Chất thải rắn hữu cơ xử lý bằng phương pháp sinh học

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. 

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: 

 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. 

 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. Xử lý sinh học rác hữu cơ 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. 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 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 <để thu nhỏ khối lượng> 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.

 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. 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. 

Sau khi 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 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 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: 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. 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. 

 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 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.

Theo voer.edu.vn

KHỬ MÙI NHÀ VỆ SINH BẰNG VI KHUẨN

Các nhà khoa học Trung Quốc mới đây giới thiệu phương pháp khử mùi hôi thối tại các nhà vệ sinh công cộng bằng cách sử dụng một loại thuốc phun từ vi khuẩn.

Thuốc khử mùi là một loại thuốc phun, được làm từ 6 dòng vi khuẩn có thể phá vỡ cấu trúc của các hợp chất mùi. Nó có thể khử gần như hoàn toàn mùi hôi thối đặc trưng ở nhà vệ sinh công cộng. Sau bước này, nhà vệ sinh sẽ được xịt một loại nước hoa từ vỏ cam để tạo mùi nhẹ trong không khí.

"Chúng tôi tách vi khuẩn từ tất cả các loại phân, từ phân người đến phân động vật như lợn, gà, vịt. Sau đó chúng tôi thử nghiệm các hợp chất lần lượt từng cái một" - Telegraph dẫn lời TS Yan Zhiying, nhà nghiên cứu tại Viện Sinh học Chengdu thuộc Học viện Khoa học Bắc Kinh.

Mùi từ nhà vệ sinh công cộng, hố nước bẩn hay nơi đổ rác, xuất phát từ hơn 160 hợp chất khác nhau. Các dòng vi khuẩn có lợi của những hợp chất này như lactobacillus, saccharomycetes và actinomycetes có thể tạo môi trường không thuận lợi cho sự phát triển của vi khuẩn gây thối.

Theo nhóm nghiên cứu, phương pháp này không có tác dụng phụ và có thể được sử dụng để xử lý mùi hôi thối từ nhiều quá trình phân hủy sinh học. Mỗi một lít thuốc có giá khoảng hơn 8 USD.

Tại các nhà vệ sinh công cộng hay nơi đi vệ sinh đơn giản ở thành phố nhỏ hoặc ngoại ô, mùi ngột ngạt xuất phát từ sulphur và ammonia có trong nước tiểu và phân.

Vào những năm 1990, một phần ba trong số những lời phàn nàn gửi đến cơ quan du lịch tại Bắc Kinh đều liên quan đến thiết kế hoặc mùi hôi thối của nhà vệ sinh công cộng.

Để cải thiện tiêu chuẩn của nhà vệ sinh công cộng, Trung Quốc hồi tháng 2 năm ngoái đưa ra quy định giới hạn số lượng ruồi tại những công trình này.

Theo dự thảo Bộ Y tế Trung Quốc, sẽ chỉ có nhiều nhất ba con ruồi được xuất hiện trên mỗi mét vuông nhà vệ sinh xây riêng, và chỉ có một con được cho phép trong các nhà vệ sinh công cộng xây trong các công trình khác.

vnexpress.net

VAI TRÒ CỦA VI SINH VẬT TRONG RÁC THẢI

I. MỞ ĐẦU

Xã hội ngày càng phát triển, cùng theo đó là hàng loạt các vấn đề cần được giải quyết. Hiện nay vấn đề về làm sao để bảo vệ môi trường sinh thái là vấn đề không chỉ diễn ra trên nước ta mà còn diễn ra trên toàn thế giới. Cùng với sự phát triền của nền kinh tế thị trường thì song song đó vấn đề môi trường ngày càng nghiêm trọng. Các chất thải càng nhiều và ngày càng phong phú hơn, trong khi đó các biện pháp xử lý kém hiệu quả và thiếu sự quan tâm của người dân và chính quyền đã làm môi trường ngày càng tệ hơn. 

