thì cần sự có mặt các loại vi khuẩn như: Thiobacillus, Nitrosomonas,
Nitrobacter và Ferrobacillus, chịu trách nhiệm oxy hóa S, NH3 và Fe.
Bể thiếu oxygen Bể hiếu khí Bể lắng
Nước thải
Chất
lỏng
Không khí
Thu hồi nitrate Bùn thải
Thu hồi bùn
Hình 9.1. Sơ đồ dòng chảy của bùn hoạt tính với sự loại bỏ N sinh học
2. Xử lý yếm khí
Trong quá trình xử lý yếm khí chất thải (lên men tạo khí methane) có
ba nhóm vi khuẩn tham gia: 1) Nhóm vi khuẩn chịu trách nhiệm thủy phân
và lên men. 2) Nhóm vi khuẩn tạo H2 và acetic acid. 3) Nhóm vi khuẩn tạo
khí methane tự dưỡng sử dụng H2. Để nâng cao hiệu suất của quá trình lên
men, hiện nay người ta vẫn tiếp tục hoàn thiện các loại giống, chủng vi
khuẩn lên men yếm khí bằng biện pháp chọn lọc tự nhiên hoặc nhờ phương
pháp công nghệ DNA tái tổ hợp. Đặc biệt, về mặt công nghệ người ta cần
phải chú ý khắc phục các yếu tố giới hạn tốc độ phân hủy cơ chất có mặt
trong chất thải như cellulose, tinh bột... và tốc độ tạo khí methane. Cần lưu ý
Nhập môn Công nghệ sinh học 304
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 động của vi khuẩn tạo khí methane.
Trong thực tế có rất nhiều kiểu thiết bị lên men yếm khí. Từ những
dạng cấu tạo đơn giản hoàn toàn thủ công, cho đến các hệ thống xử lý có
cấu tạo khá phức tạp hiện đang hoạt động ở một số nước phát triển. Dưới
đây là kiểu thiết bị lên men yếm khí tương đối điển hình và đang được sử
dụng khá rộng rãi (Hình 9.2).
Biogas
Chất lỏng chảy ra
Lớp bùn yếm khí
(vùng phân cắt)
Chất lỏng chảy vào
Hình 9.2. Sơ đồ của bể phản ứng UASB
3. Thu hồi nước (water recycling)
Hiện nay, trên thế giới vấn đề thiếu nước ngày càng trở nên trầm
trọng, do đó việc sử dụng lại nước thải sau khi được xử lý sẽ là một hướng
ưu tiên trong các thập kỷ tới.
Ở các nước thuộc thế giới ba việc sử dụng nước thải thô của chăn nuôi
để tưới trực tiếp cho cây trồng lương thực khá phổ biến. Một hệ thống vòng
khép kín như thế có khả năng gây nhiễm bẩn rất lớn các cây trồng lương
thực với các virus gây bệnh hoặc prion. Đây cũng là một thách thức lớn
trong việc thực hiện các công trình có giá trị kinh tế nhằm sản xuất nước
tưới an toàn vệ sinh mà không loại bỏ các chất có thể sử dụng làm phân bón
Nhập môn Công nghệ sinh học 305
như là N và P. Trong trường hợp này, sự phân hủy yếm khí là rất có triển
vọng.
Một hoạt động sử dụng nước rất nhiều nữa là sản xuất công nghiệp,
chẳng hạn công nghiệp thực phẩm, kim loại, dệt và giấy. Hiện nay, các hoạt
động sản xuất này đang phát triển các hệ thống xử lý mới cho phép thu hồi
nước thải của họ trong một hệ thống vòng kép kín. Đặc trưng, là một hệ
thống các quy trình sản xuất nước chất lượng cao từ nước thải của quá trình
sản xuất. Quy trình này thường phối hợp các xử lý sinh học ở giai đoạn đầu
và các xử lý hóa-lý ở bước cuối cùng. Ví dụ: nhà máy sản xuất chip khoai
tây sử dụng một chuỗi các quá trình bao gồm xử lý hiếu khí và yếm khí, lọc,
khử trùng bằng khí ozone và thẩm thấu ngược. Một hệ thống xử lý phức tạp
như thế cần thiết được thực hiện để loại bỏ hoàn toàn các carbohydrate,
thuốc diệt cỏ và vi sinh vật.
Thực tế cho thấy, để sản xuất một tấn thép người ta cần 280 tấn nước.
Trong trường hợp này, những cố gắng thu hồi nước từ các lò luyện than cốc
thông qua xử lý bùn hoạt tính đã bị đe dọa bởi sự nhiễm độc bùn thải nhanh
khi hơn 50% nước xử lý đã được tái sử dụng. Nguyên nhân do sự tích lũy
các hợp chất hữu cơ độc tính cao, vì vậy nó cũng chỉ ra sự cần thiết phải
nghiên cứu cẩn thận về các hợp chất hữu cơ còn thừa và thậm chí các sản
phẩm vi sinh vật đã làm tăng quá trình chuyển hóa không hoàn toàn. Nhiều
thiết bị xử lý ướt nguyên liệu dệt hiện nay đang nâng cấp các hệ thống xử lý
nước thải của nó để thu hồi nước. Do thành phần hóa học của các chất thải
lỏng thay đổi rất lớn (tùy thuộc vào loại vải và thuốc nhuộm đang được xử
lý), cho nên ít có hai nhà máy dệt cùng áp dụng một phương thức để xử lý
nước thải của họ (Hình 9.3).
