Cơ sở sinh học của quá trình xử lý ô nhiễm môi trường
Ô nhiễm do nước thải sinh hoạt Nước ta có nền kinh tế chưa phát triển, hạ tầng cơ sở còn chưa được phát triển theo một quy hoạch khoa học, hệ thống tự làm sạch của kênh rạch, sông ngòi bị huỷ hoại nên nước thải sinh hoạt ...
Ô nhiễm do nước thải sinh hoạt
Nước ta có nền kinh tế chưa phát triển, hạ tầng cơ sở còn chưa được phát triển theo một quy hoạch khoa học, hệ thống tự làm sạch của kênh rạch, sông ngòi bị huỷ hoại nên nước thải sinh hoạt gây ô nhiễm nghiêm trọng. Chỉ riêng thành phố Hồ Chí Minh với khoảng 3,95 triệu dân nội thành hàng ngày thải ra môi trường khoảng 350.000 m3 nước thải sinh hoạt. Nước thải sinyh hoạt này có thành phần gây ô nhiễm cao hơn tiêu chuẩn rất nhiều. Theo kết quả phân tích, ta có một số liệu trung bình như sau :
PH : 6,5 - 7,2
BOD : 98 - 260 mg/l
COD : 146 - 447 mg/l
Cặn lơ lửng > 100 mg/l
Nước thải phần lớn chưa được xử lý trước khi đổ vào kênh. Phân tích mẫu nước tại kênh Tân Hoá cho thấy :
PH : 4,7 - 6,8
BOD : 140 - 204 mg/l
COD : 129 - 4241 mg/l
SS : 91 - 662 mg/l
E.coli : 6 - 14.000 tb/l
Ô nhiễm do nước thải công nghiệp
Nước thải công nghiệp có chứa nhiều kim loại nặng, các chất màu dầu mỡ, các chất hữu cơ. Sự gây ra nhiễm bẩn môi trường do nước thải công nghiệp phức tạp hơn nước thải sinh hoạt rất nhiều. Vì thế việc xử lý chúng gặp không ít khó khăn. Phần lớn các nhà máy xí nghiệp không qua xử lý sơ bộ mà thải nước thải trực tiếp xuống các kênh rạch gây nên tình trạng hôi thối, làm biến màu nước, làm chết các thuỷ sản, làm khả năng tự làm sạch của kênh rạch giảm rõ rệt, có nơi không thể tự làm sạch được ...
Ô nhiễm do rác thải :
Môi trường không chỉ bị ô nhiễm bởi nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp, môi trường còn bị ô nhiễm bởi nhiều nguồn khác. Trong đó đáng quan tâm nhất là rác sinh hoạt. Phần lớn các thành phố ở Việt Nam chưua có một công nghệ hoàn chỉnh để xử lý rác thải sinh hoạt. Do đó việc ô nhiễm do rác thải càng ngày càng trở nên trầm trọng. Chỉ riêng thành phố Hồ Chí Minh mỗi ngày thải ra môi trường 3.500 tấn rác, số rác này luôn là nguồn gây ra bao nhiêu phiền toái cho cuộc sống. Rác sinh hoạt của chúng ta chiếm > 60% là rác hữu cơ. Vì thế sinh vật gây bệnh phát triển rất mạnh.
Xử lý sinh học nước thải
Nếu không bị ảnh hưởng nghiêm trọng bởi các chất độc hại trong nước thải, các kênh rạch ao, hồ có khả năng tạ làm sạch nhờ hoạt động sống của vi sinh vật. Các quá trình cơ bản xảy ra theo phản ứng sau :
Hiện nay có hai phương pháp xử lý nước thải bằng công nghệ sinh học : hiếu khí và yếm khí
Xử lý nước thải trong điều kiện hiếu khí
Quá trình phân giải các chất hữu cơ trong điều kiện hiếu khí có thể tóm tắt như sau:
Vi khuẩn
Chất hữu cơ + O2 → CO2 + H2O + Sinh khối vi khuẩn
Các chất dinh dưỡng
ΔH năng lượng được thải ra hoặc hấp thụ vào
Điều kiện để thực hiện quá trình xử lý sinh học:
Đảm bảo liên tục cung cấp ôxy
Lượng các nguyên tố dinh dưỡng cần thiết cho quá trình sinh hoá xảy ra trong quá trình lên men.
Nồng độ các chất hữu cơ cho phép quá trình lên men.
Nồng độ cho phép của các chất độc hại
pH thích hợp
Nhiệt độ nước thải trong khoảng hoạt động của vi sinh vật.
Tham gia trong quá trình phân giải các chất hữu cơ trong nước thải gồm 3 nhóm vi sinh vật.
- Nhóm vi sinh vật phân huỷ các hợp chất mạch hở, rượu, aldehyt axeton, các axit.
- Nhóm vi sinh vật tham gia phân huỷ các hợp chất thơm: benzen, Phêol, Toluen, Xilen.
- Nhóm các vi sinh vật ôxy hoá dãy polimetyl (hydrocacbon dầu lửa) paralin.