Đứng trước những thực trạng trên, đòi hỏi cần có những giải pháp lâu dài, hiệu quả, mang tính công nghệ và đặc biệt là an toàn cho môi trường để xử lí rác thải. Ngày nay, sự phát triển của công nghệ sinh học đặc biệt là công nghệ vi sinh vật ngày càng đóng một vai trò quan trọng trong lĩnh vực bảo vệ môi trường. Nhiều quy trình công nghệ xử lí ô nhiễm môi trường hiện tại được xây dựng trên cơ sở tham gia tích cực của vi sinh vật.

II. NỘI DUNG

1. Nguyên lí sử dụng vi sinh vật trong xử lí rác thải

Xử lí rác thải bằng công nghệ vi sinh vật là nhờ hoạt động sống của vi sinh vật phân hủy rác thải thành các thành phần nhỏ hơn, hình thành sinh khối vi sinh vật cao hơn, các sản phẩm trao đổi chất của vi sinh vật và các loại khí như CO2, CH4,…Các quá trình chuyển hóa này có thể xảy ra ở điều kiện hiếu khí hay kị khí.
Việc lựa chọn các vi sinh vật xử lí rác thải cần dựa trên những nguyên tắc sau:
• Các chủng vi sinh vật phải có hoạt tính sinh học cao như khả năng sinh phức hệ enzyme cellulase cao và ổn định.
• Sinh trưởng và phát triển tốt trong điều kiện thực tế của đống ủ.
• Có tác dụng cải tạo đất và có lợi cho thực vật khi sản xuất được phân ủ bón vào đất.
• Không độc cho người, cây trồng, động vật và vi sinh vật hữu ích trong đất.
• Nuôi cấy dễ dàng, sinh trưởng tốt trên môi trường tự nhiên, thuận lợi cho quá trình xử lí.
Phân loại rác thải:
– Phân loại dựa vào đặc tính tự nhiên như: các chất hữu cơ, vô cơ, chất có thể cháy hoặc không có khả năng cháy.
Rác thải có thể phân loại bằng nhiều cách khác nhau: 
– Phân loại dựa vào nguồn gốc phát sinh như: rác thải sinh hoạt, văn phòng, thương mại, công nghiệp, đường phố, chất thải trong quá trình xây dựng hay đập phá nhà xưởng.

2. Thành phần của rác thải hữu cơ

Các chất hữu cơ trong rác thải là các phần của thực vật, động vật bị loại bỏ, chúng có chứa các thành phần như trong cơ thể sinh vật, trong đó quan trọng nhất là: hydratcacbon, protein, lipit.
Các Hydratcacbon: chiếm tỷ trọng lớn nhất trong sinh khối động vật, thực vật, vi sinh vật. Chúng tương đối phức tạp và khó phân hủy. Trong rác thải thường gặp các loại như: cenlulose, hemicenlulose, lignin, tinh bột, pectin.
Protein là hợp chất hữu cơ cao phân tử chứa nitơ, thường chứa 15%-17,5% nitơ, là thành phần quan trọng trong cơ thể động vật, thực vật, vi sinh vật.
Lipit: lipit và các chất sáp có nhiều trong cơ thể sinh vật.

3. Các vi sinh vật phân giải các chất hữu cơ
Các vi sinh vật phân giải cellulose

Các nhóm vi khuẩn và xạ khuẩn: Trong thiên nhiên có nhiều nhóm vi sinh vật có khả năng phân huỷ cellulose nhờ có hệ enzym cellulose ngoại bào nhưng chủ yếu là các chi thuộc nhóm vi khuẩn hiếu khí, vi khuẩn kị khí và các xạ khuẩn hiếu khí. Các vi sinh vật hiếu khí có khả năng phân giải cellulose thuộc về các chi: Arzotobacter, Achromobacter, Pseudomonas, Cellulomonas, Vibrio, Cellvibrio, Bacillus, Cytophaga, Angiococcus, Polyangium, Sorangium,…(vi khuẩn hiếu khí); Micromonospora, Proactinomyces, Actinomyces, Streptomyces,…(xạ khuẩn). Nhưng trong thực tế, trong nghiên cứu người ta thấy chi Bacillus, Fravobacterium và Pseudomonas là các chi phân lập được có tần suất cao nhất. Một số vi khuẩn kị khí tham gia vào quá trình phân giải cellulose, điển hình là các vi khuẩn trong dạ cỏ của động vật nhai lại: Ruminococcus flavefeciens, R. albus, R. parvum, Bacteroides succinpgenes, Butyrivibrio fibrisolvens, Clostridium cellobioparum, Cillobacterium cellulosolvens,…

