MỞ ĐẦU Biogas (khí sinh học) là sản phẩm khí được sinh ra khi phân hủy chất thải hữu cơ trong điều kiện kỵ khí. Thành phần chủ yếu của khí sinh học là methane (chiếm 60-70% tổng thể tích khí biogas). Phân hủy kỵ khí được áp dụng trong thực tiễn dưới nhiều hình thức công nghệ khác nhau như bể tự hoại, bể biogas, bể FA, bể UASB. để phân hủy các chất thải hữu cơ, góp phần giải quyết các vấn đề có tính chiến lược như xử lý chất thải hữu cơ trong quá trình phát triển đô thị, trong sản xuất công nghiệp và chăn nuôi và tận thu năng lượng từ chất thải.
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 là dự án lớn nhất về khí sinh học. Công nghệ phân hủy chất thải hữu hữu cơ tạo khí sinh học có thể giúp quản lý vệ sinh chuồng trại, xử lý chất thải và tận thu năng lượng tái tạo từ quá trình xử lý. Tuy nhiên các mô hình công nghệ đã triển khai ở dự án mới chỉ áp dụng trong điều kiện môi trường nước ngọt còn môi trường nước lợ hoặc nước mặn thì dự án lại chưa thực hiện thành công. Hiện nay tại các đơn vị quân đội, chất thải hữu cơ từ hoạt động sinh hoạt và chăn nuôi tăng gia chủ yếu được xử lý thông qua cách thu gom và chôn lấp hoặc sử dụng các chế phẩm vi sinh vật để thúc đẩy quá trình phân hủy hiếu khí.
Các biện pháp đang sử dụng mới chỉ giải quyết được một phần nhỏ chất thải là rác hữu cơ, còn lại một lượng lớn chất thải dạng lỏng từ hệ thống nhà tiêu và các hoạt động chăn nuôi gia súc gia cầm vẫn chưa được xử lý tới kết quả mong muốn vì thiếu công nghệ phù hợp và quá trình phân hủy sinh học ở điều kiện môi trường có nồng độ muối cao bị ức chế thường diễn ra với tốc độ chậm (Nguyễn Thị Nhung, 2009). 10 z Việc phát triển công nghệ xử lý chất thải hữu cơ theo nguyên lý kỵ khí hứa hẹn một giải pháp hữu hiệu góp phần xử lý các nguồn chất thải sinh hoạt và chăn nuôi một cách hiệu quả, ngăn chặn ảnh hưởng của chất thải (mùi, mầm bệnh) tới môi trường sống, đồng thời có thể tận thu năng lượng từ chất thải dưới dạng khí sinh học, đặc biệt có ý nghĩa đối với những khu vực địa lý cách biệt như hải đảo. Để có thể đưa công nghệ này vào hoạt động tại các khu vực ven biển và hải đảo, vi sinh vật sinh methane (VSVSMT) – nhóm vi sinh vật giữ vị trí then chốt của công nghệ, cần được nghiên cứu và tiến tới tạo nguồn VSVSMT có hoạt tính cao, thích nghi tốt với môi trường nước lợ và nước mặn, chủ động hỗ trợ quá trình vận hành công nghệ. Đề tài: “Nghiên cứu vi sinh vật sinh methane ứng dụng cho sản xuất biogas trong điều kiện môi trường nước lợ và nước mặn” nhằm mục đích nghiên cứu tập hợp vi sinh vật sinh methane có hoạt tính sinh học cao, thích nghi tốt với điều kiện môi trường nước lợ và nước mặn để chủ động hỗ trợ cho các công nghệ xử lý kỵ khí, áp dụng cho nhiều dạng chất thải hữu cơ hiện đang đe dọa môi trường sống tại các vùng dân cư, các khu du lịch cũng như nơi bộ đội đóng quân ở ven biển, hải đảo.