III. Phân hủy bùn hữu cơ
Sản xuất các loại bùn hữu cơ, chẳng hạn như bùn thải hoặc phân động
vật, đang tăng lên ở nhiều nơi trên thế giới và chúng thường được sử dụng
một cách tùy tiện, ví dụ như các ứng dụng của chúng lên đất nông nghiệp.
Vì thế, hiện nay số lượng các nước có lệnh cấm sử dụng tùy tiện đang tăng
lên do sự ô nhiễm của nước ngầm. Các quá trình xử lý thân thiện với môi
trường hơn cho các loại bùn hữu cơ lại có giá thành cao và/hoặc hiệu quả
kém.
Nhập môn Công nghệ sinh học 306
Nước thải
Bùn hoạt tính
Làm đông/kết bông
Lọc cát
Hệ lọc sinh học
bằng carbon hoạt
tính dạng hạt
Nước xử lý sạch
Hình 9.3. Sơ đồ dòng chảy xử lý trong công nghiệp dệt. Nước sau khi xử lý
được dùng để rửa, tẩy sạch, tẩy trắng, nhuộm và in. Xử lý sinh học kết hợp với xử
lý hóa-lý để đạt được sự tinh sạch cần thiết.
Quá trình xử lý cho hiệu quả tốt đối với các bùn thải và phân động vật
là sự phân hủy yếm khí trong các bể phản ứng được trộn đều (completely-
mixed reactor). Trong suốt quá trình này, khoảng 50% chất rắn được biến
đổi thành biogas, trong khi phần còn lại hầu như được ổn định. Sản lượng
biogas của các chất phân hủy yếm khí có thể được tăng lên bằng cách đồng
phân hủy (co-digesting) phân động vật hoặc bùn thải với 10-20% các chất
thải rắn từ công nghiệp thực phẩm và nông nghiệp, ví dụ: chất thải của lò
mổ gia súc, dược phẩm, nhà bếp, chất thải lên men hoặc chất thải đô thị.
Nhập môn Công nghệ sinh học 307
Các bể phản ứng được trộn đều để xử lý các bùn thải hữu cơ có tốc độ
nạp thấp, khoảng từ 2-5 kg chất hữu cơ/m3 bể phản ứng trong một ngày, do
các chất hữu cơ dạng hạt phải được hòa tan trước khi chúng có thể thực hiện
biến đổi yếm khí (Bảng 9.2). Tốc độ hòa tan các chất thải hữu cơ có thể khá
thấp, chẳng hạn cần phải mất 15 ngày mới thủy phân được 90%. Vì thế, cần
duy trì thời gian ít nhất là 20 ngày, có khi lên tới 60 ngày hoặc lâu hơn.
Bảng 9.2. Các thông số thiết kế cho các loại bể phản ứng yếm khí
Bể phản Bể phản Bể phản
ứng ứng được ứng trạng
UASB trộn đều thái rắn
Chất lỏng được xử lý Nước thải Bùn hữu Các chất
cơ thải rắn
Nồng độ chất rắn trong bể phản ứng < 50 50-100 200-400
(g/L)
Tốc độ nạp (kg chất hữu cơ/m3 ngày) 10-30 2-5 20-40
Thời gian giữ nước (ngày) 0,3-1 20-40 10-20
Thời gian giữ chất rắn (ngày) >20 20-40 10-20
Thực hiện sự phân hủy ở các mức nhiệt độ cao cũng có thể cải thiện
được hiệu suất do tốc độ thủy phân của các chất dạng hạt tăng lên cùng
với việc tăng nhiệt độ. Nhờ hiểu biết đầy đủ về quá trình phân hủy ưa
nhiệt người ta đã xây dựng được một số hệ phân hủy ưa nhiệt quy mô lớn
để xử lý phân bón đồng ruộng. Khi thực hiện ở nhiệt độ cao, các bể phản
ứng này cho phép thu được chất lỏng không có tác nhân gây bệnh, không
giống như trường hợp phân hủy ưa nhiệt trung bình, thường thất bại do
còn lại các tác nhân gây bệnh có nguồn gốc từ phân. Trước đây, một số
hạn chế đã làm cho sự phân hủy ưa nhiệt khó trở thành thông dụng, ví dụ
các khó khăn của sự khởi động và độ nhạy đối với một vài nhân tố stress
nào đó như NH3 và H2S. Đất sét bentonite có thể được dùng để loại bỏ sự
Nhập môn Công nghệ sinh học 308
ức chế NH3. Mặt khác, H 2S có thể bị phá hủy bằng cách đưa vào các chất
nhận điện tử, ví dụ oxygen hoặc nitrate trong bể phản ứng.