Các nhóm vi nấm: Vi nấm là nhóm có khả năng phân giải mạnh vì nó tiết ra môi trường một lượng lớn enzym có đầy đủ các thành phần.

• Nấm mốc phát triển mạnh ở môi trường xốp có độ ẩm trên 70%, tối ưu 95% và nhiệt độ ấm (240C), các loại thường gặp thuộc nấm bất toàn và Ascomysetes. Các loại nấm này chủ yếu thuộc các chi Aspergillus, Penicillium, Trichoderma, Fusarium,…trong đó đáng chú ý là Trichoderma (hầu hết các loài thuộc chi Tricoderma sống hoại sinh trong đất, rác và có khả năng phân huỷ cellulose).

• Nấm đốm là các loại nấm phát triển sâu trong tế bào gỗ tạo thành các đốm màu nâu. Hầu hết các loài thuộc nhóm nấm bất toàn và nấm Ascomysetes. Sống phụ thuộc vào độ ẩm của gỗ (khoảng 30%) và nhiệt độ 30-350C, quần thể nấm phát triển lúc đầu là màu xanh sau đó tạo thành màu nâu. Ví dụ các loài: Ceratocystis sp, Cladosporium sp, Aureobasidium sp,…

• Nấm mục: Nấm mục xốp có khoảng 300 loài thuộc các chi: Chaetomium, Humocola và Phialophora của nấm bất toàn và Ascomysetes, chủ yếu phát triển bên trong thành tế bào gỗ. Nấm mục nâu thuộc nhóm của nấm bất toàn vàBasidiomycetes, chúng xâm nhập vào thành tế bào gỗ và phân hủy chúng, nhiệt độ sinh trưởng tối ưu 22-310C, độ ẩm thấp khoảng 40-55%, các loài quan trọng như: Phaeolus schweiniti, Piptopous betulinus, Laetipous sulphureus, Sperassis srispa,… Nấm mục trắng thuộc nhóm của nấm bất toàn và Basidiomycetes, nhiệt độ sinh trưởng tối ưu 22-310C, tối đa không quá 440C, độ ẩm tối ưu có loài thấp, cao và rất cao, các loài điển hình như: Armillaria mellea, Fonus fomentatius, Meripilus giganteus, Fomes annosus,…

Vi khuẩn có khả năng phân huỷ cellulose, tuy nhiên cường độ không mạnh bằng vi nấm. Nguyên nhân là do số lượng enzym tiết ra môi trường của vi khuẩn thường ít hơn, thành phần các loại enzym không đầy đủ. Thường ở trong đống ủ rác có ít loài vi khuẩn có khả năng tiết ra đầy đủ bốn loại enzym trong hệ enzym cellulose. Nhóm này tiết ra một loại enzym, nhóm khác tiết ra loại khác, chúng phối hợp với nhau để phân giải cơ chất trong mối quan hệ hỗ sinh.

Các vi sinh vật phân giải protein
Trong môi trường rác ủ đống, nitơ tồn tại ở các dạng khác nhau, từ nitơ phân giải ở dạng khí cho đến các hợp chất hữu cơ phức tạp có trong cơ thể động, thực vật và con người. Trong cơ thể sinh vật, nitơ tồn tại chủ yếu dưới dạng các hợp chất đạm như protein, axit amin. Khi cơ thể sinh vật chết đi, lượng nitơ hữu cơ này tồn tại trong đất (rác).

