Chương 1 – TỔNG QUAN 1. Tình trạng ô nhiễm chất thải hữu cơ ở khu vực ven biển và hải đảo Ô nhiễm biển cũng như tất cả các loại ô nhiễm khác đều có nguồn gốc từ tự nhiên và nhân tạo, trong đó các nguyên nhân nhân tạo bao giờ cũng gây ra những tác hại to lớn và để lại hậu quả nặng nề. Công ước Luật biển 1982 đã chỉ ra 5 nguồn ô nhiễm biển gồm (i) các hoạt động trên đất liền, (ii) thăm dò và khai thác tài nguyên thềm lục địa và đáy đại dương, (iii) thải các chất độc hại ra biển, (iv) vận chuyển hàng hóa trên biển và (v) ô nhiễm không khí [74]. Trên thế giới, mặc dù đã có hơn 60 nước xây dựng chương trình hành động quốc gia để ngăn chặn những nguồn ô nhiễm biển xuất phát từ đất liền, song kết quả đạt được không bù đắp nổi những thiệt hại do tình trạng bùng nổ dân số, quá trình đô thị hóa và công nghiệp hóa quá nhanh tại các vùng duyên hải.
Theo báo cáo của Chương trình môi trường Liên Hiệp Quốc, khoảng 80% chất gây ô nhiễm biển có nguồn gốc từ đất liền và chiều hướng này có thể tăng lên đáng kể vào năm 2050. Ở khu vực Châu Á, có đến 90% lượng nước thải đổ thẳng xuống biển mà không qua xử lý. Bên cạnh việc hứng chịu nguồn chất thải từ các nhà máy đặt tại vùng ven biển, vùng biển Nam và Đông Á còn phải tiếp nhận 2/3 khối lượng đất và phù sa gây ảnh hưởng trầm trọng đến các hệ sinh thái ven biển [26,76]. Tình trạng ô nhiễm chất thải khu vực ven biển và cửa sông (A – Phillipin [61], B – Đà Nẵng, Việt Nam [10]) Ở Việt Nam, các khu vực sinh hoạt và phát triển kinh tế ven biển và hải đảo hầu như chưa có hệ thống xử lý nước thải đồng bộ, nên nước thải chủ yếu được xả 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com thẳng ra các sông hồ rồi đưa ra biển mà không qua xử lý 5.
Các loại chất ô nhiễm theo sông ngòi mang ra biển rất đa dạng, như dầu mỏ và các sản phẩm dầu, nước thải, phân bón nông nghiệp, thuốc trừ sâu, chất thải công nghiệp, chất thải phóng xạ và nhiều chất ô nhiễm khác. Đặc biệt, ô nhiễm bởi chất hữu cơ trong nước biển ven bờ đã và đang diễn ra phổ biến ở các tỉnh, thành phố ven biển và ngày càng trở nên nghiêm trọng. Hàm lượng COD, NH4 tại hầu hết các khu vực biển trong giai đoạn 2011-2015 được phát hiện ở mức cao vượt ngưỡng QCVN (mục đích nuôi trồng thủy sản và bãi tắm), đặc biệt là ở khu vực biển phía Bắc và miền Nam [10].Theo các kết quả khảo sát gần đây, tại vùng biển Phú Yên, với chiều dài bờ biển khoảng 189 km, trong 18 000 hộ dân sinh sống ở đây chỉ có 10% số hộ có nhà vệ sinh. Bên cạnh đó, hệ thống sông ngòi mỗi năm đổ ra biển khoảng 12 tỷ m3 nước cùng với chất thải công nghiệp, nông nghiệp, chất thải sinh hoạt hoặc các chất độc hại khác trong quá trình khai thác khoáng sản góp phần làm tăng sự ô nhiễm [12].
Tại Nha Trang, mực nước ven bờ của các khu dân cư thường có độ nhiễm bẩn rất cao. Kết quả khảo sát tại một số khu dân cư tập trung đông là Tây Hải, Cửa Bé và Cồn Giữa cho thấy hàm lượng N và muối phosphate rất cao, hiện tượng nở hoa của tảo gây hại thường xuyên được ghi nhận. Ngoài ra, vịnh Nha Trang cũng chịu áp lực ngày càng tăng của các chất thải qua sông Cái đổ ra biển. Lưu vực sông Cái có đến nửa triệu dân sinh sống, phần lớn chất thải sinh hoạt được trực tiếp đưa vào môi trường nước không qua xử lý.