Phương pháp kết tủa thông qua điều chỉnh pH bằng vôi là giải pháp
hữu hiệu vì độ pH cao cũng có thể giúp loại bỏ ammonium. Phương pháp
này cũng có thể được phối hợp với việc bổ sung muối nhôm hoặc muối sắt,
tốt nhất là từ một nguồn rẻ tiền như loại nước thải giàu nhôm/sắt từ các thiết
bị sản xuất nước uống. Vẫn còn một phương pháp nữa để tối ưu các điều
kiện kết tủa MgNH4PO4 đó là thông qua làm lạnh và tách CO2.
Các công nghệ hiện nay như ổn định yếm khí hoặc hiếu khí, nghiền
đất (land disposal) và đốt các bùn thải hữu cơ cung cấp các phương thức làm
mất nước (làm khô) bùn thải từ 2-5% tới 25-40% chất khô có thể được phát
triển rẻ tiền và hiệu quả hơn. Thách thức chính đối với công nghệ sinh học
môi trường là phát triển các enzyme, các sản phẩm và phương thức xử lý
cho phép làm mất nước của sinh khối vi sinh vật (bùn dư) tới mức thích
hợp. Các phát triển mới đang được ứng dụng thương mại dựa vào sự sinh
nhiệt trong quá trình hậu xử lý hiếu khí để bốc hơi lượng nước thừa. Quá
trình “làm khô sinh học này” đòi hỏi ít năng lượng hơn các kỹ thuật làm khô
bằng nhiệt. Tuy nhiên, còn một khó khăn rất nhạy cảm đó là sự sinh ra mùi
thối đã làm ngừng hoạt động của một số nhà máy.
IV. Xử lý chất thải rắn
Các phương pháp xử lý chất thải rắn thường được sử dụng là chôn
trong đất (landfilling) hoặc đốt. Hiện nay, phương pháp chôn trong đất ngày
càng ít được lựa chọn do chúng ngăn cản sự thu hồi các sản phẩm có thể
dùng lại được (plastic, giấy, các vật liệu xây dựng...) và chúng không hiệu
quả lắm trong việc thu hồi năng lượng (biogas). Hơn nữa, chôn trong đất
ngâm có thể gây ra sự bốc mùi của khí gây ô nhiễm môi trường. Tương tự
như thế, các lò đốt không cho phép thu hồi nguyên liệu mặc dù chúng có thể
được thiết kế để thu hồi năng lượng từ chất thải. Các lò đốt có nhiều hạn chế
như giá thành cao và ngoài ra hệ thống khí của ống khói cần được thiết kế
tinh vi để tránh ô nhiễm môi trường.
Hiện nay, một phương thức xử lý chất thải rắn công nghiệp và đô thị
khác đang được thực hiện nhờ vào thiết bị phân tách và sản xuất phân ủ.
Đây là những thiết bị rất lớn và phức tạp, có năng suất cao (100.000 tới
Nhập môn Công nghệ sinh học 309
300.000 tấn chất thải/năm), được thiết kế một hệ phân tách vật lý để thu hồi
các vật liệu khác nhau từ các vật bỏ đi, như:
- Cát và sỏi bán lại như vật liệu xây dựng.
- Sắt bán lại cho công nghiệp luyện kim.
- Nhôm và các kim loại không chứa sắt khác có giá trị bán lại cao.
- Giấy và giấy cartoon bán cho công nghiệp giấy.
- Các plastic cứng và mềm được dùng lại hoặc đốt.
- Các chất hữu cơ có thể phân hủy sinh học được biến đổi thành phân
ủ và biogas.
Phân đoạn hữu cơ của chất thải rắn đô thị được dùng làm phân bằng
phương pháp hiếu khí hoặc yếm khí. Trong khi sản xuất phân hiếu khí là
một công nghệ được ứng dụng từ lâu, thì những phát triển gần đây trong sản
xuất phân yếm khí cũng đã có một vài tiến bộ (Bảng 9.3).
Bảng 9.3. So sánh các loại phân hiếu khí và yếm khí
Phân hiếu khí Phân yếm khí
Chi phí 60 bảng Anh/tấn (ẩm) 75 bảng Anh/tấn (ẩm)
Diện tích đáy Lớn Nhỏ
Cân bằng năng lượng Tiêu thụ năng lượng Sản sinh năng lượng
Mùi thối Có vấn đề Không có vấn đề
Chất lượng phân
Hàm lượng phân Cao (độc) Thấp
Các tác nhân gây bệnh Có Không
Các công ty môi trường khác nhau đã thiết kế các hệ phân hủy yếm
khí khác nhau cho chất thải rắn như:
- Nồng độ chất rắn trong bể phản ứng: 50-400 g/L.
- Nhiệt độ thích hợp từ nhiệt độ trung bình (35oC) tới nhiệt độ cao
(55oC).
