vi sinh nông nghiệp

PGs.Ts. NGUYỄN HỮU HIỆP
Viện NC&PT CÔNG NGHỆ SINH HỌC
2010
VI SINH NÔNG NGHIỆP
VI SINH VẬT
XỬ LÝ Ô NHIỄM
MÔI TRƯỜNG
CHƯƠNG 6
I. Chất thải và công nghệ xử lý chất thải
A. Chất thải lỏng
1.1. Các loại nước thải
Nước thải là nước sau khi sử dụng của nhu cầu sinh hoạt cá nhân và quá trình sản xuất của nhà máy. Tùy theo mục đích sử dụng mà ta có nhiều loại nước thải :
Nước thải loại 1:
gồm nước rửa chai, lọ, hộp sắt. Nước nầy ít khác với tự nhiên (tương đối sạch). Nếu không sử dụng lại có thể cho chảy thẳng ra sông, rạch, ao, ruộng. Nếu sử dụng lại phải chứa vào các bể chứa khuấy đều, làm sạch và bảo hòa không khí để oxid hóa các khí có hại, mangan, sắt hòa tan và một phần chất hữu cơ. Sau đó, lọc nước qua cát trước khi sử dụng lại.
b. Nước thải loại 2:
bao gồm nước rửa bao bì.

Trong nước nầy có chứa chất hữu cơ, vô cơ và một ít vi sinh vật. Do trong loại nước nầy có các loại chất hữu cơ, vô cơ không tan nên trước khi cho chảy vào ao, hô,ö sông, rạch người ta phải làm thật sạch như làm sạch nước uống trước khi sử dụng bằng cách để lắng hay làm kết tủa bằng phèn chua, khử trùng nước bằng chlor...
c. Nước thải loại 3: là nước từ các máy rửa thiết bị và nguyên liệu và nước dùng sinh hoạt.
Ngoài chất vô cơ, nước còn chứa các hợp chất hữu cơ dễ lên men thối rữa và chứa nhiều vi sinh vật. Nước từ các phân xưởng chế biến thực phẩm cũng thuộc loại nước nầy. Nước thải loại 3 phải được làm sạch theo các qui tắt nhất định: để lắng và sau đó làm sạch sinh học
1. Xử lý chất thải dạng lỏng
Mục đích của xử lý nước thải là loại bỏ chất rắn, các khoáng chất dạng hóa tan và chất hữu cơ trước khi cho chảy vào sông ngòi, kênh rạch
a. Giai đoạn một: loại bỏ các vật liệu có kích thước lớn như xác bả thức ăn, sỏi sạn cát... Bằng cách sử dụng các sông chắn rác, bể lắng ăn (hố ga).
b. Giai đoạn hai: tách rời các chất rắn lơ lửng và chất béo khỏi nước thải bằng cách giữ nước thải yên trong một bể nhiều giờ để các hạt lơ lửng có thể lắng xuống đáy bể và chất béo sẽ nổi lên trên mặt bể. Sau đó chúng sẽ được xử lý như một dạng chất bùn
c. Giai đoạn ba: dùng vi sinh vật để oxít hóa các chất hữu cơ hòa tan trong nước. Các vi sinh vật thích hợp sẽ được nuôi cấy và cho vào nước thải lọc nhỏ giọt hay bùn hoạt động (activated sludge). Các vi sinh vật sẽ sử dụng chất hữu cơ trong nước thải làm thức ăn.
Có 3 hướng để xử lý hoàn toàn nước thải trong vi sinh vật gần đây.

* Hệ thống phim cố định

Người ta nuôi cấy vi sinh vật trên các cơ chất như đá, cát hay nylon. Nước thải được phun đều lên bề mặt cơ chất và chảy qua lớp phim vi sinh vật cố định trên cơ chất. Do chất hữu cơ và chất dinh dưỡng trong chất thải được hấp thu bởi vi sinh vật phát triển và dầy lên. Tiêu biểu cho loại hệ thống này là hệ thống lọc nhỏ giọt, lọc cát hệ thống tiếp xúc sinh học xoay.
* Hệ thống phim lơ lững