Hoạt động nuôi trồng thủy sản tập trung (như nuôi trên cát, nuôi trong lồng bè) đã và đang xả ra biển một lượng lớn các chất hữu cơ phú dưỡng, chất độc hại, mầm bệnh…làm suy thoái môi trường biển, bùng nổ dịch bệnh và gây thiệt hại đáng kể về kinh tế cũng như điều kiện môi trường sinh thái [10]. Phân hủy kỵ khí chất hữu cơ ở môi trường nước biển Phân hủy kỵ khí các hợp chất hữu cơ để tận thu năng lượng dưới dạng khí sinh học (biogas) được biết đến từ giữa thế kỷ 19 và được nghiên cứu rộng rãi từ những năm đầu thế kỷ 20 [19]. Nhờ đặc tính hữu hiệu trong việc xử lý chất thải hữu cơ dạng rắn và lỏng, đồng thời tận thu năng lượng ở dạng khí methane, công nghệ khí sinh học đang được áp dụng tại nhiều nơi trên thế giới. Ở các nước phát triển, 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com biogas được sản xuất ở quy mô công nghiệp và sử dụng các nguồn chất thải phong phú, bao gồm rác sinh hoạt, bùn thải, chất thải lỏng từ các nhà máy chế biến thực phẩm hay lò giết mổ.
Gần đây, một số loại rong biển như Macrocystis sp. đang được thử nghiệm làm nguyên liệu để sinh năng lượng ở dạng khí methane thông qua phân hủy kỵ khí [71,75]. Thành công bước đầu trong lĩnh vực này đã mở ra ngành nuôi trồng và khai thác nguồn sinh khối rong biển cho phát triển năng lượng tại Trung Quốc, Ấn Độ, Nhật Bản. Ở Việt Nam, dự án “Chương trình khí sinh học cho ngành chăn nuôi Việt Nam” do Cục Chăn nuôi, thuộc Bộ NN & PTNT và Tổ chức hợp tác phát triển Hà Lan thực hiện đã thành công trong việc đưa công nghệ biogas ở quy mô hộ và nhóm hộ gia đình để quản lý và xử lý chất thải chăn nuôi, đồng thời tận thu nguồn năng lượng từ chất thải [3].
Tuy nhiên, ở điều kiện nhiệt độ thấp (miền núi) hay điều kiện nước mặn (vùng biển và hải đảo) chương trình này chưa được triển khai do mức hiệu quả kèm của công nghệ ở các điều kiện đặc thù này. Luận án tiến sỹ của tác giả Nguyễn Thu Hoài (2015) là nghiên cứu đầu tiên về nhóm cổ khuẩn sinh methane ở môi trường biển nhằm định hướng ứng dụng cho công nghệ xử lý kỵ khí chất thải hữu cơ tại đây. Tác giả đã xây dựng được tổ hợp vi sinh vật BKM có hoạt tính cao ở môi trường có nồng độ muối từ 10 – 30 g/L để khởi động nhanh và vận hành ổn định các mô hình phân hủy kỵ khí xử lý chất thải hữu cơ trong môi trường nước biển. Tác giả cũng đã xác định được Methanosarcina spp.
là nhóm methanogen chiếm ưu thế trong tổ hợp BKM [6]. Tuy nhiên, một chế phẩm sinh học có hoạt tính ổn định ở điều kiện nước mặn cần được nghiên cứu phát triển từ nguồn methanogen nói trên để có thể đưa kết quả khoa học này vào ứng dụng trong thực tế. Ưu nhược điểm của phân hủy kỵ khí Xử lý chất ô nhiễm cacbon hữu cơ trong nước thải được thực hiện theo nguyên lý phân hủy sinh học hiếu khí hoặc kỵ khí. Biện pháp hiếu khí dựa vào hoạt động của các vi sinh vật hiếu khí, có nhu cầu về oxy cao và thường diễn ra ở nhiệt 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com độ trong khoảng 20 đến 40oC.
