Tài liệu Nghiên cứu xử lý chất thải thí nghiệm sinh học khoa công nghệ sinh học môi trường

LỜI CẢM ƠN Để có thể thực hiện và hoàn thành được đề tài nghiên cứu khoa học này, nhóm tác giả đã nhận được nhiều sự giúp đỡ tận tình của các đơn vị cá nhân. Trước tiên nhóm tác giả xin chân thành cám ơn đến toàn bộ Nhân viên Khoa Công nghệ Sinh học Môi trường đã tạo điều kiện thuận lợi cho chúng tôi. Chân thành cảm ơn các cán bộ quản lý Phòng thí nghiệm Khoa Công nghệ Sinh học Môi trường vừa tạo điều kiện vừa tham gia giúp đỡ chúng tôi. Chân thành cám ơn anh chị em đã giúp đỡ chúng tôi hoàn thành đề tài nghiên cứu khoa học nay. Chân thành Cảm ơn! 1 MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU 1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1 MỤC TIÊU 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI 2 2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2 PHẦN NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU 4 1.1.TỔNG QUAN VỀ PHÒNG THÍ NGHIỆM KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG, TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG 4 1.2.TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH RÁC THẢI PHÒNG THÍ NGHIỆM CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 5 8 2.1.ẢNH HƯỞNG CỦA RÁC THẢI ĐẾN MÔI TRƯỜNG 8 2.1.1. Các loại ô nhiễm môi trường 8 2.1.2. Ảnh hưởng của ô nhiễm môi trường 9 2.2. PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC XỬ LÝ RÁC HỮU CƠ 10 2.2.1. Các phương pháp xử lý rác hữu cơ 10 2.2.2. Công nghệ sinh học xử lý chất thải hữu cơ 11 2.3. VI SINH VẬT PHÂN HỦY RÁC THẢI 17 2.4. ĐỊNH HƯỚNG CỦA PHÂN HỮU CƠ SINH HỌC (COMPOST) 2.4.1. Cơ sở của quá trình compost 19 2.4.2. Chất lượng compost20 2.4.3. Định hướng sử dụng phân hữu cơ sinh học (compost) 20 CHƯƠNG 3: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 22 3.1. VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU 22 3.2. DỤNG CỤ VÀ HÓA CHẤT 22 3.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.3.1. Lựa chọn công nghệ 3.3.2. Thiết kế mô hình 23 23 24 2 19 3.3.3. Các chỉ tiêu phân tích 25 3.4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 30 3.4.1. Mô hình đợt 1 30 3.4.2. Mô hình đợt 2 31 PHẦN KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 36 KẾT LUẬN 36 KIẾN NGHỊ 37 3 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT PCA PLACE COUNT AGAR PGA POTATO GLUCOSE AGAR 4 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Chai lọ phòng thí nghiệm bị thải bỏ trang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Hình 2.1: Ba giai đoạn của quá trình phân hủy kị khí các chất hữu cơ. . . . . . . . . . 17 Hình 3.1: Hoa dừa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 Hình 3.2: Đất đang xử lý đợt 1 và đợt 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Hình 3.3: Hoa trồng ở Phòng thí nghiệm bằng đất xử lý sinh học . . . . . . . . . . . . . . 31 Hình 3.4: Sơ đồ phân tích độ ẩm đợt 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Hình 3.5: Thực vật trồng trên đất từ mô hình đợt 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 DANH MỤC BẢNG ĐỒ Bảng 2.1:Thành phần dinh dưỡng theo trọng lượng khô của một số chất thải dùng làm composting.