Công nghệ sinh học đã được đưa vào áp dụng rộng rãi trong các biện pháp nhằm bảo vệ môi trường sinh thái tránh khỏi các chất thải độc hại của các xí nghiệp công nghiệp. Trước kia đó là nước thải công nghiệp, còn trong những năm gần đây đó là loại khí thải công nghiệp. Trong cả hai trường hợp đó là những chất độc hại đối với con người và các loại động vật máu nóng khác. Trong thiên nhiên có một sự phân bố rộng rãi các vi sinh vật có vai trò to lớn trong vòng tuần hoàn của các chất hữu cơ nhờ chúng có các hệ enzyme có khả năng thủy giải các chất độc tố rất khác nhau về mặt cấu tạo hóa học và sau đó lại có khả năng đồng hóa các sản phẩm tạo ra trong quá trình thủy giải, sử dụng các sản phẩm này như là cơ chất của sự trao đổi kết cấu và năng lượng. Ngày nay người ta đã biết được phổ rất rộng các hợp chất hữu cơ thuộc các nhóm chất khác nhau mà cơ thể vi sinh vật có khả năng phân giải. Trong thực tế người ta đã sử dụng chủng vi sinh vật hay quần thể vi sinh vật để làm sạch môi trường xung quanh khỏi các chất hữu cơ độc hại.
Trong không khí của các thành phố công nghiệp lớn, người ta đã phát hiện tới khoảng 150 chất hữu cơ thuộc về các chất đồng đẳng của benzol, hydrocarbons, phenol...
Các xí nghiệp hóa học, chế tạo giấy cellulose, sản xuất sơn và công nghiệp thực phẩm, các xí nghiệp chế biến nông sản và các tổ hợp chăn nuôi, các bể lắng nước thải và các thiết bị xử lý chất thải đều là nguồn thải các chất độc hại có mùi hôi thối mà thậm chí ở nồng độ không lớn đã gây ra cho con người cảm giác khó chịu làm hại sức khỏe của cộng đồng xã hội.
Phương pháp vi sinh vật làm sạch không khí khác với các phương pháp làm sạch hoá học và lý học bởi khả năng tiến hành của quá trình này ở nhiệt độ bình thường và dưới áp suất khí quyển.
1. Tấm lọc sinh học [Bio-filter];
2. Các thiết bị làm sạch sinh học [Bio-scrubber];
3. Các Biocreactor chứa các màng lọc polymer;
Thành phần chính của bio-filter là lớp lọc, trên đó xảy ra quá trình hấp thụ các chất độc từ không khí bị nhiễm bẩn và sau đó phân hủy chúng bằng các vi sinh vật. Không khí cần làm sạch được đưa vào bằng quạt gió. Người ta thường sử dụng phân ủ, than bùn và các chất có nguồn gốc tự nhiên tương tự để làm vật liệu cho lớp lọc. Bản thân các vật liệu nói trên có chứa những khoáng chất cần thiết để nuôi dưỡng vi khuẩn. Thường người ta sử dụng quần thể vi sinh hỗn hợp thí dụ như “bùn hoạt tính” chẳng hạn để làm sạch nước thải của các xí nghiệp hóa chất.