Ngoài lượng vi sinh vật có sẵn trong các nguồn nước thải, người ta còn cung cấp thêm các loài vi sinh vật đã được chọn lọc kỹ theo các dạng giống sau:
* Bùn hoạt tính. Loại bùn đã tham gia xử lý tự nhiên ở các kênh rạch, ao, hồ. Loại bùn này đã được hoạt hoá vi sinh vật trước khi đưa vào sử dụng.
* Nhân giống vi sinh vật riêng ở dạng lỏng và cho thêm vào thiết bị xử lý hoặc hồ xử lý theo một tỷ lệ nhất định.
* Nhân giống vi sinh vật riêng dạng bột khô và cho thêm vào thiết bị xử lý hoặc hồ xử lý theo một tỷ lệ nhất định.
* Gắn vi sinh vật trên một chất mang nào đó (Phương pháp cố định tế bào) và xử lý liên tục.
Xử lý trong điều kiện yếm khí
Trong điều kiện yếm khí vi sinh vật phân giải các hợp chất hữu cơ qua 2 giai đoạn:
* Giai đoạn thuỷ phân các chất hữu cơ sẽ bị thuỷ phần dưới tác dụng của các enzym vi sinh vật. Sản phẩm cuối cùng của quá trình sẽ là các chất khí chủ yếu là CO2 và CH4. Giai đoạn này người ta gọi là giai đoạn tạo khí.
Theo Eckenfelder quá trình lên men yếm khí chất thải được chia làm 3 giai đoạn.
* Giai đoạn lên men axit. Những hydrat cacbon (đường, tinh bột, chất xơ) dễ bị phân huỷ và tạo thành các axit hữu cơ (axit axetic, axit butyric propionic) pH giảm xuống < 5 có kèm mùi thối.
* Giai đoạn chấm dứt lên men axit các chất hữu cơ tiếp tục được phân giải tạo thành các chất khí khác nhau như CO2, N2, CH4, H2 ... pH của môi trường dần dần tăng lên. Mùi thải ra rất khó chịu do thành phần của H2S, indol, scatol, và mecaptan. Bùn có màu đen, nhớt, và tạo bởi nổi lên trên bề mặt.
* Giai đoạn lên men kiềm Hay giai đoạn lên men metan. Các sản phẩm trung gian, chủ yếu là xelluloza, axit báo, các hợp chất chứa nitơ tiếp tục bị phân huỷ và tạo rất nhiều khí CO2, CH4, pH môi trường tiếp tục tăng lên và chuyển sang dạng kiềm.
Xử lý rác sinh hoạt:
Rác sinh hoạt chứa trên 60% là rác hữu cơ. Độ ẩm rác về mùa nắng là 45 - 60%, mùa mưa có thể trên 80%. Độ ẩm cao làm phát sinh nhiều vi sinh vật. Rác sau khi được loại bỏ các thành phần không hữu cơ sẽ được lên men. Hiện nay có ba phương pháp xử lý rác bằng vi sinh vật.
- Phương pháp chôn rác: Rác được thu gom lại rồi đem chôn xuống đất. Để tránh ruồi, muỗi, côn trùng người ta phủ lên rác một lớp dày 30 - 50 cm dất, hoặc than bùn hoặc cát. Thường dùng than bùn có hiệu quả tốt hơn vì than bùn có khả năng hấp thụ mùi. Quá trình ủ này (composting) kéo dài hàng năm trời. Dưới tác dụng của vi sinh vật các chất xenluloza, lingin, hemixelluloza bị phân huỷ tạo thành mùn. Nhiệt độ khối ủ tăng dần có khi đạt tới 75%. Sau thời gian đó người ta lấy ra sàng làm phân bón.
- Phương pháp ủ có đảo trộn: Phương pháp này dựa trên sự hoạt động mạnh của các loài vi sinh vật hiếu khí. Thường người ta cho rác vào các thùng quay. Thùng quay này gọi là các thùng sinh hoá. Có sự xáo trộn thường xuyên của hệ thống quay và thổi không khí liên tục vào. Thời gian phân huỷ rác rất nhanh. Nhiệt độ trong thùng quay thường cao hơn 65oC. Sau một htời gian khoảng 24 giờ = 48 giờ quay liên tục, rác được phân huỷ chưa hoàn toàn. Sau đó rác được đêm ra phân loại và ủ thành từng đống ngoài trời, lên men tự nhiên cho đến mục hết và đem làm phân bón. Ưu điểm của phương pháp này là nhanh, dễ tự động và cơ giới hoá.
- Phương pháp ủ thủ công có đảo trộn: Phương pháp này được cải tiến trên cơ sở phương pháp cổ truyền của dân. Trong phương pháp này có cung cấp giống vi sinh vật giống làm rác chóng phân huỷ hơn. Các giống vi sinh vật thường sử dụng là các loài nấm mốc, Bacillus và xạ khuẩn. Ưu điểm của phương pháp này là dễ thực hiện và có thể phổ biến cho nông dân thực hiện đại trà được.