Hệ thống phim lơ lững xoay và trộn các vi sinh vật trong nước thải. Trong khi vi sinh vật hấp thu chất hữu cơ và chất dinh dưỡng từ nước thải, vi sinh vật sẽ tăng trưởng và sinh sản. Sau khi vi sinh vật trộn lơ lững trong nước thải nhiều giờ, chúng bị cố định thành một loại bùn hoạt động. Một phần bùn hoạt động được bơm lại các bể chứa nước thải mới để cung cấp các vi sinh vật giống tiếp tục xử lý nước thải. Các hệ thống phim vi sinh vật lơ lững điển hình là bể bùn hoạt động, bể xục khí, các hố oxit hóa.
* Hệ thống hồ cạn

Hệ thống này chứa nước thải trong nhiều tháng để nước thải phân huỷ một cách tự nhiên. Hệ thống xử lý loại nầy có ưu điểm là tận dụng sự thông khí tự nhiên và các vi sinh vật có sẵn để xử lý nước thải.
d. Giai đoạn 4 :
Đây là giai đoạn loại bỏ các vi sinh vật gây bệnh có trong nước thải. Người ta có thể tiêu diệt các vi sinh vật bằng cách sử dụng chlorine hay dùng tia tử ngoại. Nồng độ cao của chlorine có thể có hại cho các thủy sinh ở ao hồ, sông rạch.
B. Chất thải rắn
Bao gồm chất thải thành thị như rác rưởi, phế thải từ các lò sát sinh, các nhà máy chế biến thực phẩm (lông thú, lông vũ, máu, móng, xương, gân, mỡ...), xác bả thực vật, lá cây sau vụ mùa, phân chuồng các loại, giấy, nylon, chai lọ, kim loại...
Nguyên tắc cơ bản là làm giảm thể tích nước, mất mùi, tiêu diệt được các vi sinh vật và mầm bệnh để sau cùng chất thải có thể dự trử lại, vận chuyển và loại bỏ đi
1. Giai do?n 1: ph�n lo?i r�c
Nhiều nước người ta phân loại rác ngay từng hộ gia đình cũng như các khu tập thể hay xưởng chế biến. Chai lọ thuỷ tinh được để trong thùng rác riêng, các bao bì, chai lọ bằng kim loại để riêng, các rác thải hữu cơ để riêng và các loại giấy để riêng. Khi các xe thu rác họ sẽ mang về khu tập trung tái chế hay tái sử dụng bằng các biện pháp khác nhau.
Rác thải được đựng trong các thùng khác nhau để phân loại
Thùng rác với màu sắc khác nhau để dễ phân biệt
Thùng rác 4 ngăn
Thu gom rác đô thị
2. Giai do?n 2: x? l� r�c th?i
Nhược điểm: gây ô nhiễm không khí và đòi hỏi rác phải khô nên gặp nhiều trở ngại khi lượng nước trong chất thải cao hoặc vào mùa mưa bão.
a. D?t
Lò đốt rác ở Vienna
Lò đốt rác ở Thụy điển
b. Ủ phân: Bề cao của các đống phân ủ trong bình khoảng 2m
* D?ng ph�n d? h? cho khơ t? nhi�n
* D?ng ph�n ? d? y�n
* D?ng ph�n ? cĩ che ph? nhung khơng c?n thi?t ph?i ch?a trong c�c b? d?c bi?t n�o.
* ? ph�n trong c�c b? ch?a d?c bi?t n?m ngang hay d?ng, cĩ thơng giĩ hay khơng.
* Ph�n ? trong c�c th�ng ?: d�y l� hình th?c ? ph�n ti?n th�n c?a c�ch ? trong c�c b? ch?a nu?c.
Nhiệt độ của các đống phân ủ có khi lên đến trên 800C sẽ giết chết nhiều loại vi sinh vật.

Ủ phân để xử lý chất thải rắn có một vai trò quan trọng trong việc sản xuất ra phân bón hữu cơ để cải tạo đất, làm đất tơi xốp, tăng độ phì nhiêu và khả năng giữ nước
Hộp ủ phân
c. Chôn lấp
Bãi chôn lấp rác thải
Bãi chôn lấp rác thải
Chôn lấp xác động vật
d. Nuôi trùng đất: có thể tiến hành nuôi tự nhiên ở quy mô nhỏ hay ở quy mô công nghiệp.