Nhóm vi khuẩn chính phân giải protein là vi khuẩn nitrat hoá, vi khuẩn nitrit hóa vi khuẩn cố định nitơ. 
Nhóm vi khuẩn nitrit hoá bao gồm bốn chi khác nhau: Nitrozomonas, Nitrozocystic, Nitrozolobus và Nitrosospira, chúng đều thuộc loại tự dưỡng bắt buộc, không có khả năng sống trên môi trường thạch.
Nhóm vi khuẩn nitrat hoá tiến hành oxi hoá NO2- thành NO3- bao gồm ba chi khác nhau: Nitrobacter, Nitrospira vàNitrococcus.

Nhóm vi khuẩn cố định nitơ có trong môi trường rác ủ là các nhóm: Azotobacter – là một loại vi khuẩn hiếu khí, không sinh bào tử, có khả năng cố định nitơ phân tử, sống tự do trong đất (rác); Clostridium – là một loại vi khuẩn kỵ khí sống tự do trong rác, có khả năng hình thành bào tử, lòai phổ biến nhất là Clostridium pastenisium có hình que ngắn. Clostridium có khả năng đồng hoá nhiều nguồn cacbon khác nhau như các loại đường, rượu, tinh bột …

Vi sinh vật phân giải tinh bột

Trong rác bể ủ có nhiều loại vi sinh vật có khả năng phân giải tinh bột. Một số vi sinh vật có khả năng tiết ra môi trường đầy đủ các loại enzym trong hệ enzym amilaza. Ví dụ như một số vi nấm bao gồm một số loại trong các chiAspergillus, , Rhizopus. Trong nhóm vi khuẩn có một số loài thuộc chi Bacillus, Cytophaza, Pseudomonas … Xạ khuẩn cũng có một số các chi Aspergillus, Fusarium, Rhizopus,… có khả năng phân huỷ tinh bột. Đa số các vi sinh vật không có khả năng tiết đầy đủ hệ enzym amilaza phân huỷ tinh bột. Chúng chỉ có thể tiết ra môi trường một hoặc một vài men trong hệ đó. Ví dụ như các loài Apergillus candidus, Pasteurianum, Bacillus sublitis, B. Mesenterices,Clostridium, A. Oryzae … chỉ có khả năng tiết ra môi trường một loại enzym amilaza. Các loài Aspergillus oryzae, Clostrinium acetobuliticum chỉ tiết ra môi trường enzyme amiolaza. Một số loài khác chỉ có khả năng tiết ra môi trường enzym gluco amilaza. Các nhóm này cộng tác với nhau trong quá trình phân huỷ tinh bột thành đường. Trong chế biến rác thải hữu cơ người ta cũng sử dụng những chủng vi sinh vật có khả năng phân huỷ tinh bột để phân huỷ tinh bột có trong thành phần rác hữu cơ.

Vi sinh vật phân giải phosphat

Trong rác thải, phospho tồn tại ở nhiều dạng hợp chất khác nhau. Phospho được tích luỹ trong rác khi động thực vật chết đi, những hợp chất phospho hữu cơ này được vi sinh vật phân giải tạo thành các hợp chất phospho vô cơ.

Vi khuẩn phân giải phospho hữu cơ chủ yếu thuộc hai chi: Bacillus và Pseudomonas. Các loài có khả năng phân giải mạnh là B. Megatherium, B. Mycoides, B.butyricus, B.mycoides và Pseudomonas sp, Pseudomonas radiobacter, P.gracilis.

Ngày nay, người ta đã phát hiện ra một số xạ khuẩn và vi nấm cũng có khả năng phân giải phospho hữu cơ. Trong nhóm vi nấm thì Aspergillus niger có khả năng phân giải mạnh nhất. Ngoài ra một số xạ khuẩn cũng có khả năng phân giải lân vô cơ.