Hiện nay, ở Việt Nam trong công tác xử lý chất thải đã tồn tại và được sử dụng phổ biến một số chủng loại vi sinh vật hữu hiệu như : vi sinh vật phân giải xenluloza, protein, lignin, tinh bột ... Cụ thể có các loại chính là :
1. Vi sinh vật hữu hiệu EM : có nguồn gốc từ Nhật Bản do Trung tâm chuyển giao Công nghệ Việt - Nhật, Bộ Khoa học, Công nghệ đưa vào thử nghiệm ở Việt Nam.
2. Vi sinh vật Emuni và vi sinh vật xenluloza: là chế phẩm của Trung tâm Ứng dụng Vi sinh vật thuộc Đại học Quốc gia Hà Nội.
3. Vi sinh vật Micromic 3: là chủng loại vi sinh vật của Viện Công nghệ Sinh học, Trung tâm Khoa học Tự nhiên và Công nghệ Quốc gia.
4. Chủng loại vi sinh vật của Trung tâm Ứng dụng Vi sinh vật thuộc Trường Đại học Quốc gia Hà Nội.
Chế phẩm vi sinh vật hữu hiệu EM :
Đặc tính kỹ thuật của EM:
Em sơ cấp (EM gốc) là dung dịch có màu nâu với mùi dễ chịu, có vị ngọt chua, pH của EM đạt ở mức dưới 3,5. Nếu có mùi nặng hoặc thối thì độ pH > 4, khi đó EM gốc đã bị hỏng không sử dụng được. EM gốc là vi sinh vật không hoạt động. Vì vậy, EM gốc cần hoạt động bằng cách cung cấp nước và thức ăn, bằng cách thêm nước và rỉ đường. Sử dụng dung dịch EM pha loãng gọi là EMtc, để xử lý môi trường, phun cho cây trồng, vật nuôi.
Bokashi là một dạng của EM ở trạng thái bột, đây là chất hữu cơ lên men và tương tự như phân trộn compost. Nhưng nó được chuẩn bị bằng cách lên men chất hữu cơ EM. Nó có thể sử dụng được từ ngày thứ 3 đến ngày thứ 14. Sau khi lên men Bokashi có thể dùng cho sản xuất, cây trồng, thậm chí cho cả chất hữu cơ chưa bị phân huỷ trong thành phần phân trộn. Khi Bokashi bón vào đất, chất hữu cơ có thể sử dụng như là thức ăn cho vi sinh vật và có tác dụng làm tăng lượng vi sinh vật hữu hiệu trong đất cũng như nuôi dưỡng cây trồng. Bokashi được phân nhóm thành Bokashi ưa khí và kỵ khí theo các quy ítình sản xuất.
Các vi sinh vật chính trong EM
a. Vi khuẩn quang hợp
b. Vi khuẩn axit lactic
c. Các men.
d. Xạ khuẩn
e. Nấm men
Mỗi loài vi sinh vật trên có chức năng quan trọng riêng. Tuy nhiên, vi khuẩn quang hợp là xương sống hoạt động của EM và nó hỗ trợ hoạt động của các vi sinh vật khác.
Cách sử dụng :
Ta có thể sử dụng EM bằng bốn cách (EM1, EM Bokashi, dung dịch EM5 và dịch chiết cây lên men).
a. Dung dịch EM 1 có thể sử dụng bằng cách:
- Tưới vào trong đất, phun lên lá.
b. EM Bokashi: là chất hữu cơ lên men, nó được điều chế bằng cách lên men các chất hữu cơ (cám gạo, bánh dầu, bột cá...) với EM Bokashi được điều chế ở dạng bột và là chất bổ sung quan trọng để tăng vi sinh vật hữu hiệu trong đất.
c. EM5 là hỗn hợp lên men của giấm, rượu (cồn), rỉ đường và EM1. Nó được sử dụng để phun lên cây nhằm ngăn chặn gây bệnh và chống sâu hại xâm nhập.
d. Dịch cấy lên men EM: Chiết xuất cây lên men là hỗn hợp của cỏ tươi được lên men với rỉ đường và EM1. Nó cung cấp dinh dưỡng về định lượng cho cây trồng và ngăn chặn sâu bệnh phá hoại.
* EM 1
Cách sử dụng EM1 : EM1 (gốc) là vi sinh vật không hoạt động. Vì vậy, EM1 cần được hoạt động bằng cách cung cấp nước và rỉ đường (là thức ăn của EM). Dung dịch EM pha loãng 0,1% dùng để phun cho cây trồng:
- 1000 ml nước.
- 1 ml của EM1
- 1 ml rỉ đường hoặc 1g đường bất kỳ
Dung dịch này để trong vòng 24 giờ rồi phun cho cây, đất hoặc chất hữu cơ.
* Bokashi :
- Bokashi có nhiều dạng, nó phụ thuộc vào chất hữu cơ sử dụng. Bao gồm: Cám gạo : 100 lít, Bánh dầu : 25 lít (hoặc vỏ trấu), Bột cá (phân gà) : 25 lít, EM1 : 150 ml, Ri đường : 150 ml, Nước : 15 lít
- Độ ẩm Bokashi cần đạt 30 - 40%. Quá trình lên men từ 3 - 4 ngày (mùa hè) và từ 7 - 8 ngày (mùa đông) với nhiệt độ trung bình 35 - 45oC.