Nội dung nghiên cứu gồm: (1) Làm giàu quần thể VSVSMT sinh trưởng trong môi trường nước lợ và nước mặn từ các mẫu trầm tích biển với nhiều loại cơ chất khác nhau; (2) Nghiên cứu cấu trúc quần thể VSVSMT dựa trên gen mã hóa 16S rRNA và gen mcrA; (3) Phân lập một số chủng VSVSMT, nghiên cứu các đặc điểm sinh lý, sinh hóa và phân loại của chúng. Bảo quản các chủng đơn và mẫu quần thể trong điều kiện đảm bảo hoạt tính ổn định; (4) Đánh giá hoạt tính tạo khí sinh học của các quần thể làm giàu trong các điều kiện môi trường khác nhau (nồng độ muối, nhiệt độ, pH) và với các chất thải là bùn đầm nuôi tôm, rong biển có bổ sung nước biển. XỬ LÝ CHẤT THẢI HỮU CƠ THEO CÔNG NGHỆ PHÂN HỦY KỴ KHÍ SINH METHANE TRONG ĐIỀU KIỆN NHIỄM MẶN 1. Ô nhiễm chất thải hữu cơ trong môi trường nhiễm mặn Ở các khu vực ven biển, nguồn ô nhiễm chất hữu cơ dễ phân hủy bao gồm chất thải sinh hoạt từ các khu dân cư, các hoạt động nuôi trồng và chế biến thủy hải sản, chất thải của các khu vực chăn nuôi gia súc, gia cầm và các sản phẩm phụ nông nghiệp… Sự ô nhiễm chất thải hữu cơ này sẽ gây ảnh hưởng lớn đến môi trường sinh thái nếu chất thải không được xử lý triệt để.
Tại nhiều nước có ngành công nghiệp đánh bắt và chế biến hải sản lớn trên thế giới như Úc, Na Uy, Canada, Nhật Bản., dạng nguồn thải hữu cơ quan trọng thường gặp ở các vùng ven biển là chất thải từ các hoạt động đánh bắt và chế biến hải sản có hàm lượng muối cao tương đương nước biển (Jenning và Kaiser, 1998; Kennish, 2002). Do quá trình phân hủy sinh học ở môi trường có nồng độ muối cao diễn ra với tốc độ chậm, việc tìm kiếm công nghệ phù hợp để xử lý loại chất thải này một cách hiệu quả được nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm nghiên cứu. Lefebvre và cộng sự (2007) đã chỉ ra vai trò của các VSVSMT chịu mặn và ưa mặn (thuộc các chi Methanosaeta và Methanobacterium) trong bể lên men kỵ khí, cho phép bể có thể vận hành một cách hiệu quả ở môi trường có nồng độ NaCl từ 10 – 60 g/L (Lefebvre et al. Các VSVSMT này có thể được tạo ra trong quá trình thích nghi bùn kỵ khí thông thường ở điều kiện muối cao trong thời gian dài.
Trong nghiên cứu khác, Ferreira (2012) cho thấy bùn nạo vét từ các đầm nuôi hải sản có hàm lượng muối cao (10 – 20 g/L) có thể được sử dụng làm cơ chất cho quá trình lên men kỵ khí sinh methane để thu năng lượng một cách hiệu 12 z quả nếu có bổ sung các VSVSMT đã thích nghi trước đó với nồng độ muối cao và cân bằng dinh dưỡng (C:N:P) trong bể lên men được kiểm soát. Ở Việt Nam, chất thải sinh hoạt của nhiều vùng dân cư ven biển và hải đảo hiện đang là một trong trong những vấn nạn môi trường. Rác thải, chất thải hữu cơ từ các hoạt động sản xuất và sinh hoạt không được xử lý mà thải thẳng ra biển sẽ gây ô nhiễm nghiêm trọng (Hình 1. Do quá trình phân hủy sinh học trong môi trường biển chậm nên lượng chất thải này ngày càng tích lũy và gây ảnh hưởng không nhỏ cho các cơ quan quản lý cũng như hoạt động kinh doanh trên biển.