 * Hình ảnh một số chủng vi sinh vật:

 Apergillus candidas      Bacillus subtilis               Clostridium pastenisium                Fusarium

4. Các phương pháp xử lí rác thải hữu cơ
a) Ủ kị khí – anaerobic composting

Khái niệm: là quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ không có mặt của oxy (tinh bột, cellulose, lipit và protein), sản phẩm cuối cùng là khí CH4, CO2, NH3, một lượng nhỏ các loại khí khác, acid hữu cơ và sinh khối vi sinh vật.

Đây là phương pháp đã được áp dụng từ lâu, các rác thải hữu cơ được bổ sung thêm phân bùn và vi sinh vật phân giải, sau đó được ủ thành đống trong điều kiện nhiệt độ, độ ẩm, độ xốp thích hợp,… Sản phẩm thu đượclà các chất dễ tan, hỗn hợp các chất khí CH4, CO2, NH3,…trong đó CH4 chiếm đại đa số.

Qua thực nghiệm tính toán cho thấy, quá trình phân hủy rác thải hữu cơ bằng phương pháp ủ kị khí thì cứ 200kg chất thải rắn cần 800kg nước sẽ chuyển hóa thành 50kg chất rắn và 150kg khí sinh học (biogas). Thành phần khí sinh học gồm: CH4 55,65%, CO2 35,45%, N2 0,3%, H2 0,1%, H2S 0,1%.

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 kị 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.

a.1 Các giai đoạn của quá trình sinh tổng hợp methan (Biogas).
Giai đoạn thủy phân cơ chất: các thành phần hữu cơ của rác thải bị phân hủy dưới tác động của men hydrolaza do vi sinh vật tiết ra để hình thành các hợp chất đơn giản (đường đơn, peptit, glyxerin, axit béo, axit amin,… vi sinh vật tham gia vào giai đoạn này là Clostridium thermocellum.

Giai đoạn hình thành các axit hữu cơ: dưới tác dụng của enzym vi sinh vật, các chất hữu cơ dễ tan chuyển thành các axit hữu cơ (axit axetic, axit propionic, axit butyric,…), rượu etylic, rượu metylic, CO2, H2. Các vi sinh vật có mặt trong giai đoạn này là Bacteroides, Suminicola, Clostridium, Bifido bacterium.

Các loài vi khuẩn tham gia:

Hình: Hình ảnh của Bacillus Cereus.
Giai đoạn hình thành methan: Các axit hữu cơ và các hợp chất khác chuyển thành CH4, CO2, O2, N2, H2,…

Sơ đồ tóm tắt các phản ứng:
R-COOH + R1-COOH –>  CH3COOH + CH4 + CO2
Các phản ứng sinh methan :

Phản ứng

CH3COOH –> CH4 + CO2

4CH3CH2COOH + 2H2O –> 7CH4 + 5CO2

2CH3(CH2)2COOH + 2H2O + CO2 –> CH4 + 4CH3COOH2CH3CH2OH –> 3CH4 + CO2

2CH3CH2OH + CO2 –> CH4 + 2CH3COOHCH3COCH3 + H2O –>  2CH4 + CO2

                                  Sơ đồ lên men các hợp chất hữu cơ do các vsv kị khí

a.2 Các loại hầm lên men kị khí
Lên men chất hữu cơ theo mẻ.
Lên men chất hữu cơ liên tục: loại hầm sinh khí kiểu vòm cố định, loại hầm sinh khí có nắp đậy di động, loại hầm sinh khí kiểu túi.

a.3 Kiểm soát sinh học các hệ xử lý:
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.

a.4 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 oxy hóa 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.

a.5 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. 
• 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, 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. 
• 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.

b) Ủ hiếu khí – aerobic composting.
Khái niệm: là quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ có mặt của oxy sản phẩm cuối cùng là H20, CO2 và sinh khối vi sinh vật.

b.1 Sơ đồ nguyên tắc phương pháp ủ hiếu khí

 

Sơ đồ chung của hệ thống xử lí rác thải bằng phương pháp ủ hiếu khí:

Quá trình này thể hiện như sau:
+ Oxy hóa carbon hiếu khí:
Chất hữu cơ (C,O,H,N)  + VSV dị dưỡng –> Tế bào VSV mới + CO2 + H2O + NH3 + Kcal
+Nitrat hóa hiếu khí:
Giai đoạn 1:
CO2, CO, Amon + VSV dị dưỡng ( Nitromonas) –>  Tế bào VSV mới + NO2+ H2O+ H+

Giai đoạn 2: 
CO2, nitrit +  VSV dị dưỡng (Nitrobacter) –>  Tế bào VSV mới +  NO2 + H2O
Qua thực nghiệm cho thấy quá trình phân hủy rác thải hữu cơ bằng ủ hiếu khí thì cứ 400kg chất thải rắn cần 600kg nước và 180kg oxy sẽ chuyển hóa thành 250kg chất rắn, 245kg CO2 và nhiệt lượng thoát ra ngoài.

b2. Các dạng công nghệ
Các mô hình công nghệ ủ hiếu khí hiện nay trên thế giới, phân loại theo nhiều cách:
• Theo trạng thái của khối ủ: tĩnh hoặc động.
• Theo phương pháp thông khí khối ủ: cưỡng bức hay tự nhiên.
• Theo đặc điểm hệ thống ủ: hệ thống mở hay kín, liên tục hay không liên tục.
Mô hình ủ theo hệ thống mở phổ biến nhất là các phương pháp ủ luống tĩnh hoặc luống động có kết hợp thông khí cưỡng bức hoặc đảo trộn theo chu kì. Tuy nhiên nhược điểm của hệ thống này là chịu ảnh hưởng bởi thời tiết và thời gian ủ có thể kéo dài, thường áp dụng cho qui mô nông trường, trang trại có diện tích mặt bằng lớn và xa khu dân cư hay đô thị.
Đối với qui mô công nghiệp trong các nhà máy lớn thường áp dụng mô hình hệ thống kín, được thiết kế hoạt động liên tục. Dựa trên cấu trúc và dòng chuyển động của vật liệu phân loại mô hình ủ hiếu khí trên qui mô công nghiệp thành: mô hình kiểu ngang, mô hình kiểu quay.

Các dạng công nghệ thường áp dụng ở nước ta:
• Ủ rác thành đống, lên men tự nhiên có đảo trộn (Windrow composting): Đây là phương pháp cổ điển nhất, rác được chất thành từng đống có chiều cao khoảng 1,5-2,5m, hàng tuần đảo trộn hai lần, nhiệt độ trung bình trong quá trình ủ là 550C. Quá trình ủ có đảo trộn kéo dài 4 tuần độ ẩm duy trì là 50-60%. Sau đó là 3 hay 4 tuần ủ không đảo trộn, trong giai đoạn này các loài nấm mốc và xạ khuẩn chuyển hóa các chất hữu cơ thành mùn. Ưu điểm của phương pháp là dễ thực hiện, nhược điểm là mất vệ sinh gây ô nhiễm nguồn nước và môi trường xung quanh.
• Ủ rác thành đống không đảo trộn và thổi khí (Aeroted staticpile composting): Rác được ủ thành đống cao từ 2-2,5m, phía dưới có lắp đặt một hệ thống phân phối khí. Nhờ hệ thống phân phối khí mà quá trình chuyển hóa diễn ra nhanh hơn, nhiệt độ đống ủ được ổn định và phù hợp với sự phát triển của vi sinh vật.

b3. Các vi sinh vật tham gia:
Các nhóm vi sinh vật tham gia chuyển hóa vật chất hữu cơ trong quá trình ủ phân rác hiếu khí gồm các vi khuẩn hiếu khí, xạ khuẩn hiếu khí và các vi nấm hiếu khí. Một vài loài tiêu biểu: Nitrobacter, Nitrosomonas, Nitrospira, Thiobacillus,…

 

5. Hoạt động của vi sinh vật trong đống ủ.
Các quá trình sinh hoá diễn ra trong đống ủ rác chủ yếu do hoạt động của các vi sinh vật sử dụng các hợp chất hữu cơ làm nguồn dinh dưỡng cho các hoạt động sống của chúng. Các loại vi khuẩn và nấm đóng vai trò quan trọng trong quá trình phân giải các hợp chất. Các loại vi sinh vật phát triển tốt trong các điều kiện môi trường được xác định như bảng sau.