Cách sử dụng Bokashi: 200 gam Bokashi cho 1m2 trên bề mặt của đất (rác) khi có đủ chất hữu cơ. Có thể sử dụng tối đa 1kg/1 m2 khi đất nghèo và có ít chất hữu cơ.
* EM5 : Là chất xua đuổi côn trùng, không độc hại và nó có tác dụng để chống bệnh sâu hại cây trồng. Thông thường nó được phun lên cây với nồng độ 1/500 - 1/1000 trong nước.
Ứng dụng EM
1. Ứng dụng trong xử lý phế thải
- Tưới dung dịch Emtc pha loãng 1/1000 phun vào rác chưa phân loại.
- Rác sau khi phân loại đủ lượng vào bể 150 m3 tiếp tục phun EM đảo trộn để đảm bảo độ ẩm 40 - 50%.
- Đưa vào bể ủ háo khí thổi gió ở chế độ 2h/ngày (8%)
2. Ứng dụng trong nông nghiệp
Khả năng sử dụng EM trong nông nghiệp chủ yếu là cây trồng.
Sử dụng EM1 + EM5 cho cây trồng như bảng 6.3.1
Bảng 6.3.1
| Loại cây | Cách sử dụng cụ thể |
| Vải thiều đang kết trái | Phun 1/2 cây còn lại đang đối chứng |
| Cam, quýt, bưởi | Quả đang non phun lên một số cây |
| Nho | Phun 1/2 cây dàn trên các chùm quả xanh |
| Đu đủ | Phun lên 2 cây trong số 3 cây |
| Roi | Phun lên một số chùm quả |
| Hồng Thạch Thất | Phun lên 1/2 cây |
| Rau ngót, rau tươi | Phun lên 1/2 diện tích |
| Rau muống | Phun 50m2 |
| Ray đay | Phun 10 m2 |
Thời gian theo dõi chưa dài song theo báo cáo của những người trực tiếp tiến hành thử nghiệm đã có một vài nhận xét sau :
- Vải thiều lá cây màu xanh đậm, quả chín sóm hơn, vỏ bóng đẹp hơn so với đối chứng.
- Cam, quýt, bưởi: lá phát triển tốt hơn, quả lớn nhanh hơn.
- Đu đủ: lá xanh đậm, quả phát triển nhanh hơn đối chứng.
- Nho, roi : quả chín đều và sớm hơn, năng suất tăng 10%
- Các loại rau : lá có màu xanh đậm hơn, dày, to lớn và cho thu hoạch sớm hơn từ 3 - 4 ngày, năng suất tăng khoản từ 15 - 20%.
Rắc Bokashi để xử lý chuồng lợi, chuồng gà, giếng nước bị thối. Kết quả các chuồng trại hết mùi sau 3 lần rắc Bokashi với lượng rắc 100g/m2. Một ống cống bị thối được xử lý bằng Bokashi nay đã sạch mùi.
Bokashi trong chăn nuôi : mấy ngày đầu chưa quen, sau đó ăn mạnh và chóng lớn.
Chế phẩm emuni, chế phẩm phân giải xenluloza
Các chủng loại vi sinh vật của Trung tâm Ứng dụng Vi sinh vật thuộc Đại học Quốc gia Hà Nội.
Chế phẩm vi sinh vật Emuni
- Các vi sinh vật có khả năng phân giải Xenluloza như vi khuẩn Bacillus SP, Cellulomonas sp, xạ khuẩn Streptomyces, Nấm sợi Aspergillus japonicus. A.oryzae.
- Các vi sinh vật có khả năng phân giải tinh bột, protein như nấm men Saccharomyces cerevisiae.
- Vi khuẩn Azotobacter sp có khả năng cố định nitơ khí quyển, vi khuẩn sinh chất kích thích cho sự tăng trưởng của thực vật.
- Vi khuẩn Pseudomonas SP có khả năng chuyển hoá lân khó tan thành dễ tan, vi khuẩn sinh chất kháng sinh Bacterioxin.
Tác dụng :
- Xử lý phế thải nông nghiệp làm phân hữu cơ vi sinh.
- Phân giải nhanh rác thải, phân bắc, phân chuồng, giảm thiểu tối đa mùi hôi thối, hạn chế ruồi muỗi, diệt nhiều mầm bệnh và trứng giun.
- Chống ách tắc bể phốt.
- Bón phân hữu cơ sản xuất từ chế phểm Emuni sẽ làm cho đất tơi xốp, tăng độ phì nhiêu, giữ nước, tăng khả năng chống chịu sâu bệnh, nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm cây trồng.
Cách sử dụng :
- Dùng khử mùi hố xí, chuồng trại chăn nuôi, gia súc, gia cầm : 100 g chế phẩm cho vào 40 lít nước, phun tưới đều chuồng trại (1 lần trong một tuần).
- Dùng xử lý môi trường từ rác thải : 100g chế phẩm hoà vào 100 lít nước phun vào rác, ủ đống.
- Dùng xử lý hố xí bể phân, bể phốt: 100 g phế phẩm trộn đều với 2 lít nước phun vào hố xí cuối ngày (từ 1 - 1,5m3) dùng hai tháng một lần.
