Bài 11: Công Nghệ Ứng Dụng Vi Sinh Vật Trong Xử Lí Ô Nhiễm Môi Trường | Chuyên đề học tập Sinh học 10 | Chuyên Đề 3: Công Nghệ Vi Sinh Vật Trong Xử Lí Ô Nhiễm Môi Trường - Lớp 10 - Kết Nối Tri Thức Với Cuộc Sống

(Trang 65)

YÊU CẦU CẦN ĐẠT

Trình bày được một số công nghệ ứng dụng vi sinh vật trong xử lí môi trường:

• Xử lí ô nhiễm môi trường đất.
• Xử lí nước thải và làm sạch nước.
• Thu nhận khí sinh học.
• Xử lí chất thải rắn.

I – XỬ LÍ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG ĐẤT

Các hoạt động của con người như sản xuất công nghiệp, nông nghiệp, sinh hoạt hằng ngày và hoạt động của tự nhiên như cháy rừng, núi lửa là những nguyên nhân dẫn đến ô nhiễm đất. Các chất gây ô nhiễm đất chủ yếu là các kim loại nặng hoặc các hợp chất hiđrocacbon như metylbenzen, etylbenzen, xylen hoặc các hợp chất hiđrocacbon thơm đa vòng polyaromatic hydrocarbon (PAH). Các hợp chất này có nhiều trong dầu mỏ, thuốc nhuộm.

Trong các sự cố dầu tràn trên biển, dầu dạt vào đất liền làm đất ven biển nhiễm dầu là hiện tượng thường gặp. Sự có mặt của các chất ô nhiễm làm thay đổi tính mau mỡ của đất, cấu trúc đất, đặc điểm của môi trường dẫn đến thay đổi hệ động vật, thực vật, phát huy hệ sinh thái nông nghiệp, thay đổi hệ sinh thái đất. Tuy nhiên, trong điều kiện đất bị ô nhiễm, một số vi sinh vật có khả năng làm giảm mức độ độc hại của chúng thông qua các phản ứng sinh học; một số khác có khả năng chuyển hoá trạng thái, kết tủa kim loại nặng; một số khác có khả năng sử dụng PAH làm nguồn cung cấp carbon và năng lượng cho sinh trưởng và sinh sản của chúng. Việc sử dụng các vi sinh vật để làm sạch môi trường đất gọi là xử lí sinh học. Các vi sinh vật được sử dụng trong xử lí ô nhiễm môi trường đất có thể là vi khuẩn, vi nấm hoặc Archaea. Một số vi sinh vật đã được nghiên cứu có khả năng phân huỷ PAH như vi khuẩn Micrococcus leutus, Corynebacterium glutamicum, Bacillus megaterium, Pseudomonas aeruginosa, Cycloclasticus pugeti, Paenibacillus validus, Cladophialophora immuna. Thuốc trừ cỏ Atrazine bị phân huỷ bởi vi khuẩn Agrobacterium radiobacter là một trong những ví dụ điển hình. Nhiều vi sinh vật có khả năng hiệp chặt với thực vật tạo thành tổ hợp xử lí ô nhiễm môi trường đất hiệu quả hơn.

(Trang 66)

Để làm sạch môi trường đất bị ô nhiễm, có thể xử lí tại chỗ hoặc mang đất đến nơi xử lí. Tuy nhiên, trong điều kiện môi trường đất bị ô nhiễm trên diện rộng, việc xử lí tại chỗ là cần thiết và phù hợp. Quá trình xử lí ô nhiễm môi trường đất theo phương pháp sinh học được thực hiện theo các bước trong hình 11.1.

Khi bị ô nhiễm hữu cơ (như PAH), lượng carbon trong môi trường đất ô nhiễm cao hơn rất nhiều so với các nguyên tố cần thiết khác như N hoặc P. Các vi sinh vật bản địa có khả năng sinh trưởng và sinh sản, làm sạch môi trường, tạo tiền đề cho các sinh vật khác cư trú. Tuy nhiên, quá trình này diễn ra trong tự nhiên một cách chậm chạp. Để thúc đẩy quá trình xử lí, con người cần tiến hành bổ sung các chất dinh dưỡng cần thiết vào môi trường như phân đạm, phân lân, cải tạo điều kiện thoáng khí của đất hoặc bổ sung vi sinh vật đã được tuyển chọn phù hợp.