- Nuôi tự nhiên: Phủ một lớp bùn cống lên vùng đất cần cải tạo rồi thả trùng đất vào. Trùng đất sẽ tạo ra một lớp đất tơi xốp giàu chất hữu cơ.
- Nuôi công nghiệp: thả trùng đất vào các khay hay ô có chứa chất thải hữu cơ trong trại có mái che. Tạo điều kiện môi trường thích hợp như nhiệt độ, độ ẩm, độ pH... và bổ sung thức ăn cho trùng đất. Sau một thời gian người ta thu hoạch trùng đất làm thức ăn bổ sung nguồn đạm trong khẩu phần thức ăn gia súc. Chất thải do trùng đất phân hủy dùng làm phân bón cho cây trồng.
Nuôi trùn đất xử lý rác thải
e. KHÍ SINH HỌC (BIOGAS)
Thành phần khí sinh học (biogas)
Sử dụng biogas làm khí đốt nấu ăn
VI SINH VẬT THAM GIA XỬ LÝ CHẤT THẢI
1. Trong bùn hoạt tính và các hồ có thổi khí
Vi khuẩn:
Pseudomonas - Flavobacterium
Nitrosomonas - Nitrobacter
Mycobacterium - Beggiatoa
Thiothrix - Achromobacter
Nguyên sinh động vật (protozoa)
2. Trong hệ thống lọc nhỏ giọt
Vi khuẩn:
Pseudomonas Nitrosomonas Nitrobacter
Alcaligenes Achromobacter Flavobacterium
Beggiatoa
Các loại nấm men
Các loại nấm mốc: Mucor Fusarium Penicillium
Các loại tảo: Chlorella Ulothrix Phormidium
Các NSĐV: Vorticella, Opercularia Epistylis
Chlorella
Ulothrix
Phormidium
Epistylis
Opercularia
Vorticella
Nguyên sinh động vật
3. Trong hệ thống xử lý kỵ khí

VSV không sinh metan:
Clostridium Corynebacterium Lactobacillus
Staphylococcus Escherichia coli Desulphovibrio
VSV sinh metan:
Methanobacterium Methanobacillus
Methanococcus Methanospirillum
Methanosarcina Methanomicrobium
Methanomicrobium
Methanococcus
Methanosarcina
Methanospirillum
II. Xử lý các hợp chất hóa học sử dụng trong nông nghiệp
Các hợp chất hóa học sử dụng trong nông nghiệp là các hợp chất vòng rất khó phân hủy.
Nguyên lý chung là phải phân hủy các hợp chất vòng để biến các hợp chất vòng này thành các dây carbon dài để các nhóm vi sinh vật khác tiếp tục phân hủy.
* DDT: 1,1,1-trichloro-2,2-bis (p-chlorophenyl)ethane, m?t h?p ch?t hĩa h?c du?c s? d?ng t? r?t l�u tr�n th? tru?ng cĩ th? b? ph�n h?y b?i vi khu?n Aerobacter aerogenes v� nhi?u lo?i t?o nu?c m?n. Vi khu?n Phanerochaete chrysosporium oxid hĩa DDT d? t?o ra nhi?u s?n ph?m bi?n du?ng. Ngồi ra, vi khu?n Alcaligenes eutrophus cung cĩ kh? nang ph�n h?y hi?u khí DDT
DDT
Aerobacter aerogenes
Phanerochaete chrysosporium
Alcaligenes eutrophus
* 2,4,5-T : 2,4,5-trichlorophenoxy acetic acid có thể được phân hủy bởi vi khuẩn Burkholderia cepacia AC 1100.
Burkholderia cepacia
* Dioxin: 2,3,7,8-tetrachlorodibenzo, p-dioxin được nhiều loài vi sinh vật phân hủy như Pseudomonas putida, Trichoderma viride, Bacillus megaterium và Nocardiopsis.
dioxin
Trichoderma viride
Pseudomonas putida
Nocardiopsis sp.
Bacillus megaterium
* Lindane: 7-hexachlorocyclohexane hai loài vi khuẩn có khả năng phân hủy lindane là Bacillus cereus và Clostridium rectum.
Bacillus cereus
* Aldrin và Dieldrin được các loài nấm Aspergillus niger, A. flavus và Penicillium notatum phân hủy