So với quá trình phân hủy hiếu khí, quá trình kỵ khí (Hình 1.2) có nhiều ưu điểm như sau [19, 45]. - Phân hủy kỵ khí sử dụng CO2 sẵn có trong môi trường làm chất nhận điện tử, không có nhu cầu về oxy từ bên ngoài, do vậy làm giảm giá thành xử lý nước/chất thải một cách đáng kể. - Lượng bùn tạo ra trong phân hủy kỵ khí thấp hơn nhiều so với hiếu khí (3 – 20 lần) do sinh khối tạo ra ít (hiệu suất sinh năng lượng từ vi khuẩn kỵ khí thấp). Nếu như trong hô hấp hiếu khí, 50% cacbon hữu cơ được chuyển thành sinh khối thì trong hô hấp kỵ khí chỉ có 5%.
- Phân hủy kỵ khí tạo sản phẩm cuối cùng là methane có nhiệt năng cao, được sử dụng như một nguồn năng lượng xanh. Chỉ có khoảng 3 – 5% cơ chất bị thất thoát dưới dạng nhiệt. - Phân hủy kỵ khí thích hợp với các loại nguồn thải có hàm lượng hữu cơ rất cao và có thể vận hành với tải trọng hữu cơ lớn. - Vi sinh vật kỵ khí trong hệ thống tồn tại theo tổ hợp ở dạng hạt bùn, có độ bền cao về hoạt tính và mức sống sót, thậm chí khi hệ thống xử lý ngừng hoạt động trong thời gian dài.
Chuyển hóa cacbon hữu cơ trong phân hủy hiếu khí (A) và kỵ khí (B) [25] 12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tuy nhiên, bên cạnh những ưu thế này, phân hủy kỵ khí còn bộc lộ một số nhược điểm như: - Quy trình phân hủy kỵ khí diễn ra chậm hơn so với hiếu khí và thường mẫn cảm với nhiều yếu tố trong môi trường như nhiệt độ, pH, VFA, các kim loại nặng. - Bước khởi động của toàn bộ quá trình thường kéo dài, do vậy nguồn vi sinh vật có hoạt tính cao (như bùn bể tự hoại, bùn hoạt tính hay chế phẩm vi sinh) thường được sử dụng để rút ngắn quá trình này. Mặc dù vậy, với những ưu điểm vượt trội kể trên, các công nghệ xử lý chất thải dựa theo nguyên lý phân hủy kỵ khí đã và đang được ứng dụng rộng rãi tại nhiều quốc gia trên thế giới. Bản chất sinh học của phân hủy kỵ khí Phân hủy kỵ khí là quá trình chuyển hóa sinh học trong điều kiện không có oxy với sự tham gia của nhiều nhóm vi sinh vật có quan hệ mật thiết với nhau theo hình thức chuỗi thức ăn, đảm bảo phân hủy chất hữu cơ cao phân tử thành methane và CO2 (Hình 1.
Toàn bộ quá trình phân hủy gồm bốn pha, (i) thủy phân, (ii) pha lên men sinh axit, (iii) pha sinh acetate và (iv) pha sinh methane [66]. Các bước chuyển hóa sinh học của quá trình phân hủy kỵ khí sinh methane [16] 13 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Pha 1 - Thủy phân (Hydrolysis) Quá trình thủy phân do các vi khuẩn kỵ khí và kỵ khí tùy tiện (như Streptococcus và Enterobacterium) thực hiện, bẻ gãy các chất hữu cơ cao phân tử (protein, polysaccharid, lipid) thành các đơn phân tan trong nước như axit amin, đường đơn, peptid [47]. Tốc độ quá trình thủy phân phụ thuộc vào kích thước và bản chất hóa học của các cao phân tử hữu cơ, cũng như pH môi trường, khả năng sinh enzyme của vi khuẩn và ái lực của enzym đối với chất thải. Đối với chất thải chứa các hợp chất cao phân tử có độ bền cao (lignocellulose, chitin), quá trình thủy phân có thể được hỗ trợ bằng bước tiền xử lý hóa lý như nhiệt độ, axit [22].