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Bảng 31: Thành phần đất sạch Lavamix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Bảng 3.2: Thành phần môi trường PCA  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Bảng 3.3: Thành phần môi trường PGA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 Bảng 3.4: Kết quả phân tích độ ẩm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 PHẦN MỞ ĐẦU LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Trong thời kỳ đổi mới của đất nước tiến lên nền công nghiệp hóa và hiện đại hóa thì nghiên cứu khoa học hay kiểm định chất lượng sản phẩm khoa học là cần thiết. Vì thế, đi đôi với đào tạo lý thuyết là thực hành hay nghiên cứu khoa học là mục tiêu quan trọng của một số đơn vị đào tạo nguồn nhân lực tương lai. Điển 5 hình trong công tác giảng dạy tại trường Đại học Lạc Hồng thì thực hành là yếu tố rất quan trọng trong triết lý của nhà trường “Đào tạo nhân lực; có vườn ươm nhân tài; sinh viên ra trường làm việc ngay, không đào tạo lại”. Thực hành tốt sẽ giúp sinh viên nắm bắt được vấn đề và tư duy kiến thức tốt hơn. Do đó, Khoa Công nghệ Sinh học – Môi trường đã được nhà trường hoàn thiện dần cơ sở phòng thí nghiệm, công tác giảng dạy ngày càng thuận tiện và hiện đại hơn. Trong quá trình giảng dạy thí nghiệm ngoài sản phẩm thu được thì chất thải sinh ra còn chưa được đánh giá và xử lý hợp lý. Chất thải các môn học thí nghiệm bao gồm chất thải vô cơ và hữu cơ, đối với các chất thải hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học thì vấn đề xử lý và tận dụng là khả thi. Chất thải của môn học thí nghiệm “VI SINH VẬT KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG” bao gồm môi trường dinh dưỡng cho vi sinh vật phát triển và một số chất thải khác (nước thải, giấy…). Chất thải sẽ được xử lý bằng phương pháp là kích hoạt sinh học với ưu điểm là an toàn và thân thiện với môi trường. Chất thải sau xử lý sẽ được tận dụng làm đất giàu dinh dưỡng để cải thiện đất trồng hay dùng để trồng cây. Vì thế, đề tài “NGHIÊN CỨU XỬ LÝ CHẤT THẢI THÍ NGHIỆM SINH HỌC KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÔI TRƯỜNG” là mong muốn của nhóm tác giả, cùng với Khoa Công nghệ Sinh học Môi trường, Trường Đại học Lạc Hồng trong việc giữ gìn và bảo vệ môi trường. MỤC TIÊU Xử lý chất thải thí nghiệm sinh học phòng thí nghiệm thành chất mùn. Sản phẩm sau xử lý được sử dụng trồng trọt, an toàn và thân thiện với môi trường. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu là hệ vi sinh vật có khả năng phân hủy chất thải môn 6 học thí nghiệm. Phạm vi nghiên cứu là chất thải thí nghiệm môn học “Vi sinh vật kỹ thuật môi trường” bao gồm: môi trường dinh dưỡng, nước thải, giấy cuộn... PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Thu thập tài liệu và phân tích tài liệu. Thiết kế mô hình thí nghiệm. Phân tích chỉ tiêu hóa, lý và sinh học của mô hình. Phương pháp thực nghiệm. TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI Xử lý chất thải sinh học có nguồn gốc từ phòng thí nghiệm, với các thành phần môi trường giàu dinh dưỡng thuận lợi cho sự sinh trưởng và phát triển của hệ vi sinh vật. Đồng thời trong quá trình xử lý, hệ vi sinh vật phân hủy các chất dinh dưỡng và trả vào trong đất dưới dạng chất mùn. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Nghiên cứu thành phần chất thải Hệ vi sinh vật có khả năng phân hủy chất thải Thiết kế mô hình Theo dõi và phân tích mẫu Thử nghiệm trồng cây 7 PHẦN NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU • TỔNG  QUAN  VỀ  PHÒNG  THÍ  NGHIỆM  KHOA  CÔNG  NGHỆ  SINH  HỌC  MÔI  TRƯỜNG, TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG Khoa Công nghệ Sinh học - Môi trường trường Đại học Lạc Hồng được thành lập vào năm 2005. Song song với sự phát triển từng ngày của Khoa, phòng thí nghiệm cũng ngày càng được đầu tư các trang thiết bị mới, hiện đại hơn nhằm phục vụ cho công tác nghiên cứu và giảng dạy của Khoa. Hiện nay Khoa Công nghệ Sinh học - Môi trường có các phòng thí nghiệm sau: Phòng thí nghiệm Cơ sở: Là nơi để để giảng dạy và thực hành các bài thí nghiệm cơ bản như: thí nghiệm Hóa đại cương, Hóa lý, Hóa hữu cơ, Hóa phân tích,… ngoài ra tại phòng cũng được đầu tư một hệ thống máy lọc nước tinh khiết phục vụ nước uống cho giảng viên và sinh viên, có hệ thống máy cất nước và hoàn lưu nước cất để phục vụ cho việc giảng dạy các môn học, đồng thời cũng tiết kiệm được chi phí nước cho phòng thí nghiệm. Phòng thí nghiệm Môi trường: Với trang thiết bị: máy đo pH, COD, DO, tủ nung, tủ sấy, tủ hút khí độc,… dùng để thực hiện các thí nghiệm chuyên sâu về môi trường: Hóa môi trường, xử lý chất thải, nước thải, kỹ thuật vi sinh vật môi trường, … ngoài ra còn là nơi để sinh viên ngành môi trường tiến hành nghiên cứu khoa học. Phòng thí nghiệm Công nghệ sinh học 1: Với trang thiết bị: tủ ấm, máy lắc, bể điều nhiệt, và một loạt kính hiển vi hiện đại được kết nối với máy tính,... nhằm phục vụ cho các bài thí nghiệm: Hóa sinh, Kỹ thuật vi sinh, Công nghệ lên men, 8 Sinh học đại cương. Phòng thí nghiệm Công nghệ sinh học 2: Được trang bị các thiết bị hiện đại: PCR, máy điện di, máy ly tâm, máy đo quang phổ, thiết bị chưng cất đạm, máy sấy chân không,... nhằm phục vụ cho các thí nghiệm chuyên sâu về sinh học như: sinh học phân tử, tách chiết hợp chất thiên nhiên, công nghệ thực phẩm. Phòng thí nghiệm Quá trình và thiết bị: Được trang bị hệ thống các bộ thiết bị: bộ nghiền, rây, trộn; truyền nhiệt ống lồng ống; mạch lưu chất; trao đổi ion. Đặc biệt có Pilot hệ thống xử lý nước thải phòng thí nghiệm. Phòng là nơi để thực hiện các bài thí nghiệm về Quá trình và thiết bị (cho cả Khoa Công nghệ Sinh học - Môi trường và Khoa Công nghệ Hóa - Thực phẩm), thí nghiệm xử lý nước thải. Phòng Nuôi cấy mô: Với trang bị hệ thống tủ cấy hiện đại dùng để cho sinh viên thực tập nuôi cấy mô và nuôi cấy vi sinh…. Phòng chuyên đề: Dùng là nơi để giảng dạy sinh viên lý thuyết về kỹ thuật phòng thí nghiệm, báo cáo chuyên đề, báo cáo nghiên cứu khoa học của khoa. Bên cạnh đó phòng thí nghiệm còn có đầy đủ các loại hóa chất để phục vụ cho tất cả các bài thí nghiệm trong chuyên ngành môi trường và sinh học. Hiện nay, phòng thí nghiệm hoàn toàn có thể đảm bảo cùng lúc cho 150 sinh viên thực hành, thí nghiệm tại phòng với trang thiết bị, dụng cụ và hóa chất cho các bài thí nghiệm cơ bản về môi trường cũng như sinh học. Do đó lượng rác thải, nước thải bỏ ra mỗi ngày cũng là một vấn đề cần được quan tâm và xử lý • TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH RÁC THẢI PHÒNG THÍ NGHIỆM Tại nhiều trường Đại học, viện nghiên cứu, khí thải độc hại sau thí nghiệm được dẫn ống phun lên trời, nếu là chất lỏng thì đổ thẳng xuống cống rãnh, là chất không tan thì bỏ thùng rác công cộng. Ở nhiều nước trên thế giới, người làm nghiên cứu không