* Chlordane: có thể bị phân hủy bởi Nocardiopsis.
Aldrin
Dieldrin
Aspergillus flavus
Penicillium notatum
* Heptachlor: được phân hủy bởi Rhizopus, Fusarium, Penicillium, Trichoderma, Nocardia, Streptomyces, Bacillus và xạ khuẩn Micromonospora.
Micromonospora
III. Phân hủy sinh học hợp chất cao phân tử

Ngoài các thuốc trừ dịch hại và các hợp chất hydrocarbon gốc clor ra, các chất thải rắn khác cũng rất độc hại đối với môi trường như giấy, thức ăn, nhựa tổng hợp ...

Tốc độ phân hủy các hợp chất nầy thường rất chậm do điều kiện môi trường không thích hợp như thiếu độ ẩm, oxygen hay điều kiện môi trường không thích hợp cho hoạt động của vi sinh vật. Ngoài ra, các chất thải rắn vừa kể thường bị kết dính lại với đất nơi nó bị thải đến, điển hình là các nhựa tổng hợp.
Hiện nay người dân sống ở các nước phát triển đã quen thuộc với một lối sống "xã hội plastic" vì trong sinh hoạt hằng ngày của họ nhiều vật liệu như bao bì, chai lọ, dụng cụ gia đình,văn phòng .v.v. đều làm bằng plastic
Hằng năm công nghiệp sản xuất nhựa tổng hợp sản xuất gần 40 tỉ kg, khoảng 40% bị thải ra môi trường đất. Các dạng nhựa tổng hợp là các hợp chất cao phân tử nhân tạo như polyethylene, polypropylene và polystyren. Các hợp chất này bám chặt vào môi trường đất và không bị biến đổi hằng chục năm .
Các sản phẩm nhựa có thể phân hủy bằng ánh sáng, nhựa tổng hợp có liên kết với tinh bột và nhựa tổng hợp do vi sinh vật sản xuất ra là các hướng đã có nhữnh thành công nhất định
Các nhà khoa học đã có nhiều nghiên cứu để tìm ra một sản phẩm nhựa tổng hợp mới mà vi sinh vật có khả năng phân hủy được đó là poly -  - hydroxyalkanoates (PHAs).
Công ty Imperial Chemical Industries (ICI), Anh, đang sản xuất PHA và bán ra thị trường với tên thường phẩm là Biopol dùng để đóng gói sản phẩm. Dòng vi khuẩn Ralstonia (Alcaligenes) eutrophus để sản xuất PHA từ sirô bắp (corn syrup).
PHAs là một dạng hợp chất cao phân tử dự trữ trong cơ thể vi sinh vật có các thuộc tính chung giống nhựa tổng hợp và có thể được vi sinh vật tổng hợp dưới các dạng hóa học khác nhau.
Hai hợp chất thu nhận được là poly -  - hydroxybutyrate (PHB) và poly -  - hydroxyvalerate (PHV) chiếm hơn 80% trọng lượng khô của tế bào vi khuẩn. Hợp chất cao phân tử được trích ra từ tế bào và trộn với bột hay áo quanh bột và được dùng để sản xuất các lọ chứa dầu gội đầu.
Hiện nay mỗi năm công ty này sản xuất đựơc khoảng 600 tấn PHA và giá thành của các chai làm bằng PHB/PHV còn cao hơn làm bằng nhựa tổng hợp.
Hình 2. Lọ chứa dầu gội đầu bằng PHA
Người ta cũng dùng tinh bột để gắn các hợp chất cao phân tử ngắn. Vì vậy, các vi khuẩn trong đất sẽ dễ dàng tấn công vào tinh bột phóng thích các đoạn hợp chất cao phân tử ngắn để sau đó bị phân hủy bởi các nhóm vi sinh vật khác.
Nhựa tổng hợp có khả năng bị phân hủy sinh học dưới ảnh hưởng của ánh sáng. Người ta nhận thấy các hợp chất cao phân tử sẽ thay đổi cấu trúc khi ánh sáng mặt trời chiếu tia tử ngoại (U.V) làm cho hợp chất cao phân tử trở nên dễ dàng bị tấn công bởi vi sinh vật.