Nguyên tắc hoạt động của các bio-scrubber khác với bio-filter ở chỗ là các chất độc được hấp thụ bằng nước và bị phân hủy lần lượt bởi vi sinh vật nằm trong các thiết bị khác nhau. Thành phần cấu tạo quan trọng nhất của bio-scrubber là thiết bị hấp thụ [absorber] là nơi diễn ra sự trao đổi khối lượng chất giữa khí thải nhiễm bẩn và chất hấp thụ. Khi thiết kế bất kỳ kiểu absorber nào người ta cũng phải đặc biệt chú ý đến việc làm tăng diện tích bề mặt phân chia phase, là yếu tố quyết định hiệu quả của việc hấp thụ. Bên trong absorber các chất độc và oxy di chuyển vào nước, do đó khí thoát ra khỏi absorber sẽ ở dạng được làm sạch, còn nước thì ở trạng thái nhiễm bẩn. Sơ đồ thiết bị lọc ở mô tả ở hình 9.1, bao gồm bộ phận thu góp [aerotank] nằm ở phần đáy của absorber [1]. Một đường ống được lắp vào bên trên aerotank để đưa khí nhiễm bẩn vào [2]. Không khí đã được làm sạch thoát ra ngoài qua lỗ số [3]. Ở phần trên của bio-scrubber lắp các màng lọc [4] và ống dẫn [5] nằm bên cạnh vòi phun [6]. Nước tuần hoàn trong hệ thống có chứa bùn hoạt tính nằm trong aerotank [1], luôn có độ pH được duy trì ở mức cần thiết nhờ sự trợ giúp của thiết bị chuyên dụng. Hệ thống này cũng sử dụng cả than hoạt tính, khoảng 4g/l, trộn lẫn với bùn hoạt tính. Khi thiết bị hoạt động, không khí bẩn đi vào theo ống dẫn [2] qua các lớp màng lọc [4] tới lỗ thoát ra. Đồng thời từ aerotank [1] bằng máy bơm theo đường ống [8] dịch lỏng tẩy rửa được phun qua vòi phun. Khi xuất hiện dòng xoáy mạnh và đạt được các chỉ số trao đổi chất cao, thì quá trình làm sạch khí khỏi các tạp chất độc hại sẽ được coi là đạt yêu cầu. Sự có mặt của than hoạt tính sẽ làm tăng các chỉ số làm sạch, bởi vì một số chất độc có mặt trong không khí sẽ hấp thụ trên lớp than và quá trình phân huỷ chúng sẽ diễn ra trong aerotank. Các tế bào vi sinh vật tham gia vào thành phần của bùn hoạt tính và những enzyme ngoại bào do chúng tiết ra cũng được giữ lại trên than hoat tính. Nước sạch được cung cấp vào aerotank theo đường ống [9] đồng thời theo đường ống thoát [10], một lượng tương ứng nước rửa cùng với bùn hoạt tính sẽ đổ vào bể lắng [12]. Khi cần thiết có thể đưa chất kết tủa từ bể lắng trở lại earotank theo [14], [15] hay đưa ra khỏi hệ thống theo các đường [11], [13].
Những bioreactor có chứa các màng polymer gắn tế bào vi sinh vật [người ta còn gọi chúng là bioreactor bọc lớp rửa] là những hệ thống làm sạch không khí tiên tiến nhất. Việc làm sạch khỏi chất độc diễn ra cũng nhờ vào hoạt tính enzyme của các tế bào vi sinh được cố định trên màng. Đôi khi thay thế vào chỗ các tế bào người ta cố định enzyme lên các màng polymer nói trên. Tuy nhiên để thực hiện các quy trình công nghệ người ta chủ yếu chỉ sử dụng các tế bào vi sinh vật cố định. Một trong những nguyên nhân chủ yếu là do khả năng dễ dàng thâu nhận chúng với giá thành rẻ hơn so với các chế phẩm enzyme. Ngoài ra, trong số các ưu thế về mặt công nghệ khác phải kể tới mức độ ổn định cao của enzyme trong tế bào vi sinh vật so với enzyme được tách ra từ tế bào, cũng như khả năng tái sinh tự nhiên cofactor của nó trong quá trình hóa sinh xảy ra liên tục. Trong khi việc tái sinh cofactor trong trường hợp sử dụng các chế phẩm enzyme tinh khiết trong các quy trình sản xuất lớn sẽ đòi hỏi chi phí rất cao kèm theo các thiết bị công nghệ phức tạp.
Tuy nhiên việc sử dụng các tế bào cố định cũng có những nhược điểm cần phải lưu ý. Có thể xảy ra những phản ứng phụ do sự có mặt trong tế bào một số lượng lớn các enzyme khác nhau. So với chế phẩm enzyme không tan, hoạt động của enzyme trong tế bào vi sinh vật tính trên đơn vị diện tích bề mặt của bioreactor sẽ thấp hơn. Protease có mặt trong tế bào có thể gây ra sự biến tính của enzyme, ngoài ra các tế bào cố định cũng tạo ra sự cản trở khuếch tán bổ sung.