phải lo việc xử lý 9 chất thải nguy hiểm, vì họ có 1 -2 chuyên gia hoặc một cơ quan chuyên trách của trường/viện làm việc đó. Ví dụ, với rác thải nhiễm phóng xạ, chất thải có tiềm ẩn nguy cơ an toàn sinh học, các chất thải có nguy cơ về hóa học…, sẽ thu lại riêng rẽ và ghi rõ thành phần hóa học; sau đó, cơ quan xử lý của viện/trường sẽ đem đi xử lý. Ở Việt Nam, chất thải phòng thí nghiệm được thu gom cùng với chất thải sinh hoạt và được đưa vào bãi rác mà bản thân người thu gom rác không nhận thức được vấn đề độc hại, chất thải sẽ hòa lẫn vào những chất thải khác sẽ tạo nên những hợp chất khác… Chất thải thí nghiệm sinh học được cho vào lỗ thoát nước xuống hệ thống cống nước chung của cơ quan, đổ hóa chất vào hệ thống cống để giảm bớt độc tính xuống đây?. Chất thải rắn khác (kể cả chai lọ đựng hóa chất) thì được bỏ vào thùng rác công cộng trong cơ quan, chờ nhân viên của công ty vệ sinh đến đem đi, như rác thải bình thường. Nhiều viện, trung tâm nghiên cứu, các phòng nghiên cứu của các trường Đại học, khí thải luôn được thải thẳng lên trời qua một đường ống nối từ tủ hút khí được đặt trong phòng thí nghiệm, mà không qua bất cứ khâu xử lý nào. Thường mỗi phòng thí nghiệm có một quy định riêng để giảm thiểu nguy hiểm trong phòng, nhưng khâu đưa rác thải ra ngoài môi trường thế nào cho đảm bảo an toàn với môi trường xung quanh thì gần như bị bỏ trống. Cụ thể là chưa có một quy trình cụ thể trong việc xử lý rác thải từ phòng thí nghiệm. Hiện nay, xử lý rác thải từ phòng thí nghiệm chỉ biết trông mong vào sự quan tâm của mỗi trưởng phòng thí nghiệm, vì nó gắn liền với chuyên môn của người nghiên cứu. Chủ nhiệm một phòng Nghiên cứu tế bào gốc, nghiên cứu về tế bào, gene… với nhiều hóa chất đặc thù, mới, mang mức độ độc hại cao, băn khoăn: “Dù tuân theo quy tắc xử lý với tùy từng loại rác thải, nhưng nhiều trường hợp 10 chúng tôi không biết xử lý rác thải như vậy đã đảm bảo chưa, nhất là khi có những phát sinh không thấy nói trong quy trình. Trong khi đó, nếu những chất thải này chưa được xử lý triệt để mà đưa ra môi trường, thì sẽ gây ô nhiễm rất trầm trọng". Theo ông, ô nhiễm sinh học có thể làm phát sinh, biến dạng sự sống hoặc tiêu diệt toàn bộ sự sống, nó tiềm tàng trong cơ thể người không may bị dính vào, mà có thể cơ thể đó không biết… Hình 1.1: Chai lọ phòng thí nghiệm bị thải bỏ Theo nhiều người, ở Việt Nam hiện nay, số lượng rác thải từ phòng thí nghiệm chưa phải là lớn như ở nước ngoài, khi bị bỏ bừa bãi ra môi trường, chúng có thể chưa gây ảnh hưởng trực tiếp ngay, nhưng về lâu dài, mức độ nguy hại khó kiểm soát tới đời sống con người, môi trường bên ngoài là có thật. Mà trước mắt là để bảo vệ ngay chính cộng đồng sinh viên trong các trường đại học, nhân viên trong các viện nghiên cứu. Đó là chưa kể, sẽ rất nguy hiểm cho những người đi 11 thu gom rác, vô tình dính phải rác thải phòng thí nghiệm mà không hay! [3] 12 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU • ẢNH HƯỞNG CỦA RÁC THẢI ĐẾN MÔI TRƯỜNG • 2.1.1. Các loại ô nhiễm môi trường Ô nhiễm môi trường đất: Môi trường đất là nơi trú ngụ của con người và hầu hết các sinh vật cạn, là nền móng cho các công trình xây dựng dân dụng, công nghiệp và văn hóa của con người. Đất là một nguồn tài nguyên quý giá, con người sử dụng tài nguyên đất vào hoạt động sản xuất nông nghiệp để đảm bảo