- Dùng để ủ phân hữu cơ : 100 g chế phẩm cho 1 tấn phân rác có độ ẩm 45%, có thể bổ sung thêm phân gia súc hoặc than bùn, che đậy kỹ để tránh mất nhiệt. Sau một đến hai tuần có thể đảo trộn, khoảng 20 ngày phân hoai là có thể dùng được.
Chế phẩm vi sinh vật xenluloza
Chế phẩm này được phân lập từ các mẫu đất ở các tỉnh phía Bắc. Các chủng vi sinh vật được nuôi cấy trên các nguồn xenluloza tự nhiên như bã mía, cám trấu, mùn cưa, vỏ lạc, rơm, vỏ cà phê với độ ẩm 50%, nó có hoạt tính mạng trên vỏ cà phê với độ ẩm 50%, nó có hoạt tính mạnh trên vỏ lạc, rơm, cám trấu, yếu nhất ở phế thải từ nguồn cà phê.
Cách sử dụng :
- Dùng khử hố xí, chuồng trại chăn nuôi gia súc gia cầm : 100g chế phẩm cho vào 40 lít nước phun tưới đều lên chuồng trại (1 lần trong một tuần).
- Dùng xử lý môi trường từ rác thải: 100 g chế phẩm hoà vào 100 lít nước phun vào rác (đống ủ).
- Dùng xử lý hố xí, bể phân, bể phốt 100g chế phẩm trộn đều với 2 lít nước phun vào hố xí cuối ngày (với dung tích bể từ 1 - 1,5 m3) dùng 2 tháng một lần.
- Dùng để ủ phân hữu cơ : 100g chế phẩm cho 1 tấn rác với độ ẩm từ 45% có bổ sung thêm phân của gia súc hoặc than bùn (sau đó che đậy kín) tránh mất nhiệt. Sau từ một đến hai tuần ta đảo trộn, khoảng 20 ngày sau phân loại có thể dùng đươợ.
Sản phẩm cuối cùng của quá trình xử lý phế thải hữu cơ chứa xenluloza là phân hữu cơ. Phân hữu cơ được xác định thành phần hoá học.
Bảng 6.3.2 Các thành phần hoá học trong các loại phân
| Loại phân | Mức | N,% | P2O5,% | K2O,% |
| Trâu | ||||
| Tối đa | 0,358 | 0,250 | 1,60 | |
| Tối thiểu | 0,246 | 0,115 | 1,129 | |
| Trung bình | 0,306 | 0,171 | 1,360 | |
| Bò | ||||
| Tối đa | 0,380 | 0,294 | 0,902 | |
| Tối thiểu | 0,302 | 0,164 | 0,924 | |
| Trung bình | 0,341 | 0,227 | 0,958 | |
| Lợn | ||||
| Tối đa | 0,861 | 1,958 | 1,412 | |
| Tối thiểu | 0,537 | 0,932 | 0,954 | |
| Trung bình | 0,669 | 1,253 | 1,194 | |
| Phân rác | ||||
| Tối đa | 0,973 | 0,800 | 0,612 | |
| Tối thiểu | 0,450 | 0,450 | 0,350 | |
| Trung bình | 0,740 | 0,625 | 0,481 | |
| Phân than bùn và bã bùn | ||||
| Tối đa | 0,550 | 0,614 | 0,350 | |
| Tối thiểu | 0,250 | 0,350 | 0,150 | |
| Trung bình | 0,450 | 0,482 | 0,250 |
Trong thành phần hoá học phân hữu cơ chế biến từ phế thải hữu cơ thấy có đủ các yếu tố vi lượng. Số lượng nguyên tố vi lượng được trình bày ở bảng 6.3.2
Vi sinh vật micromix 3
Là tập hợp các chủng vi vật hiếu khí và ưa nhiệt có khả năng phân giải xenluloza mạch để bổ sung vào bể xử lý rác thải, nhằm phân huỷ nhanh chất thải hữu cơ, rút ngắn thời gian phân huỷ và nâng cao hiệu suất sử dụng bể xử lý. Vi sinh vật được nghiên cứu và đưa ra quy trình sản xuâất chế phẩm tại phòng Nghiên cứu các Chất hoạt tính Sinh học từ Vi sinh vật do Viện Công nghệ Sinh học, Trung tâm Khoa học tự nhiên và Công nghệ Quốc gia nghiên cứu.
Thành phần của vi sinh vật Micromix 3
| Các nguyên tố | AI | Si | Mg | Ca | Sr | Fe | V | Mn | Ba | Ti |
| Các thành phần, % | 10 | >10 | 0,5 | 10 | 0,01 | 5 | 0,002 | 0,05 | 0,01 | 0,5 |
| Các nguyên tố | Ni | Cr | Mo | Sn | Cu | Pb | Ga | Zn | Na | Ag |
| Các thành phần % | 0,01 | 0,01 | 0,0005 | 0,02 | 0,02 | 0,02 | 0,01 | 0,02 | 0,5 | 0,0001 |
Tuyển chọn các chủng ưa nhiệt tổng hợp xenlulaza
Số lượng chủng có hoạt tính xenlulaza của các nhóm vi sinh vật cao phân lập được từ bể ủ rác cao; vi khuẩn 40%, xạ khuẩn 90% và nấm mốc 36,37%.