Để đảm bảo được quá trình xử lí sinh học hiệu quả, các vi sinh vật được sử dụng cần có sức sống tốt trong môi trường ô nhiễm,có khả năng phân huỷ chất ô nhiễm, không sinh ra các độc tố cho môi trường, không tiêu diệt các sinh vật khác. 

Hình 11.1. Quy trình xử lí ô nhiễm môi trường đất bằng vi sinh vật

Các chất gây ô nhiễm: hợp chất thơm đa vòng trong than, dầu mỏ, thực phẩm; kim loại nặng;... thấm vào đất 

Vi sinh vật tại chỗ hoặc được bổ sung có khả năng phân huỷ hợp chất thơm đa vòng 

Bồ sung N, P, C, O₂ để tạo điều kiện phù hợp cho vi sinh vật sinh trưởng và sinh sản

CO₂, H₂O và các hợp chất trao đổi không độc khác

II – XỬ LÍ NƯỚC THẢI VÀ LÀM SẠCH NƯỚC

Nước có vai trò vô cùng quan trọng đối với hệ sinh thái và con người. Khi nguồn nước bị ô nhiễm, toàn bộ hệ sinh vật bị ảnh hưởng. Nước thải công nghiệp, nước thải sinh hoạt, y tế,... không qua xử lí, thải trực tiếp ra sông, suối, biển là những nguyên nhân dẫn đến ô nhiễm nguồn nước, làm ảnh hưởng xấu đến các sinh vật thuỷ sinh, thậm chí gây chết hàng loạt (H 11.2).

Nguồn nước bị ô nhiễm bởi các nguyên nhân khác nhau, do đó, cần lựa chọn phương pháp xử lí ô nhiễm và khắc phục hậu quả cho phù hợp để đạt hiệu quả tốt nhất.

Hình 11.2. Hiện tượng tảo độc "nở hoa" ở ao, hồ do ô nhiễm chất thải hữu cơ làm chết hàng loạt các sinh vật thuỷ sinh

Việc áp dụng đồng bộ các phương pháp vật lí, hoá học và sinh học trong xử lí ô nhiễm môi trường là cần thiết và hiệu quả, không phải trường hợp nào cũng có thể áp dụng các biện pháp vật lí, hoá học mà chỉ có thể ứng dụng sinh học để xử lí, cải tạo môi trường. Cùng với thực vật, vi sinh vật là đối tượng được sử dụng nhiều trong quá trình làm sạch nước bị ô nhiễm.

Đối với nước bị ô nhiễm do nồng độ chất hữu cơ quá cao thì quá trình lọc, lắng, xử lí hiếu khí và kị khí nhờ các hệ vi sinh vật khác nhau được tiến hành nhằm oxy hoá các thành phần hữu cơ trong nước thành CO₂, H₂O, hoặc chuyển hoá các hợp chất hữu cơ thành khí sinh học (CH₄, CO₂) và H₂O. Sinh khối vi sinh vật trong quá trình xử lí này được sử dụng trong các lớp màng hoặc các hạt để định các sinh vật cho phép kiểm soát được các yếu tố tác động tới quá trình xử lí nước. Tốc độ sinh trưởng của hệ vi sinh vật phù hợp với mặt độ chất hữu cơ trong nước thải.

Vi sinh vật cũng được sử dụng trong việc xử lí nước nhiễm kim loại nặng. Các vi sinh vật hấp thụ, liên kết hoặc chuyển hoá kim loại nhiễm khu độc, tích tụ và tập trung kim loại, thuận lợi cho quá trình kết tủa, lắng và tái nhiễm môi trường.

Ví dụ: ở các thuỷ vực nơi dự trữ nước tưới tiêu cho nông nghiệp ở vùng núi, cao nguyên, đặt tính được lựa chọn là kim loại nặng trong đó có đồng. Đồng là kim loại rất quan trọng trong hoạt động sinh trưởng của tế bào. Nhưng khi ở nồng độ cao, nó lại gây hại đối với tế bào và cơ thể như phá vỡ tính toàn vẹn của màng tế bào, tương tác với nucleic acid, tác động vào hệ thống chuyển hoá chất và năng lượng, thay đổi đặc tính của enzyme dẫn đến rối loạn chức năng của tế bào. Một số vi sinh vật có khả năng xử lí đồng trong đất, nước bị ô nhiễm như Pseudomonas stutzeri, Clostridium difficile, Bacillus subtilis, Streptomyces coelicolor, Desulfovibrio vulgaris, Candida tropicalis, Rhodotorula mucilaginosa.