nguồn cung cấp lương thực thực phẩm cho con người. Môi trường đất chịu tác động của nhiều yếu tố tự nhiên và nhân tạo. Nhưng tác động đến ô nhiễm môi trường đất thì yếu tố con người là quyết định, ô nhiễm môi trường đất là hậu quả các hoạt động của con người làm thay đổi các nhân tố sinh thái vượt qua những giới hạn sinh thái của các quần xã sống trong đất. Rác thải làm biến đổi thành phần của đất, ngăn chặn quá trình trao đổi diễn ra trong đất, kết quả là đất bị ô nhiễm dẫn tới ô nhiễm nguồn nước ngầm. Ô nhiễm môi trường nước: Ô nhiễm nước là sự thay đổi theo chiều xấu đi các tính chất vật lý – hoá học – sinh học của nước, với sự xuất hiện các chất lạ ở thể lỏng, rắn làm cho nguồn nước trở nên độc hại với con người và sinh vật. Làm giảm độ đa dạng sinh vật trong nước. Xét về tốc độ lan truyền và quy mô ảnh hưởng thì ô nhiễm nước là vấn đề đáng lo ngại hơn ô nhiễm đất. Rác thải làm cho nguồn nước bị thiếu oxy trong dẫn đến sự hình thành các khí độc. Bên cạnh đó, trong quá trình phân hủy các chất sinh học thì nước rỉ rác phát sinh đi vào các mạch nước ngầm. Hậu quả của ôn nhiễn nguồn nước hiện nay đang là báo động cho toàn cầu, nhu cầu nước sạch thì thiếu nhưng những lưu vực 13 hay nước ngầm ô nhiễm được phát hiện càng nhiều. Ô nhiễm môi trường không khí: Ô nhiễm môi trường không khí là sự có mặt một chất lạ hoặc một sự biến đổi quan trọng trong thành phần không khí, làm cho không khí không sạch hoặc gây ra sự tỏa mùi, có mùi khó chịu, giảm tầm nhìn xa do bụi. Hiện nay, ô nhiễm khí quyển là vấn đề thời sự nóng bỏng của cả thế giới chứ không phải riêng của một quốc gia nào. Môi trường khí quyển đang có nhiều biến đổi rõ rệt và có ảnh hưởng xấu đến con người và các sinh vật. Những phương pháp xử lý rác thải ô nhiễm không hợp lý có thể gây ô nhiễm môi trường không khí như: + Phương pháp đốt phát sinh nhiều khí thải độc hại (khí CO2 gây hiệu ứng nhà kính, CO, NOx…) nhất đồng thời trong quá trình đốt nếu đốt không đúng kỹ thuật (cháy không hoàn toàn) còn phát sinh thêm dioxins/furans rất độc hại với môi trường và toàn sinh giới. • 2.1.2. Ảnh hưởng của ô nhiễm môi trường Ảnh hưởng đến hệ sinh thái: khi môi trường ô nhiễm thì hệ sinh thái sẽ bị thay đổi. Đất bị ô nhiễm có thể trở nên cằn cõi và không phù hợp cho cây trồng sinh trưởng và phát triển. Kết quả là cây không sống, không tạo nguồn dinh dưỡng và không cung cấp oxy… Ảnh hưởng đến các cơ thể sống phụ thuộc vào thực vật kể cả con người. Để phù hợp với điều kiện môi trường mới thì cố thể giống loài mới sẽ xuất hiện, xâm lấn và cạnh tranh chiếm môi trường sống và làm nguy hại các giống loài bản địa. Ảnh hưởng đến sức khỏe con người: không khí ô nhiễm gây ra nhiều loại 14 bệnh đường hô hấp, tim mạch, viêm họng, đau ngực… Đất và nước ô nhiễm sẽ ảnh hưởng đến nguồn thức ăn và nước uống sử dụng hàng ngày và có thể dẫn đến chất lượng sống giảm đi. Ngoài ra, bãi rác hay khu vực tập trung rác thải là môi trường sống của những nguy cơ bệnh tật cho con người rất nguy hiểm như: gây bệnh dịch hạch, tả kiết lỵ, thương hàn, sốt rét… mà các tác nhân truyền bệnh hay gây bệnh sống ở các bãi rác như chuột kiến, gián, vi sinh vật gây bệnh… Tóm lại, rác thải hữu cơ sẽ là mối họa cho môi trường và sức khỏe con người nếu chúng ta không nhận thức được tác hại của chúng. Bên cạnh đó, nếu chúng ta biết tận dụng nguồn