Bảng. Các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến vi sinh vật

Yếu tố môi trường	Khoảng xác định
Nhiệt độ, oC	0 – 70
Nồng độ muối, %	NaCl 0 – 3
pH	1,0 – 1,2
Nồng độ oxi, %	0 – 21
Áp suất, mPa	0 – 115
Ánh sáng	Bóng tối, ánh sáng mạnh

Các vi sinh vật tham gia vào quá trình phân giải tại các đống ủ rác được chia thành ba nhóm chủ yếu sau: 
– Các vi sinh vật ưa ẩm: phát triển mạnh ở nhiệt độ 0 – 20oC.
– Các vi sinh vật ưa ấm: phát triển mạnh ở nhiệt độ 20 – 40oC.
– Các vi sinh vật ưa nóng: phát triển mạnh ở nhiệt độ 40 – 70oC. 

Sự phát triển của các loại vi sinh vật theo nhiệt độ được thể hiện theo đồ thị sau: Thời kỳ đầu của quá trình ủ rác, quá trình hiếu khí được diễn ra, giai đoạn này các chất hữu cơ dễ bị oxi hoá sinh hoá thành dạng đơn giản như protein, tinh bột, chất béo, một lượng nhất định chất xenluloza. Trong quá trình này, các vi sinh vật tiếp nhận một lượng năng lượng rất lớn và vì thế có tồn tại một lượng năng lượng đáng kể ở dạng nhiệt.

Lượng năng lượng nhiệt được tạo thành bên trong lòng đống ủ được tạo ra nhiều hơn so với lượng nhiệt được thoát ra bên ngoài và do đó nhiệt độ bên trong các đống bể ủ được tăng lên. Giá trị nhiệt độ tăng tới 60 – 70oC, kéo dài trong thời gian khoảng 30 ngày. Ở khoảng nhiệt độ này, các phản ứng hoá học diễn ra sẽ trội hơn các phản ứng vi sinh vật bởi vì hầu hết chủng vi sinh vật không phát triển được ở nhiệt độ 70oC.

Trong quá trình phân huỷ hiếu khí, các polime ở dạng đa phân tử được vi sinh vật chuyển hoá sang dạng đơn phân tử và tồn tại ở dạng tự do. Các polime đơn phân tử sau đó lại được vi sinh vật hấp thụ, sử dụng trong việc tiếp nhận năng lượng để kiến tạo nên tế bào mới. Khi O2 bị các vi sinh vật hiếu khí tiêu thụ dần thì các vi sinh vật yếm khí bắt đầu xuất hiện và nhiều quá trình lên men khác được bắt đầu diễn ra trong đống ủ. Các vi sinh vật tham gia vào quá trình lên men là nhóm vi sinh vật dị dưỡng trong điều kiện cả yếm khí lẫn kỵ khí nghiêm ngặt. Các chất hữu cơ dạng đơn giản, các axit amin, đường … được chuyển hoá thành các axit béo dễ bay hơi, rượu, CO2 và N2. Các axit béo dễ bay hơi, rượu sau đó lại được chuyển hoá tiếp tục với sự tham gia của các vi sinh vật axeton và các vi sinh vật khử sunfat.