Các chủng xạ khuẩn phân lập đươợ phân theo nhóm màu cho thấy nhóm xám (GY) là cao nhất chiếm 67,5%, sau dó là nhóm đỏ ® - 23,75% và nhóm trắng (W) - 8,75%. Không thấy xuất hiện các chủng thuộc nhóm lục (Gn), xanh da trời (B) và tín (V).
Khả năng phân giải CMC - Na và bột thấy của các chủng vi sinh vật cũng khác nhau (bảng 6.4).
Bảng 6.4 Tỷ lệ các chủng vi sinh vật có hoạt tính xenlulaza (nuôi ở 45 o C)
| Tổng số chủng có hoạt tính xenlulaza | ||||
| Hoạt tính Cx(%) | Hoạt tính C1,(%) | |||
| Yếu | Mạnh | Yếu | Mạnh | |
| 140 | 43,02 | 56,98 | 66,1 | 33,9 |
Ghi chú : yếu : (D-d) < 20 mm; mạnh (D - d) > 20 mm
Để tuyển chọn các vi sinh vật ưa nhiệt có khả năng sinh tổng hợp xenlulaza mạnh, các chủng đã thuẩn khiết được nuôi trên môi trường có bột xenlulaza và CMD ở 50oC. Trong số 40 chủng có hoạt tính xenlulaza đã chọn dược 12 chủng xạ khuẩn (ký uhiệu C1, C3, CD30, CD31, CD6,2, CD6,9 , CD6,10, N24, N43, CD99, CD108, CD5,12) và tám chủng vi khuẩn (ký hiệu CD-1, CD-2, CD-3, CD-4, CD-14, CD45 và C5) có hoạt tính xenlulaza (cả C1 và Cx) mạnh để tiếp tục nghiên cứu.
Đặc điểm sinh học và đặc điểm phân loại của các chủng vi sinh vật đã tuyển chọn
a. Vi khuẩn :
Kết quả phân loại : Từ kết quả thử nghiệm các chủng vi sinh vật với bộ KIT API 50 CHB đối với vi khuẩn Gram dương, các đặc điểm hình thái tế bào, tính chất nuôi cây so sánh với đăặ điểm phân loại các chủng Bergey cho thấy : các chủng : CD-1, CD-3, và CD-14 giống loài Bacillus stearothermophylus, Donk (1920) 373 A1 → ATCC 12980 : CD-2, CD4, CD-9 giống loài Bacillus polymyxa, Prazmowski (1880), Macé (1889), 588 A1 → ATCC 842. Như vậy, tất cả các chủng vi khuẩn Gram dương tuyển chọn được đều thuộc chi Bacillus riêng chủng C5 thuộc nhóm vi khuẩn Gram âm. Chủng C5 thuộc nhóm vi khuẩn Gram âm. Chủng này có các đặc điểm phaâ loại giôốngchi pseudomonas, nhưng chưa định tên loài.
b. Xạ khuẩn:
Kết quả phân loại: Các chủng xạ khuẩn tuyển chọn được đều thuộc chi Streptomyces (Waksman và Henryci, 1943). Dựa vào khoá phân loại xạ khuẩn của Nônmura và so sáh với các phần mô tả đặc điểm phân loại giống các loại sau :
- Các chủng C3, C69, và N43 giống loài Streptomyces thermoflavus (Kudrima và Makximova) Pridham 1970 → ISP 5252.
- Chủng CD-30 giống loài S.flavoviridis krasilnikov, 1941 → ISP 5153
- Củng CD-31 giống loài S.pulcher Rao, Renn và Marsh 1967 → ISP 5566
- Chủng CD-62 giống loài S,tendae, Ettlinger et al, 1958 → ISP 5101
- Chủng CD-512 giống loài S.seleroliolus thirumalchar → ISP 5269
- Chủng CD-108 giống loài S.flarovirens, Pridham 1958 → ISP 5152
- Chủng N24 giống loài S.gedanensis, Waksman 1953 → ISP 5518
- Chuíng CD-99 có hình dạng, cấu trúc cuốn sinh bào tử dạng chùm không giống loài nào đã được mô tả, vì hầu hết các loài tuộc nhóm này nếu cuống sinh bào tử xoắn chùm thì bào tử của chúng có cấu trúc nhẵn. Do vậy, tạm để tên chủng này là Streptoverticillium SP. CD-99.
Nghiên cứu quy trình sản xuất chế phẩm Micromix 3
Từ các kết quả nghiên cứu đặc điểm sinh học, các yếu tố ảnh hưởng lên sinh trưởng và sinh học tổng hợp xenlulaza và khả năng phân giải xenlulaza của hỗn hợp các chủng vi khuẩn và xạ khuẩn cho thấy: có thể sử dụng các chủng tuyển chọn để nhân giống sản xuất chế phẩm vi sinh vật ưa nhiệt bổ sung vào bể xử lý rác thải hiếu khí. Chế phẩm Micromix 3 được sản xuất từ hỗn hợp các chủng:
Vi khuẩn : CD4, CD-2, CD-3, CD-4, CD-9, CD14 và CD45.