tài nguyên rác thải thì sẽ không có ô nhiễm và không ảnh hưởng đến sức khỏe con người mà là nguồn dinh dưỡng (sản phẩm compost) cho cây trồng. Cây trồng sẽ hấp thụ dịnh dưỡng và khoáng chất có trong sản phẩm compost để sinh trưởng và phát triển cung cấp năng lượng, dinh dưỡng, nguyên liệu sản xuất và tinh lọc không khí … cho con người và toàn sinh giới nói chung. [1] • 2.2. PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC XỬ LÝ RÁC HỮU CƠ • 2.2.1. Các phương pháp xử lý rác hữu cơ Hiện nay, chất thải các phòng thí nghiệm của các trung tâm nghiên cứu hay Trường Đại học... thường được thu gom chung vào hệ thống rác sinh hoạt. Rác thải thường được tập trung vào bãi rác và được xử lý bằng nhiều phương pháp: Phương pháp hóa học phổ biến nhất trong xử lý rác thải là phương pháp đốt. Phương pháp này có ưu điểm là xử lý nhanh và số lượng lớn… nhưng đồng thời nhược điểm của phương pháp này là chi phí cao, có thể phát sinh nhiều chất độc khác (dioxins/ furans…) và mùi hôi gây ô nhiễm môi trường. Phương pháp lý học là chôn lấp được xem là phương pháp kinh tế nhất, đơn giản nhất và được lựa chọn nhiều nhất. Tuy nhiên, xét về lâu dài thì phương 15 pháp này lại không đạt tiêu chuẩn môi trường khu vực (mùi, khí, nước rỉ rác…), nó chiếm một diện tích chứa rất lớn và thời gian chất thải tự phân hủy là rất lâu. Bên cạnh hai phương pháp trên thì phương pháp sinh học lại mang tính chất ôn hòa hơn. Phương pháp sinh học tận dụng sự sinh trưởng và phát triển của sinh vật (động vật thân mềm, thực vật và vi sinh vật) phân hủy các chất thải sinh học thành dạng chất mùn. Chất mùn này tương tự như đất nông nghiệp nhưng lại giàu dinh dưỡng hơn đất nông nghiệp nên thường được dùng làm phân vi sinh, bón lót hay cải thiện đất trồng… [2] • 2.2.2. Công nghệ sinh học xử lý chất thải hữu cơ Từ những năm 80 của thế kỷ 20, các nhà khoa học đã nghiên cứu và ứng dụng công nghệ sinh học phân hủy (Bioremediation Technology) để làm sạch môi trường ô nhiễm. Nguyên lý chung của công nghệ này là tạo điều kiện thích hợp cho vi sinh vật, có khả năng phân hủy chất ô nhiễm, sinh trưởng và phát triển phân hủy chất ô nhiễm làm sạch môi trường. Bản chất của quá trình phân hủy sinh học là thay đổi các yếu tố môi trường kích thích hoạt động của các vi sinh vật có khả năng phân hủy chất thải. Chất thải sẽ là nguồn carbon hay năng lượng cho một số vi sinh vật (bản địa hoặc tăng cường), hoặc có khả năng phân hủy các chất ô nhiễm bằng cách bổ sung thêm dinh dưỡng, oxy,... nhằm kích thích khả năng phân hủy của vi sinh vật, đồng thời làm vi sinh vật dễ tiếp cận và tấn công phân hủy. Xử lý chất thải sinh học bằng phương pháp sinh học gồm: xử lý hiếu khí (compost) và kỵ khí (biogas). Composting là quá trình phân hủy sinh học chất thải hữu cơ trong điều kiện hiếu khí được kiểm soát. Ngược lại với quá trình phân hủy của các hợp chất hữu cơ ngoài tự nhiên, trong quá trình ‘composting’ nhiệt độ trong khối chất thải tăng lên do nhiệt tự sinh từ hoạt động của các vi sinh vật chịu nhiệt (mesophiles) (25- 16 400C) và ưa nhiệt (thermophiles) (50-700C). Kết thúc quá trình ‘composting’, sản phẩm thu được khá ổn định về sinh học, tương tự như chất mùn, có thể sử dụng để trộn thêm vào đất hay làm phân bón, màng lọc sinh học hay nhiên liệu. Mục tiêu của quá trình ‘composting’ chính là: ổn định sinh học, giảm thể