Nhập môn Công nghệ sinh học 310
- Số giai đoạn lên men (một hoặc hai).
Một thiết kế như thế đã được thực hiện đó là quá trình DRANCO (dry
anaerobic composting) dùng nhiệt độ cao (55oC) ở nồng độ chất rắn lớn
(200-400 g/L) trong lên men một giai đoạn. Thực tế, đây là một quá trình
tương tự với quá trình phân hủy tự nhiên chất thải chôn trong đất, chỉ khác ở
chỗ nó được tiến hành trong bể phản ứng kín được điều chỉnh tốt và ở tốc độ
phản ứng lớn hơn nhiều. Các tốc độ phản ứng rất cao có thể đạt tới giúp cho
nó có khả năng hoàn thành quá trình phân hủy trong hai tuần (Bảng 9.2)
thay cho 20 năm ở trong đất. Vấn đề cốt lõi của quá trình này là nhiệt độ cao
và cường lực phối trộn thông qua sự tuần hoàn khép kín cho phép tốc độ
phản ứng cao hơn nhiều và cung cấp chất rắn trực tiếp vào trong bể phản
ứng không cần bổ sung nước pha loãng. Do khuấy cơ học không đủ khả
năng làm khô, nên sản phẩm của bể phản ứng được thu hồi vài lần, với việc
bổ sung nguyên liệu sạch cung cấp ở mỗi lần (passage) (Hình 9.4). Vòng thu
hồi đảm bảo phối trộn đầy đủ và cho phép đưa nguyên liệu cung cấp vào.
Sản phẩm cuối cùng là đất mùn được dùng làm phân ủ hiếu khí rất tốt
trong trồng trọt. Nguyên nhân để các phân ủ hiếu khí có thể gây độc đối với
cây trồng là do hàm lượng muối cao của chúng, trong khi đó các phân ủ yếm
khí hầu như như ít muối do thực tế là khoảng một nửa trong số chúng bị đào
thải bằng nước trong máy nén lọc (Hình 9.4). Hơn nữa, các phân ủ yếm khí
chứa ít hạt cỏ dại và các tác nhân gây bệnh vi sinh vật hơn so với phân ủ
hiếu khí. Tuy nhiên, giá trị thị trường của các phân ủ khá thấp và hậu xử lý
đặc trưng sẽ phải được tìm kiếm cho các ứng dụng khác nhau. Vấn đề sau
có thể được thực hiện bằng cách bổ sung các vi sinh vật hữu ích như là cố
định nitrogen và các vi khuẩn kích thích sinh trưởng thực vật, mycorrhizae
hoặc các vi sinh vật điều khiển sinh học (biocontrol). Sự phục hồi các đất bị
ô nhiễm cũng có thể hữu ích nhờ bổ sung phân ủ vì chúng có thể giúp phân
hủy các hợp chất xenobiotic trong các vùng đất này.
V. Xử lý khí thải
1. Loại bỏ các hợp chất vô cơ dễ bay hơi (volatile organic compounds-
VOCs)
Các phương pháp xử lý hóa-lý truyền thống cho các khí thải công
nghiệp gây ô nhiễm, như là đốt hoặc dùng các bộ lọc than hoạt tính, có
khuynh hướng thải nhiều năng lượng và tạo ra sự ô nhiễm thứ cấp. Để đốt
Nhập môn Công nghệ sinh học 311
cháy các khí này (với nồng độ gây ô nhiễm là 100 mL/m3) trong các lò đốt,
ít nhất cần 50 L methane được bổ sung/m3 để đảm bảo để phá vỡ hoàn toàn
cấu trúc. Trong hầu hết trường hợp, một bể phản ứng sinh học có thể thực
hiện oxy hóa các VOCs bằng cách cho tiếp xúc khép kín với các vi sinh vật
phân hủy, O2, H2O và các chất dinh dưỡng.
Biogas
Lửa Khí trong đất
Hệ thủy phân
Dranco Dự trữ Máy nổ + Điện
khí Máy phát điện
2450 m3
Đệm Nhiệt thải
Tiền xử lý
chất thải
sinh học
Đơn vị Máy lọc Hoàn thiện
liều lượng Bơm Humotex
ép hiếu khí
Hơi nước Nước ép
Hệ lọc
Khí sạch
sinh học
Ly tâm
Cô
Khí ô nhiễm
Đệm chất Hơi nước Máy lọc Hơi nước
Máy cô tới bơm
lỏng hơi đốt
Hơi nước Ngưng hơi
Máy tạo
hơi nước
Nhiệt thải
Hình 9.4. Sơ đồ dòng chảy của hệ sản xuất phân trộn yếm khí
Các chất gây ô nhiễm có tốc độ phân hủy sinh học khác nhau:
- Phân hủy sinh học nhanh: alcohols, ketones, aldehydes, các acid
hữu cơ, N hữu cơ.
Nhập môn Công nghệ sinh học 312
- Phân hủy sinh học chậm: phenols, hydrocarbons, các dung môi (ví
dụ: chloroethene).