Xạ khuẩn : C1, C3, CD30, CD-62, CD69, CD-99, CD-108, CD-512, CD-610, N24 và N43
Chủng C5 là chủng vi khuẩn Gram âm chưa phân loại được đến loài cho nên chúng tôi không dùng để sản sản xuất chế phẩm Micromix 3.
Ưu điểm của các chủng trên có nhiệt độ sinh trưởng và sinh tổng hợp xenlulaza tốt từ 45 - 55oC, phù hợp với nhiệt độ của các bể xử lý rác thải của các xí nghiệp chế biến rác hiếu khí ở nước ta to = 50 ± 2oC. pH ban đầu thích hợp cho sinh trưởng và sinh tổng hợp enzym từ 6 - 10. Chúng sinh trưởng dễ dàng trên các nguồn cơ chất rẻ tiền như xenluloza, tinh bột, rỉ đường và bột đậu tương. Nghiên cứu các điều kiện lên men, nhằm đưa ra quy trình nhân giống sản xuất chế phẩm Micromix 3 phù hợp với điều kiện hiện nay ở nước ta.
1. Nhân giống trong bình tam giác:
Các chủng giống trước khi cấy vào bình tam giác được cấy lại trên các ống thạch nghiêng cho phát triển tốt sau đó mới cấy vào bình tam giác và lắc trên máy lắc 220 vòng trên phút từ 24 - 36 giờ ở 45oC.
2. Nhân giống trong bình lên men 10 lít (giống cấp 2)
Sau khi nhân giống các chủng vi khuẩn và xạ khuẩn trong các bình tam giác đã mọc tốt được bổ sung từ 5 - 10% hỗn hợp các chủng vi khuẩn và xạ khuẩn vào hai bình lên men có sục khí và nuôi ở nhiệt độ từ 40 - 45oC. Kết quả phân tích số lượng của từng vi khuẩn lớn nhất từ 24 - 36h, còn các chủng xạ khuẩn từ 48 - 60h. Vì vậy, thời gian làm giống cấp hai của hỗn hợp các chủng vi khuẩn trong bình lên men tốt nhất ở 24 - 36h, còn các chủng xạ khuẩn ở 48 - 60h. Đây là thời gian các chủng vi sinh vật đang sinh trưởng tốt để bổ sung vào môi trường nhân giống xốp.
Bảng 6.5 Sự sinh trưởng của hỗn hợp vi khuẩn và xạ khuẩn trong bình lên men 10 lít
| Thời gian, h | Mật độ tế bào vi khuẩn (OD, λ = 560 mm) | Sinh khối xạ khuẩn, mg/ml |
| 0 | 0,147 | 0,12 |
| 12 | 0,767 | 0,20 |
| 24 | 1,95 | 2,31 |
| 36 | 2,23 | 4,78 |
| 48 | 1,98 | 6,85 |
| 60 | 1,73 | 7,43 |
| 72 | 1,52 | 7,25 |
3. Nhân giống trên môi trường xốp
Môi trường xốp phải đảm bảo độ ẩm 50 - 55%, được đắp thành đống cao 0,5m, hàng ngày có đảo trộn, nhiệt độ 40 - 50oC. Kết quả phân tích số lượng các nhóm vi sinh vật trên môi trường xenluloza được trình bày ở bảng 5.6.
Bảng 6.6 Sự phát triển của các nhóm vi sinh vật trong quy trình sản xuất
phế phẩm Micromix 3 (CFUg -4 , nuôi kiểm tra ở 45 o C)
| Nhóm vi sinh vật | Môi trường kiểm tra | |||||
| Thời gian lên men | ||||||
| 1 | 3 | 6 | 9 | 12 | ||
| Số lượng vi sinh vật (CFU/g) | ||||||
| Vi khuẩn | Xenluloza | 3,2.105 | 2.7.109 | 7,5.1012 | 8,5.1013 | 8,9.1012 |
| Xạ khuẩn | Xenluloza | 3,5.105 | 2.5.105 | 8,2.108 | 7,4.109 | 8,2.109+ |
| Nấm men | Xenluloza | 1,1.101 | 2.7.102 | 2,1.102 | 3,5.102 | 2,7.102 |
Thời gian lên men sản xuất chế phẩm Micromix 3 trên môi trường xốp thường kéo dài từ 10 - 12 ngày. Mặc dù không bổ sung nhưng nấm mốc vẫn phát triển trên bề mặt của đống ủ với số lượng không nhiều.
Thời gian bảo quản chế phẩm Micromix 3:
Kết quả nghiên cứu thành phần và số lượng của nhóm vi sinh vật trong chế phẩm Micromix 3 được bảo quản trong túi polime hàn kín ở nơi thoáng mát, chế phẩm Micromix 3 có thể bảo quản ở nhiệt độ bình thường trong thời gian hai tháng.
Từ các kết quả nghiên cứu trên có thể đưa ra quy trình nhân giống sản xuất chế phẩm Micromix 3.