tích và khối lượng chất thải, làm khô, loại bỏ tối đa các chất độc đối với thực vật, hạt hay những phần của cây và làm tiêu diệt các mầm bệnh. ‘Composting’ cũng là cách để loại bỏ chất ô nhiễm trong đất. Hầu hết các chất ô nhiễm hữu cơ có thể bị loại bỏ nhờ phương pháp này. Việc xử lý chất thải hữu cơ bằng phương pháp ‘composting’ trước khi thải bỏ, chôn lấp làm giảm hiệu ứng nhà kính. Từ các góc độ xem xét thì quá trình ‘composting’ được tạo nên là để thỏa mãn mục tiêu hiệu quả cao về kinh tế, có nghĩa là giảm nhân công và chi phí. Để đạt được mục tiêu này cần nỗ lực làm tối ưu hóa những tác nhân sinh học, công nghệ và vận hành đồng thời giảm những ảnh hưởng bất lợi trong quá trình ‘composting’. Những yếu tố có thể gây ảnh hưởng tới quá trình ‘composting’ đã được nghiên cứu từ khá lâu và ghi nhận trên nhiều công trình nghiên cứu riêng biệt hay những tổng quan. Giai đoạn những năm 1970 là một giai đoạn đặc trưng của quá trình ‘composting’, thời đó nở rộ những kỹ thuật mới, quá trình mới và tối ưu hóa quá trình được nghiên cứu và đề xuất nhờ đó mở rộng thị trường ứng dụng cho loại hình công nghệ này. Một trong nhiều lý do dẫn đến sự phát triển của công nghệ này chính là người ta đã phải chi phí khá cao để diệt các mầm bệnh trong chất thải chôn lấp, để cải thiện những yêu cầu về bảo vệ môi trường ngày càng cao cũng như các luật định, sắc lệnh, quy định mới ban hành. Thực tế là nguồn tài nguyên có giới hạn vì vậy ý tưởng sử dụng lại chất thải hữu cơ làm giàu thêm cho đất trồng cũng chính là động lực quan trọng để phát triển lĩnh vực này. Chất thải hữu cơ cho quá trình composting có thể nguồn gốc từ chất thải sinh hoạt, công nghiệp, nhà máy xử lý nước thải, nông nghiệp, chăn nuôi, vùng 17 phong cảnh hay rừng. Khối lượng, thành phần và đặc trưng lý học của chất thải của một cơ sở “composting’ bị ảnh hưởng bởi một loại những yếu tố như nguồn gốc chất thải, quá trình sản xuất, quá trình chế biến, mùa trong năm, hệ thống thu nhận, đặc trưng xã hội và tập quán địa phương. Chất thải có phổ rộng về khối lượng và thành phần đòi hỏi phải có những phân tích kỹ càng trước khi lên kết hoạch tạo dựng cơ sở xử lý và để ước tính chất lượng sản phẩm trong mỗi trường hợp riêng biệt. Bảng 2.1:Thành phần dinh dưỡng theo trọng lượng khô của một số chất thải dùng làm composting. VSa C/N N P2Ọ5 K2O CaO MgO [%] [-] [%] [%] [%] [%] [%] Chất thải nhà bếp 20-80 10-20 0.6-2.2 0.3-1.5 0.4-1.8 0.5-4.8 0.5-2.1 Chất thải sinh học 30-70 10-25 0.6-2.7 0.4-1.4 0.5-1.6 0.5-5.5 0.5-2.0 Chất thải từ vườn, thực vật 15-75 20-60 0.3-2.0 0.1-2.3 0.4-3.4 0.4-12 0.2-1.5 Rác thải 25-50 30-40 0.8-1.1 0.6-0.8 0.5-0.6 4.4-5.6 0.8 Phân (người) 15-25 6-10 2 1.8 0.4 5.4 2.1 Bùn nước thải (thô) 20-70 15 4.5 2.3 0.5 2.7 0.6 Bùn nước thải (ổn định sau xử lý kỵ khí) 15-30 15 2.3 1.5 0.5 5.7 1.0 Chất thải Phân động vật x Trâu bò 20.3 20 0.6 0.4 0.7 0.6 0.2 Ngựa 25.4 25 0.7 0.3 0.8 0.4 0.2 Cừu 31.8 15-18 0.9 0.3 0.8 0.4 0.2 Lợn 18.0 15-20 0.8 0.9 0.5 0.8 0.2 Nước thải chăn nuôi x Trâu bò 10-16 8-12 3.2 1.7 3.9 1.8 0.6 Lợn 10-20 5-7 5.7 3.9 3.3 3.7 1.2 Gà 10-15 5-7 9.8 8.3 4.8 17.3 1.7 Lá củ cải đường 70 15 2.3 0.6 4.2 1.6 1.2 Rơm rạ 90 100 0.4 2.3 2.1 0.4 0.2 90-93 85-180 0.5-1.0 0.02-0.06 0.03-0.06 0.5-1.0 0.04-0.1 Bụi cây tươi 18 Cành cây phủ trên đất trồng 60-85 100-130 0.2-0.6 0.1-0.2 0.3-1.5 0.4-1.3 