Nhập môn Công nghệ sinh học
302
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

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
304
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, NH
3
và Fe.
2
, CO
2
và H
2
S

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).

Hình 9.2. Sơ đồ của bể phản ứng UASB

3. Thu hồi nước (water recycling)

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
307


tính dạng hạt

Nước xử lý sạch

Nước thải
Nhập môn Công nghệ sinh học
308
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/m
3
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
ứng
UASB
Bể phản
ứng được
trộn đều
Bể phản
ứng trạng
thái rắn
Chất lỏng được xử lý Nước thải Bùn hữu
cơ

. Mặt khác, H
2
S 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 MgNH
4
PO
4
đó là thông qua làm lạnh và tách CO
2
.
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