- Phân hủy sinh học rất chậm: các hydrocarbon đa halogen và đa
nhân thơm.
Các thiết kế bể phản ứng khác nhau được sử dụng để xử lý khí bằng
phương pháp sinh học (Hình 9.5A). Trong các hệ lọc sinh học, không khí
nhiễm bẩn chảy chậm qua một môi trường xốp ẩm (phân ủ, than bùn, vỏ
dăm bào) làm giá thể (vật đỡ) cho quần thể vi sinh vật phân hủy sống trong
màng nước mỏng bọc vật liệu giá thể rắn. Dòng chảy của lớp không khí bề
mặt khác nhau từ 1-15 cm/s. Tốc độ này cho hiệu suất thời gian tiếp xúc
(với một đệm nhồi đặc trưng cao từ 1-3 cm) từ 10-100 s. Đối với các hợp
chất phân hủy sinh học bình thường, có thể đạt được hiệu suất loại bỏ tới
90% với tốc độ nạp từ 0,1-0,25 kg các chất hữu cơ/m3 bể phản ứng trong
một ngày. Các ưu điểm của hệ lọc sinh học là:
- Thiết kế đơn giản và rẻ tiền (vật liệu giá thể được thay thế sau 2-4
năm).
- Diện tích mặt trong cao làm cho hệ lọc sinh học thích hợp một cách
lý tưởng để loại bỏ các chất ô nhiễm kém hòa tan, chẳng hạn các
hydrocarbon.
- Có khả năng đưa vào các vi khuẩn thích nghi đặc biệt để phá vỡ các
hợp chất xenobiotic, chẳng hạn chloromethane.
Vấn đề khó khăn nhất là kiểm soát pH trong các hệ lọc sinh học vì
H2S sẽ bị oxy hóa thành H2SO4, NH3 thành HNO3, và các chất hữu cơ chứa
chloro thành HCl. Nhược điểm lớn nhất của hệ lọc sinh học là:
- Cần một không gian nền lớn.
- Không có khả năng điều chỉnh các điều kiện của quá trình, chẳng
hạn như pH.
- Các vật liệu giá thể như phân ủ tự chúng sản sinh ra các mùi.
Các nhược điểm này của hệ lọc sinh học có thể khắc phục được trong
máy lọc hơi đốt sinh học (bioscrubber) (Hình 9.5B). Một máy lọc hơi đốt
truyền thống chuyển một chất hiện diện trong dòng khí tới dòng chất lỏng
bằng cách phun chất lỏng trong buồng qua bộ phận mà khí được chuyển
qua. Trong máy lọc hơi đốt sinh học, các chất lỏng được phun là dịch huyền
phù của các vi sinh vật quay vòng ngược và hướng tới trước giữa buồng
Nhập môn Công nghệ sinh học 313
phun và một hệ xử lý nước thải bằng phân hủy sinh học. Các thông số của
quá trình như cung cấp chất dinh dưỡng thích hợp và pH được điều chỉnh dễ
dàng hơn nhiều (trong chất lỏng tuần hoàn) so với hệ lọc sinh học, dẫn tới
các tốc độ phản ứng nhanh. Trong khi các hệ lọc sinh học đòi hỏi một diện
tích đáy lớn vì chiều cao của chúng không được vượt quá 1 m để tránh cồng
kềnh, thì các máy lọc hơi đốt sinh học đòi hỏi một không gian ít hơn nhiều
bởi vì bể phân hủy sinh học có thể cao một vài mét.
A. Hệ lọc sinh học
Nước
Khí sạch Vật liệu giá thể
Khí thải
Máy giữ độ ẩm Hệ lọc sinh học
B. Máy lọc hơi đốt sinh học Điều chỉnh pH và
chất dinh dưỡng
Khí sạch Bùn hoạt tính
Không khí
Khí thải
Buồng phun Hệ xử lý
(máy lọc hơi đốt) nước thải đặc
Hình 9.5. Hệ lọc sinh học và máy lọc hơi đốt sinh học được dùng để loại bỏ
VOCs khỏi khí thải
Nhập môn Công nghệ sinh học 314
Máy lọc hơi đốt sinh học là loại thích hợp nhất cho các dòng chảy khí
lớn do áp suất ngược thấp và kích thước nhỏ của chúng. Tuy nhiên, chúng
có thể chỉ được dùng để loại bỏ các khí hòa tan hoàn toàn vì tốc độ chuyển
khối trong buồng phun của chúng kém hơn trong hệ lọc sinh học. Trường
hợp nồng độ các chất nhiễm bẩn thu được ở trong khí thải là quá cao, thì
một máy lọc hơi đốt sinh học thứ hai được đưa vào có bổ sung các vi sinh
vật có khả năng phân hủy nồng độ chất nhiễm bẩn thấp hơn.