0.1-0.2 Vụn gỗ 65-85 400-500 0.1-0.4 1.0 0.3-0.5 0.5-1.0 0.1-0.15 Lá cây 80 20-60 0.2-0.5 - - - - Cây lau sậy 75 20-50 0.4 - - - - Than bùn 95-99 30-100 0.6 0.1 0.03 0.25 0.1 Chất thải từ dạ dày trâu bò 8.5-17 15-18 1.4 0.6 0.9 2.0 0.6 81 50 1.5-2.5 1.0-7.0 3.4-5.4 1.4-2.4 0.2 Bã trái cây 90-95 35 1.1 0.6 1.6 1.1 0.2 Thuốc lá 85-88 50 2.0-2.4 0.5-6.6 5.1-6.0 5.0 0.1-0.4 75 170-180 0.2-1.5 0.2-0.6 0.02-0.1 0.5-1.5 0.1-0.4 Bã nho Giấy Ghi chú: VSa chất rắn bay hơi Sự phân hủy các hợp chất hữu cơ trong quá trình ‘composting’ được khởi đầu bởi quần thể khá rộng lớn các vi sinh vật, bao gồm: vi khuẩn, xạ khuẩn và vi nấm. Cũng tương tự như trong xử lý nước thải bằng con đường sinh học, việc đưa thêm vi sinh vật vào qúa trình xử lý thường thì không cần thiết bởi vì bản thân trong chất thải đã sẵn chứa một số lượng lớn vi sinh vật có khả năng phát triển nhanh. Động vật không xương sống không đóng vai trò gây thối rữa trong giai đoạn đầu tiên ở nhiệt độ cao. Đôi khi, giun đất được sử dụng trong xử lý chất thải và tạo phân compost chất lượng cao. Sự phân rã chất thải ngay cả khi được thông khí tốt nhất đi nữa cũng bị ảnh hưởng của cả 2 quá trình vi sinh vật hiếu khí và kị khí. Mối quan hệ giữa đồng hóa hiếu khí và kị khí phụ thuộc vào đặc điểm sinh lý của chất thải/compost, bao gồm cấu trúc đống ủ, độ rỗng, hàm lượng nước, khoảng không khí lưu thông và dinh dưỡng sẵn có. Quá trình phân rã hiếu khí đòi hỏi có nước và oxy tự do cho hoạt tính các phản ứng sinh học. Sản phẩm cuối của quá trình chuyển hoá là nước và khí carbonic, amonium-NH4 (hoặc nếu ở nhiệt độ cao và pH>7 thì là amonia -NH3), nitrate, nitrite (oxit nitơ là sản phẩm của quá trình nitrát hóa), nhiệt, độ mùn và các 19 chất tương tự mùn. Khí thải ra từ quá trình đồng hóa hiếu khí trong đống ủ compost chứa hơi nước, carbonic, ammonia, nitơ oxit . Sản phẩm cuối của quá trình phân hủy bằng vi sinh kị khí lại là metan, carbonic, hydro, H2S, ammonia, nitơ oxit và khí nitơ (hai khí này đều là sản phẩm của quá trình nitrate hóa) và nước ở dạng lỏng. Phân huỷ kỵ khí, được thực hiện trong một hệ thống kín có kiểm soát về nhiệt độ và độ ẩm, là dạng công nghệ phù hợp để xử lí chất thải rắn ướt chứa hàm lượng lớn các chất hữu cơ có khả năng dễ bị phân huỷ sinh học. Sự phân huỷ kỵ khí gây bởi những nhóm vi khuẩn đặc thù thông qua một vài bước phản ứng, mỗi bước này phụ thuộc vào quá trình trước đó. Để ứng dụng những quá trình lên men kỵ khí vào quy mô công nghiệp thì nhất thiết phải có những hiểu biết rõ ràng về tương tác của những vi khuẩn này để tránh được những ức chế có thể gây bởi cơ chất hay sản phẩm. Một quá trình lên men kỵ khí hoàn chỉnh có thể chia làm 3 bước: • Thuỷ phân • Acid hoá • Tạo metan Ít nhất có 3 nhóm vi khuẩn tham gia trong quá trình lên men kỵ khí. Đầu tiên, trong quá trình thuỷ phân, hầu hết các dạng polyme sinh học như các chất đường (carbonhydrate), chất đạm (protein) và chất béo bị phân hủy bởi các enzyme ngoại bào thành các dạng đơn phân tử dễ hoà tan trong nước (như đường đơn, amino acid, glyxerin, acid béo), do vậy, dễ dàng bị phân huỷ hơn nữa. Ở bước thứ hai (acid hoá), các nhóm vi khuẩn khác nhau chuyển hoá những chất trung gian thu được sau khi thuỷ phân thành acid axetic (CH3COOH), hydro (H2), khí carbonic (CO2), acid hữu cơ, amino acid và rượu. Một số sản phẩm trung 20