III – CÔNG NGHỆ THU NHẬN KHÍ SINH HỌC

Khí sinh học (biogas) là một sản phẩm thu được từ quá trình ứng dụng vi sinh vật trong xử lí môi trường, có tác dụng sinh năng lượng phục vụ đời sống của con người. Khí sinh học được sinh ra do vi sinh vật biến đổi các chất hữu cơ trong điều kiện kị khí. Sản phẩm khí của quá trình phân huỷ này được gọi là khí sinh học bao gồm khoảng 58% đến 75% khí methane (CH₄), 25% đến 42% khí CO₂, một lượng rất nhỏ H₂S và hơi nước. Quy trình sản xuất khí sinh học bao gồm bốn nhóm phân ứng sinh hoá học được thực hiện bởi các vi sinh vật khác nhau thể hiện trong bảng sau:

Bảng 11. Các nhóm phản ứng trong sản xuất khí sinh học

Trong thực tế, quá trình tạo khí sinh học được thực hiện trong bể với các thành phần chất thải hữu cơ được nghiền nhỏ, phân huỷ kị khí. Bể có đầu vào và đầu ra để đảm bảo nước trong bể luôn ổn định ở mức nhất định, có nồng độ chất thải. Nước và bùn thải sau quá trình phân hủy được sử dụng làm phân bón cây trồng. Khí sinh học có thể được sử dụng để đun trực tiếp, nén, hoá lỏng hoặc chuyển hoá thành điện năng. Từ 10 kg sinh khối phụ phẩm có thể tạo ra khoảng 3 kWh điện hoặc 4 kWh nhiệt. Với công nghệ tạo khí biogas, vi sinh vật đã giúp con người giải quyết được vấn đề ô nhiễm môi trường do chất thải hữu cơ rắn, xử lí ô nhiễm nước, đồng thời làm tăng giá trị của sản xuất nông nghiệp.

(Trang 69)

Hình 11.3. Sơ đồ bể tạo khí sinh học (hầm biogas)

IV – CÔNG NGHỆ XỬ LÍ CHẤT THẢI RẮN

Chất thải rắn có nhiều nguồn gốc và nhiều thành phần khác nhau. Do vậy, để quá trình xử lí được hiệu quả, phân loại chất thải là bước đầu tiên và quan trọng. Các chất thải là kim loại, nhựa, sành sứ, thuỷ tinh,... không có khả năng hoặc bị phân huỷ sinh học rất chậm, cần được tách khỏi các chất thải hữu cơ (H 11.4).

Hình 11.4. Phân loại chất thải

(Trang 70)

Các chất thải hữu cơ dễ dàng được phân giải, do đó được xử lí thành phân bón sinh học, khí biogas hoặc các sản phẩm khác. Ngoài phương pháp xử lí phổ biến là tạo biogas còn có một phương pháp khác là ủ phân hữu cơ. Quy trình công nghệ ủ phân hữu cơ được diễn ra theo sơ đồ hình 11.5. 

Hình 11.5. Quy trình ủ phân hữu cơ

Tách chất thải hữu cơ khỏi các chất thải khác

Tập trung chất thải hữu cơ

Vận chuyển tới nơi xử lí/ủ

Đi qua máy cắt nhỏ

Bổ sung gỗ vụn, bùn hoạt tính

Trộn đều

Ủ trong điều kiện hiếu khí 

Ủ lại nếu chưa đạt yêu cầu

Kiểm tra sản phẩm

Phân bón

Ủ phân hữu cơ trong điều kiện hiếu khí là một quá trình điển hình của xử lí chất thải hữu cơ thành sản phẩm phân bón. Quần thể vi sinh vật trong quá trình ủ phân hữu cơ biến đổi phức tạp do sự đa dạng nguồn cơ chất, sự thay đổi nhiệt độ, độ ẩm, pH, các chất trao đổi trong quá trình ủ. Nhiệt độ là nhân tố có ảnh hưởng quan trọng tới quần thể vi sinh vật trong đống ủ. Trong quá trình ủ, nhiệt độ đống ủ cao dần do nhiệt được sản sinh trong hô hấp hiếu khí của vi sinh vật và được tích tụ lại. Nhiệt độ của đống ủ tăng là nhân tố kìm hãm sự sinh sản của một số vi sinh vật không chịu nhiệt. Khi không khí được cung cấp đầy đủ và đều đặn, nhiệt độ thích hợp tiếp tục duy trì, quần thể vi sinh vật chịu nhiệt sinh trưởng và sinh sản mạnh, quá trình chuyển hoá sẽ nhanh hơn.