Các vi sinh vật axeton tạo ra các axit axetic, khí CO2 còn các vi khuẩn khác thì chỉ tạo ra khí N2 và khí CO2. Các chất này là nguồn nguyên liệu ban đầu của quá trình metan hoá. Các vi khuẩn tạo sunfat và vi khuẩn tạo metan là những vi khuẩn thuộc nhóm tạo vi sinh vật kỵ khí bắt buộc. Có hai nhóm vi sinh vật chủ yếu tham gia vào quá trình tạo metan, phần lớn là nhóm các vi sinh vật tạo metan từ khí N2 và khí CO2, phần nhỏ (gồm 2 đến 3 chủng loài) là những vi sinh vật tạo metan từ axit axetic. Trong tổng lượng khí metan tạo thành từ đống ủ thì có tới 70% được tạo thành từ axit axetic. Nếu như có tồn tại nhiều sunfat trong các đống ủ thì các vi khuẩn khử sunfat sẽ mang tính trội hơn vi khuẩn metan và như vậy sẽ không có khí metan tạo thành nếu sunfat vẫn tồn tại. Trong quá trình chuyển hoá kỵ khí, nhiệt độ của các đống ủ giảm xuống vì các chủng loại vi sinh vật ở giai đoạn này tạo ra ít nhiệt lượng hơn nhiều so với quá trình chuyển hoá hiếu khí (chỉ bằng 7% so với quá trình hiếu khí).

Như vậy, rác hữu cơ tại các đống ủ được phân huỷ theo nhiều giai đoạn chuyển hoá sinh học khác nhau để tạ ra sản phẩm cuối cùng là mùn hữu cơ để làm phân sinh học.

III. Kết luận và kiến nghị

Công nghệ vi sinh vật xử lí chất thải là một trong những hướng phát triển ưu tiên hàng đầu trong đó chú trọng sử dụng các công nghệ sạch tạo đà cho việc phát triển bền vững. 
Các quá trình xử lí chất thải bằng biện pháp sinh học mà vai trò chính là sự đóng góp của các loài vi sinh vật nhằm bảo vệ các giá trị của môi trường thiên nhiên.
Công nghệ phân hủy chất thải bằng vi sinh vật dựa trên cơ sở loại bỏ hỗn hợp nhiều chất có trong chất thải và tái sử dụng chúng. Ứng dụng công nghệ vi sinh vật xử lí chất thải sẽ tăng cường khả năng phân hủy các chất, giảm thời gian phân hủy dẫn đến giảm giá thành sản phẩm.
Tóm lại, công nghệ vi sinh vật xử lí chất thải là sự phát triển của công nghệ sinh học nhằm ứng dụng vi sinh vật và các cấu phần của tế bào vi sinh vật để sản xuất các chế phẩm có giá trị mới và ứng dụng các quá trình công nghệ mới, thích hợp trong bảo vệ và phục hồi chất lượng môi trường sống của con người.

Kiến nghị:

Trên cơ sở thành công của những nghiên cứu về ứng dụng công nghệ vi sinh vật xử lí rác thải, nên tiếp tục đi sâu nghiên cứu, phân lập, chọ lọc và nuôi cấy các giống vi sinh vật có hoạt tính cao phân giải rác thải. Ứng dụng công nghệ vi sinh sản xuất các chế phẩm sinh học xử lý rác thải hiệu quả và giá thành hợp lí. 
Cải tiến những công nghệ xử lí rác thải có ứng dụng vi sinh vật và tìm ra những phương pháp xử rác thải mới ứng dụng công nghệ vi sinh thay thế những công nghệ truyền thống.
Xây dựng, nâng cấp và mở rộng về qui mô lẫn số lượng các nhà máy đáp ứng nhu cầu xử lí rác thải.

IV. Tài liệu tham khảo

Giáo trình Công nghệ vi sinh vật xử lý chất thải, PGS. TS Lê Gia Hy. Nxb Giáo dục Việt Nam, 2010.
Giáo trình Quản lý và xử lý chất thải rắn, Ths Lê Minh Thành, khoa Kĩ thuật – công nghệ – môi trường, Đại học An Giang.
Luận án tiến sĩ sinh học Nghiên cứu các vi sinh vật phân giải xenluloza trong phân hủy rác thải hiếu khí và ứng dụng, 2001.
Sản xuất khí đốt (biogas) bằng kĩ thuật lên men kị khí, Ngô Kế Sương, Nguyễn Lân Dũng. Nxb Giáo Dục, 1997.