Hiện nay, các nghiên cứu đang tập trung thiết kế một hệ thống có thể
phối hợp sự hấp thụ khí trên bề mặt rắn (ví dụ: than hoạt tính) và phân hủy
sinh học các hợp chất sorbic. Các màng lọc sinh học loại dòng chảy nhỏ giọt
(bio-trickle filters) là các tấm plastic hoặc môi trường giá thể cho các vi sinh
vật khác được treo trong dòng chảy không khí bị nhiễm bẩn. Các tấm này
được thấm ướt liên tục bằng dòng chảy hồi lưu của nước chứa các chất dinh
dưỡng cho vi sinh vật. Các màng lọc sinh học nhỏ giọt có ưu điểm là tiết
kiệm được không gian.
2. Loại bỏ các hợp chất sulphur và nitrogen từ khí ống khói bằng phương
pháp sinh học
Các nitrogen oxide (NOx) và sulphur oxide (SO2) là các chất ô nhiễm
không khí chính được tạo thành trong lúc đốt than đá và dầu giải phóng
trong các loại khí ống khói. Có thể phát triển các phương pháp công nghệ
sinh học có giá trị kinh tế và hiệu quả để loại bỏ đồng thời các chất gây ô
nhiễm không khí này, vì các kỹ thuật hóa-lý truyền thống hoặc là rất đắt
hoặc là không hiệu quả. Một hệ thống mới được đề xuất đó là khí ống khói
được dẫn qua một máy lọc hơi đốt mà trong đó >95% SO2 và >80% NOx
hòa tan trong dung dịch NaHCO3 và Fe(II)-EDTA (hợp chất sau có thể tăng
khả năng hòa tan NOx). Dung dịch đầy N và S được sinh ra trong ba giai
đoạn sinh học tuần tự (Hình 9.6). Giai đoạn đầu tiên bao gồm bể phản ứng
thiếu oxygen trong đó NO được biến đổi thành khí N2 trơ thông qua quá
trình khử nitrogen sinh học.
2FeII(EDTA) (NO) + chất cho điện tử 2FeII(EDTA) + N2 + CO2 + H2O
Một chất cho điện tử, chẳng hạn methanol hoặc ethanol, cần được bổ
sung để duy trì phản ứng. Trong hai giai đoạn tiếp theo, H2SO3 được khử
Nhập môn Công nghệ sinh học 315
sinh học tuần tự thành H2S và cuối cùng oxy hóa lại từng phần thành lưu
huỳnh nguyên tố dạng rắn:
H2SO3 + 3H2 H2S + 3H2O
H2S + 1/2O2 So + H2O
Khí đi vào
Máy lọc hơi đốt Khí đi ra
H2SO3, NO
Bể khử nitrogen Chất cho điện tử
không có oxygen N2
UASB H2
Lò phản ứng sinh Không khí
học có oxygen
Lưu huỳnh nguyên
Lọc tố dạng rắn
Hình 9.6. Một quá trình sinh học mới được phát triển để đồng thời khử
sulphur hóa (desulphurisation) và loại bỏ NO khỏi các khí ống khói được sản
xuất trong các thiết bị nhiệt
Phản ứng khử H2SO3 xảy ra trong bể phản ứng UASB (Hình 9.2) đã
được kết hạt với các vi khuẩn khử sulphate. Các polymer gây kết bông đã
được bổ sung, cùng với các chất dinh dưỡng cần thiết và các đương lượng
Nhập môn Công nghệ sinh học 316
khử (ethanol hoặc H2), để điều chỉnh tỷ lệ phân tử BOD/H2SO3 ở một giá trị
không đổi. Trong bể phản ứng sinh học thứ ba các vi khuẩn hiếu khí oxy
hóa sulphide thành lưu huỳnh nguyên tố (So) dạng rắn (sản phẩm cuối). Sự
oxy hóa thêm So thành H2SO3 và H2SO4 bị ngăn cản bởi một lượng giới hạn
O2. Toàn bộ quá trình là tự động hoàn toàn với khoảng 120 thông số được
phân tích liên tục, đa số trong chúng là trực tuyến. Nước cũng được thu hồi
liên tục.
VI. Phân hủy chất rắn (solid remediation)
1. Kích thích sinh học (biostimulation) và tăng sinh học
(bioaugenzymetation)
Các vi sinh vật có khả năng phân hủy sinh học các chất gây ô nhiễm
thường hiện diện sẵn trong các đất nhiễm bẩn hoặc nước ngầm. Vì vậy,
trong nhiều trường hợp, sự phân hủy sinh học chất rắn hoặc nước ngầm
được thực hiện bằng cách kích thích sinh học các vi sinh vật, nơi có chất
dinh dưỡng hoặc các nhân tố sinh trưởng cần thiết khác của chúng. Các chất
hoạt động bề mặt cũng có thể được bổ sung để thuận tiện cho việc chuyển
khối các hydrocarbon hòa tan kém vào trong pha nước nơi mà các vi sinh
vật sống. Ví dụ của kích thích sinh học là đưa methane vào trong tầng ngậm
nước bị ô nhiễm các dung môi được khử trùng bằng chloro hoặc đưa
benzoic acid vào trong tầng ngậm nước bị ô nhiễm bởi polychlorobiphenyls
(PCBs). Các nguồn carbon được đưa vào như methane và benzoic acid đã
kích thích sinh trưởng của các vi sinh vật đặc hiệu sản xuất các enzyme làm
đứt gãy cơ chất được đưa vào và chất gây ô nhiễm đang hiện diện.