Hoạt động nuôi trồng thủy sản cũng tạo ra một phần không nhỏ lượng chất thải bao gồm thức ăn dư thừa, xác chết và phân của vật nuôi. Đồng bằng sông Cửu Long - một trong những vùng nuôi thủy hải sản trọng điểm của Việt Nam hiện đang đối mặt với hiện trạng suy giảm chất lượng nước và ô nhiễm môi trường do bùng phát việc nuôi thâm canh thủy sản mà chất thải tích tụ tại những lớp bùn lớn dưới đáy ao nuôi là một trong những nguyên nhân chính (Hình 1. Một số nguồn chất thải hữu cơ tại các vùng ven biển Việt Nam Theo số liệu thống kê của Viện khoa học thủy lợi Việt Nam, năm 2000 diện tích nuôi tôm ở đồng bằng sông Cửu Long chỉ là 250.000 ha, đến năm 13 z 2011 diện nuôi tôm của 8 tỉnh ven biển thuộc đồng bằng sông Cửu Long đã lên trên 580.000 ha, chiếm trên 80% diện tích nuôi tôm của cả nước (www. Riêng trong việc nuôi cá tra và tôm sú ở đồng bằng sông Cửu Long mỗi năm có đến hàng triệu tấn thức ăn không được tiêu hóa hết.
Ngoài ra, lượng chất thải hữu cơ giàu protein, lipit và các phụ phẩm khác của thủy sản mực, tôm, cá…cũng rất lớn. Nước thải trong sản xuất chế biến (chiếm 85 - 90% tổng lượng nước thải) từ hoạt động rửa nguyên liệu, chế biến, vệ sinh dụng cụ thiết bị cũng là nguồn thải nhiễm hữu cơ nặng cần được xử lý (www. Xử lý ô nhiễm chất hữu cơ bằng phân hủy kỵ khí Bản chất của phương pháp sinh học trong xử lý chất thải hữu cơ là dựa vào hoạt động sống của vi sinh vật (các loài bản địa cũng như các loài có hoạt tính cao được bổ sung vào hệ thống xử lý) mà các chất hữu cơ ô nhiễm được khoáng hóa tạo thành khí CO2, CH4 và nước. CO2 40-50% Biogas 70-90% COD COD 100% 100% Hiếu khí Kỵ khí Dòng chảy Dòng chảy 5-10% 10-30% Bùn 5- 15% Bùn 50- 60% A B Hình 1.
Chuyển hóa cacbon hữu cơ trong phân hủy hiếu khí (A) và kỵ khí (B) (Lettinga, 1995) Biện pháp sinh học trong xử lý chất thải hữu cơ được chia thành hai dạng chính: (i) phương pháp hiếu khí dựa trên hoạt động của các vi sinh vật hiếu khí với oxy là chất nhận điện tử cần được cung cấp liên tục để đảm bảo 14 z hoạt động sống của vi sinh vật và (ii) phương pháp kỵ khí dựa trên hoạt động của các vi sinh vật không có nhu cầu về oxy trong quá trình sinh trưởng. So với quá trình phân hủy hiếu khí, quá trình kỵ khí (Hình 1.2) có nhiều ưu điểm như sau (Lettinga, 1995; Bitton, 1999): - 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 phân hủy 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%, theo đó với 1 tấn COD bị phân hủy thì chỉ có 20 ÷ 100 kg sinh khối tế bào được tạo thành trong phân hủy kỵ khí, so với 500 ÷ 600 kg tạo thành trong phân hủy hiếu khí (Lettinga, 1995).
- Phân hủy kỵ khí tạo sản phẩm cuối cùng là biogas với thành phần chủ yếu là khí methane (50 ÷ 70%), loại khí có nhiệt năng cao được sử dụng làm nhiên liệu đốt hay chuyển thành điện năng. Chỉ có khoảng 3 ÷ 5% cơ chất bị thất thoát dưới dạng nhiệt.