Qua nhiều lần thí nghiệm có thể nhận thấy để phế phẩm Micromix 3 đảm bảo chất lượng tốt, không sử dụng chế phẩm làm giống lên men sản xuất chế phẩm tiếp, nếu sử dụng như vậy thì hiệu suất xử lý rác thải sẽ giảm.
Ứng dụng của chế phẩm Micromix 3 trong phân huỷ rác thải giàu xenluloza
1. Khả năng phân huỷ rác thải ở quy mô xí nghiệp
Thí nghiệm được thực hiện tại Xí nghiệp Chế biến Phế thải Cầu Diễn Hà Nội, dung tích bể ủ 150 m3. Bể thí nghiệm được bổ sung 30kg chế phẩm Micromix 3 và bể đối chứng bổ sung chế phẩm của Xí nghiệp. Quy trình thí nghiệm được tiến hành theo quy trình của Xí nghiệp. Nhiệt độ của bể ủ được khống chế không quá 50oC ± 2oC bằng quạt thổi khí hoàn toàn tự động.
Sự biến động của các nhóm vi sinh vật trong phân huỷ rác thải có sử dụng chế phẩm Micromix 3
Kết quả nghiên cứu sự biến động của các nhóm vi sinh vật cho thấy vi khuẩn và xạ khuẩn ưa nhiệt có khả năng phân giải xenluloza trong bể thí nghiệm sinh trưởng nhanh hơn và nhiều hơn trong bể đối chứng. Trong quá trình phân giải các chất hữu cơ bằng phương pháp ủ hiếu khí, nhiệt lượng trong đống ủ toả ra nhiều hơn đồng nghĩa với tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật trong bể ủ mạnh hơn.
Số lần quạt hoạt động trung bình trong một ngày của bể thí nghiệm cao hơn hai lần bể đối chứng. Điều đó chứng tỏ rằng, trong thời gian gần đây vi sinh vật phân giải các chất hữu cơ trong bể thí nghiệm phát triển tốt hơn, nhiệt lượng toả ra nhiều hơn nên quạt phải hoạt động nhiều hơn.
Việc bổ sung chế phẩm Micromix 3 vào bể xử lý rác thải đã rút ngắn được thời gian xử lý có thổi khí từ 47 ngày xuống còn 32 ngày.
2. Chất lượng mùn sau khi ủ:
Lượng mùn ở bể bổ sung chế phẩm Micromix 3 nhiều hơn bể đối chứng: với 150 m3 rác ủ, bể đối chứng chỉ thu được bình quân 45 m3 mùn, trong khi đó bể thí nghiệm thu được 55,5 m3 mùn tăng từ 20 - 25%.
Bảng thành phần mùn rác của bể ủ rác thải sinh hoạt
| Bể ủ | Mùn, % | Σ C, % | Σ N, % | N phân huỷ, % | Σ P,% | Σ K,% | Axit humic, % |
| Đối chứng 1 | 30,72 | 2,52 | 0,08 | 0,01 | 0,52 | 0,95 | 0,47 |
| Đối chứng 2 | 37,64 | 3,78 | 0,09 | 0,12 | 0,67 | 1,05 | 0,52 |
| Đối chứng 3 | 122,52 | 150 | 112,5 | 120 | 128,85 | 110,53 | 110,64 |
Kết quả đánh giá chất lượng mùn rác sau khi ủ (bảng 5.7) cho thấy các chỉ tiêu phân tích ở bể thí nghiệm đều cao hơn bể đối chứng trên 10%, trong đó lượng mùn cao hơn 22,52%, hàm lượng nitơ dễ tiêu - 20%, axit humic tăng 10%.
3 Ảnh hưởng của chế phẩm Micromix 3 và mùn rác lên sự sinh trưởng của cây:
Một chế phẩm muốn được áp dụng trong nông - lâm nghiệp, ngoài việc chế phẩm đó có hoạt tính sinh học kích thích sự sinh trưởng của cây, không gây độc cho cây, không ảnh hưởng đến khả năng nảy mầm của hạt và quá trình phát triển của cây. Do đó, chế phẩm phải được kiểm tra độc tính và chất lượng trước khi bón cho cây.
Ảnh hưởng lên bèo tấm (Lamna acquinotialis welwitsch T93): Bèo tấm lemna là một loại thực vật phát triển rộng rãi và rất mẫm cảm với tác động của môi trường. Các nhà khoa học Thuỵ Điển và Mỹ đã lựa chọn chủng bèo tấm Lemna acquinotialis làm biotest và đưa ra quy trình để đánh giá chất lượng nước thải và các chất có độc tính bằng cách xác định nồng độ ức chế sinh trưởng 50% (EC 50).
- EC 50 của chế phẩm Micromix 3 : 198 g/l
- EC 50 của mùn rác thí nghiệm tại Viện Công nghệ Sinh học : 292 g/l
- EC 50 của mùn rác Xí nghiệp Chế biến Phế thải Cầu Diễn : 293 g/l
Như vậy chế phẩm Micromix 3 và mùn rác được xử lý bằng chế phẩm này đều không gây độc cho cây, vì đối với bèo tấm Lemna acquinotialis T93 những chất được xem là gây độc có EC 50 dưới 100 g/l.