Trong quá trình phân huỷ hợp chất hữu cơ trong đống ủ, các vi sinh vật đã được chia thành các nhóm như sau:

- Nhóm vi sinh vật ưa ấm: sinh trưởng và sinh sản tốt nhất ở nhiệt độ từ 20 ℃ đến 40 ℃. Ở giai đoạn này, nấm men, nấm mốc và các vi khuẩn sinh acid thường có sẵn trong chất thải hữu cơ với mật độ khoảng 10⁷ colony forming unit (CFU)/g đến 10⁸ CFU/g, sinh trưởng và sinh sản mạnh. Quá trình sinh trưởng và sinh sản của nhóm vi sinh vật ưa ấm này giải phóng nhiệt, làm cho đống ủ nóng lên. Nhiệt độ trên 40 ℃ ủ che sinh trưởng của nhóm vi sinh vật ưa ấm và tạo điều kiện thuận lợi cho nhóm vi sinh vật chịu nhiệt. Ở giai đoạn cuối của quá trình phân huỷ, khi nhiệt độ đống ủ giảm xuống, các vi sinh vật ưa ẩm sinh trưởng mạnh trở lại, góp phần phân huỷ sản phẩm phân huỷ, khoáng hoá các hợp chất.

Hình 11.6. Đồ thị biểu diễn tương quan giữa thời gian và nhiệt độ trong quá trình ủ phân hữu cơ

Nhiệt độ (°C)

Làm sạch đống ủ

Nóng dần

Phân huỷ sinh hoc

Nhiệt độ giảm dần

Giai đoạn tác động của nhiệt độ

Thời gian (ngày) 

- Nhóm vi sinh vật chịu nhiệt: sinh trưởng và sinh sản tốt nhất ở nhiệt độ từ 40 ℃ đến 60 ℃. Khi nhóm vi sinh vật ưa ấm giảm số lượng nhanh chóng và biến mất do nhiệt độ đống ủ đã vượt quá nhiệt độ phù hợp của chúng, nhóm vi sinh vật chịu nhiệt tăng nhanh về số lượng, đạt số lượng 10⁸ CFU/g đến 10⁹ CFU/g. Xạ khuẩn là nhóm vi sinh vật chịu nhiệt tốt, sinh trưởng thường chậm hơn so với nấm và vi khuẩn ưa ẩm. Một số vi khuẩn chịu nhiệt cũng tăng về số lượng và thành phần, một số loài phổ biến như Aspergillus fumigatus, Bacillus aerius, Thermomoyces lanuginosus.

- Nhóm vi sinh vật ưa nhiệt: sinh trưởng và sinh sản tốt nhất ở nhiệt độ từ 60℃ đến 80℃. Số lượng loài không nhiều nhưng mật độ vi sinh vật ưa nhiệt trong đống ủ có thể lên tới 10⁹ CFU/g đến 10¹⁰ CFU/g. Một số loài vi sinh vật ưa nhiệt điển hình trong đống ủ như Thermoa thermophilus, Bacillus schlegelii.

Như vậy, trong quá trình ủ phân hữu cơ, dầu dến, các vi sinh vật ưa ẩm sử dụng các nguồn dưỡng tự do sản có để sinh trưởng và sinh sản, sau đó chúng thuỷ phân cơ chất bằng các enzyme. Quá trình sinh trưởng vi sinh sản của chúng đã tạo ra một lượng nhiệt lớn làm cho nhiệt độ của đống ủ tăng lên. Lần lượt các vi sinh vật chịu nhiệt, các vi sinh vật ưa nhiệt xuất hiện, sinh trưởng và sinh sản, sử dụng hợp chất hữu cơ trong chất thải chuyển hoá thành sinh khối của chính vi sinh vật và tạo các chất trao đổi trung gian như mùn, các chất có hoạt tính sinh học, chuyển hoàn toàn chất thải thành sản phẩm phân bón hữu ích.

(Trang 72)