Giải pháp thích hợp là có thể đưa các quần thể vi sinh vật đặc hiệu
(tăng sinh học) vào trong các vị trí bị ô nhiễm nhất định khi chất gây ô
nhiễm là một phân tử phức tạp chỉ có thể bị phá vỡ bởi một tổ hợp đặc biệt
của các vi sinh vật rất đặc hiệu (được gọi là consortium). Các chất gây ô
nhiễm như thế thường là polyaromatic hydrocarbons (PAHs), các hợp chất
hữu cơ được halogen hóa, các thuốc trừ sâu nhất định, thuốc nổ TNT,
polychlorobiphenyls (PCBs)... Các điều kiện và các chủng vi sinh vật thích
hợp cho thấy chúng có ảnh hưởng đến sự phân hủy sinh học của các hợp
chất này khi nghiên cứu ở quy mô phòng thí nghiệm. Ví dụ: sự phân hủy
của các chất thơm được khử trùng đơn giản bằng chloro ở trong đất và các
thiết bị xử lý nước thải có thể phát huy hiệu quả hơn bằng cách đưa vào nuôi
Nhập môn Công nghệ sinh học 317
cấy thuần khiết các vi sinh vật được chọn lọc trong phòng thí nghiệm. Các
chất ô nhiễm phức tạp hơn, ví dụ PCB, có thể đòi hỏi hoạt động phối hợp
của một số chủng vi sinh vật. Trong trường hợp đặc biệt này, việc khử
chloro nhờ các consortium phát triển từ các trầm tích bị nhiễm bẩn đã được
thực hiện bằng cách nuôi cấy sinh khối trong dạng hạt ở các bể phản ứng
UASB sinh methane. Các hạt này đã cho thấy chúng giúp tăng nhanh hơn sự
phân hủy sinh học của PCB in situ trong đất và các trầm tích.
Đối với những ứng dụng đặc biệt, sự tăng sinh học có thể được tiến
hành nhờ các kỹ thuật biến đổi di truyền vi sinh vật thông qua công nghệ
DNA tái tổ hợp. Biến đổi di truyền vi sinh vật có thể giúp ngăn cản sự tạo
thành các sản phẩm trung gian độc gây mất ổn định quần thể và ức chế các
quá trình phân hủy sinh học. Thách thức lớn nhất trong kỹ thuật biến đổi di
truyền vi sinh vật là tăng khả năng sống sót của các chủng gây nhiễm. Theo
hướng được mong đợi này, các cơ hội sống sót thường lớn hơn khi chủng
xâm nhiễm được phân lập từ vị trí được tăng sinh học.
2. Các kỹ thuật phân hủy chất rắn
Có nhiều kỹ thuật khác nhau của công nghệ sinh học để xử lý chất
rắn bị ô nhiễm. Dưới đây là một số kỹ thuật phổ biến nhất:
2.1. Phân hủy sinh học tại chỗ (in situ bioremediation)
Đây là kỹ thuật sử dụng vi sinh vật và các chất dinh dưỡng để giải
quyết các chất thải nguy hiểm, chẳng hạn như đất và các địa điểm sản xuất
bị ô nhiễm. Phân hủy sinh học có nhiều lợi ích quan trọng so với các
phương pháp khử bỏ chất thải truyền thống; nó có thể được thực hiện tại
chỗ, tránh phải vận chuyển và cất giữ các chất thải nguy hiểm và độc hại.
Có nhiều vi sinh vật khác nhau có khả năng phân hủy các chất ô nhiễm công
nghiệp đặc trưng bao gồm các hydrocarbon mạch thẳng, các hydrocarbon
nhiều gốc thơm, các phenol chloro hóa và các phân tử hữu cơ phức tạp khác.
2.2. Landfarming
Có thể loại bỏ các vết dầu loang bằng kỹ thuật landfarming. Kỹ thuật
này được thiết lập trên cơ sở phân hủy vi sinh vật (Hình 9.7) và có thể được
nâng cấp một ít bằng cách trộn đất với các gốc hữu cơ mới (phân ủ). Nhiệt
Nhập môn Công nghệ sinh học 318
độ cao, hoạt tính và sự đa dạng của vi sinh vật đã tăng tốc độ phản ứng. Hơn
nữa, các chất đồng tác dụng đặc biệt đã giúp cho sự đồng chuyển hóa xảy ra
dễ dàng hơn. Các hệ thống landfarming cũng có thể được nâng cấp bằng
cách tiền xử lý yếm khí, ví dụ các đường hầm yếm khí được sử dụng để khử
các hợp chất như trinitrotoluene, bằng cách bổ sung các chất dinh dưỡng và
các chất đồng tác dụng cho các vi khuẩn tại chỗ. Ở giai đoạn thứ hai hiếu
khí, các chất chuyển hóa hoặc được khoáng hóa hoàn toàn hoặc polymer
hóa và bất động trong khuôn rắn. Phương thức này cũng được ứng dụng
thành công để khử sự nhiễm bẩn các vùng đất bị ô nhiễm chloroethene và
các chất thơm BTX (hỗn hợp của benzen, toluene và xylene).
Các chất dinh dưỡng
Đất bị ô nhiễm
Lớp cát
Mương (ống dẫn)
Lớp lót tháo ra được
Hình 9.7. Mặt cắt ngang của hệ thống landfarming
2.3. Các bể phản ứng sinh học pha bùn (slurry-phase bioreactors).
Có thể được hướng tới cùng một mức độ làm sạch trong thời gian
ngắn. Trong trường hợp này, các đất khai quật bị ô nhiễm được xử lý dưới
các điều kiện tối ưu được kiểm soát, đảm bảo sự tiếp xúc hiệu quả giữa chất
nhiễm bẩn và các vi sinh vật. Yếu tố sau, trong hầu hết trường hợp, là các
Nhập môn Công nghệ sinh học 319
nuôi cấy đặc hiệu vi sinh vật thích nghi. Với toàn bộ tốc độ phân hủy trong
phạm vi 0,2-2 g dầu/kg đất/ngày, thời gian lưu của chất rắn là 30 ngày đủ để
đáp ứng các mức độ làm sạch.
VII. Xử lý nước ngầm
1. Sự phục hồi hoạt động
Phương thức phục hồi nước ngầm được ứng dụng nhiều ở Mỹ và châu
Âu là kỹ thuật “bơm và xử lý” (pump-and-treat). Hướng này sử dụng chủ
yếu các kỹ thuật hóa-lý để loại bỏ các chất ô nhiễm trong các hệ xử lý ở trên
mặt đất, ví dụ thông qua hấp thụ không khí và carbon hoạt tính, trong khi
các bể phản ứng sinh học được dùng ít hơn 10% trường hợp (Hình 9.8).
Việc sử dụng hạn chế các xử lý sinh học có thể là do kinh nghiệm và
các số liệu chứng minh còn quá ít, sự tiếp nhận hạn chế kỹ thuật, nhưng
cũng có thể do không thích hợp trong việc hướng tới các mức độ làm sạch
như mong muốn. Đến nay, người ta đã thu được nhiều kinh nghiệm khi ứng
dụng kỹ thuật phân hủy sinh học ở quy mô hoàn chỉnh trong điều kiện ex
situ và in situ để phân hủy các hydrocarbon của dầu mỏ, bao gồm từ các
chuỗi mạch thẳng và mạch nhánh, được bão hòa, không bão hòa và các chất
béo mạch vòng tới các hydrocarbon một, hai và đa nhân thơm. Tuy nhiên,
thời gian gần đây các kiểu thiết kế bể phản ứng sinh học mới đã được phát
triển để loại bỏ các dung môi được polychloro hóa và các chất thơm. Chẳng
hạn, các bể phản ứng UASB kết hạt với các bùn thải dạng hạt sinh methane
có khả năng khử hoàn toàn chloro của tetrachloroethylene (>99%) hiện diện
với 4 mg/L trong nước ngầm bị ô nhiễm. Acetate được dùng làm nguồn
carbon và chất cho điện tử. Công nghệ bể phản ứng UASB cũng đang được
nâng cấp với bùn thải dạng hạt phối hợp cả hai loại vi khuẩn hiếu khí và
yếm khí.
Tuy nhiên, phương thức “bơm và xử lý” không thể làm sạch trong mọi
trường hợp và hơn nữa nó đòi hỏi một thời gian làm sạch dài ngày. Trong
77 điểm xử lý theo phương pháp trên (dưới sự kiểm soát của US National
Research Council-NRC) vào năm 1992, chỉ có 8 điểm được thông báo là đạt
mục tiêu làm sạch (liên quan đến Đạo luật nước uống an toàn). Trong 8
điểm thành công, thì 6 điểm bị ô nhiễm bởi hydrocarbon dầu hỏa cũng được
đào thải thông qua sự phân hủy tự nhiên (natural degradation).
Nhập môn Công nghệ sinh học 320
Bơm và xử lý
Hệ lọc carbon
hoạt tính
Bể phản ứng sinh học
Strip column
Không khí
Mặt đất
Phun tốt
Mặt nước
Thu hồi tốt
Vùng ô nhiễm
Nước ngầm
Chắn sinh học Các chất dinh dưỡng
Mặt đất
Phun tốt
Mặt nước
Hướng dòng chảy
Nước ngầm ô nhiễm Nước ngầm sạch
Vùng hoạt tính sinh học
Hình 9.8. Công nghệ phục hồi “bơm và xử lý”
Nhập môn Công nghệ sinh học 321
Copyright by webtailieu.net