Hiện nay có một số giải pháp thiết kế đối với kiểu bioreactor đã nói ở trên, những giải pháp này có tính đến các yếu tố có liên quan tới chế độ khai thác liên tục của các xí nghiệp công nghiệp. Trên hình 9.2 là sơ đồ nguyên tắc mô tả phương pháp vi sinh vật làm sạch không khí đầu tiên đã được đề nghị sử dụng. Trong quy trình công nghệ này người ta sử dụng vi sinh vật đất, chúng được phân bố trên đất mang có chứa nước và các muối khoáng cần thiết cho dinh dưỡng của vi sinh vật. Khi các chất hữu cơ đi qua bioreactor, chúng bị đồng hoá bởi vi sinh vật và bị oxy hóa một phàn tới CO2 và H2O . Hệ thống nói trên không yêu cầu tái sinh hay thay thế cho đến khi độ ẩm bên trong hệ thống vẫn còn và việc cung cấp các chất dinh dưỡng hữu cơ cần thiết cho vi sinh vật vẫn được duy trì. Như mô tả trên hình 9.2 hệ thống này là một kênh quạt gió, trong đó trên bề mặt của chất mang [có thể là bọt xốp, bông thủy tinh hoặc bất kỳ vật liệu nào có diện tích bề mặt riêng lớn] người ta cố định các cơ thể vi sinh vật. Chất mang cùng với các vi sinh vật gắn trên đó được xếp trong container [1] có các lỗ để khí đi qua. Container lại được xếp vào trong thiết bị chứa [4] có chứa muối khoáng. Không khí bẩn đi qua container và sau đó đi qua thiết bị điều chỉnh không khí đến thành phần cũng như nhiệt độ và độ ẩm cần thiết. Bộ phận chuẩn bị không khí [3]có thể cải tiến để đốt nóng hoặc làm lạnh bằng cách cho đi qua thiết bị nhiệt ở dạng ống xoắn [2]. Cuối cùng khí sau khi được làm sạch và được đưa về các thông số cần thiết sẽ đi vào hệ thống quạt để ra ngoài.
Trong các hệ thống hiện đại rất phổ biến các chất mang polymer ở dạng lỗ hoặc ở dạng sợi có gắn các tế bào vi sinh vật và được sắp xếp một cách đặc biệt trong container. Không loại trừ khả năng cố định các tế bào vi sinh vật trên chất mang vô cơ, thí dụ trên silicagel cải biến, khi đó các tế bào vi sinh vật cố định sẽ tạo ra một lớp ép không chặt.
Theo nguyên tắc, các tế bào vi sinh vật cố định trên chất mang được nhồi vào thiết bị chứa container nhỏ có hình viên đạn, nước cùng muối khoáng cần thiết cho tế bào vi sinh vật sẽ được đưa vào các containner này. Các chất cần phân huỷ có mặt trong không khí bẩn khi đi qua lớp xúc tác sinh học sẽ phân bố giữa phase khí và màng nước bọc các hạt xúc tác, chúng sẽ khuếch tán qua màng này và sau đó bị phân rã trong lớp xúc tác sinh học.
Tốc độ làm sạch khí có thể bị giới hạn hoặc bởi sự khuếch tán của cơ chất từ phase khí qua màng nước vào hạt xúc tác, hoặc bởi tốc độ phân rã của chúng do các tế bào vi sinh vật gây ra. Tốc độ khuếch tán phụ thuộc vào bản chất và nồng độ của chất khuếch tán ở ranh giới phía ngoài và phía trong màng nước. Còn tốc độ phân rã chúng lại phụ thuộc vào hoạt độ của hệ enzyme ở tế bào vi sinh vật thực hiện quá trình này. Nếu xảy ra sự phân rã toàn bộ các chất khuếch tán qua màng nước nhờ enzyme, thì điều đó có nghĩa là quá trình này hoạt động ở chế độ khuếch tán. Điều này có thể xét đoán theo ảnh hưởng của chất mang và nồng độ sinh khối lên khả năng phân hủy. Mức độ biến đổi cơ chất phản ánh quá trình làm sạch khí, sẽ bị giảm khi tốc độ của dòng khí gia tăng.
Bioreactor có lớp rửa như trên thường có chu kỳ hoạt động khoảng 5-10 ngày, nếu như người ta bổ sung vào nước tưới lên reactor sinh học khoảng 5% bùn hoạt tính lấy từ hồ đọng nước. Tuy nhiên việc sử dụng các vi sinh vật đã thích nghi với sự phát triển trên các chất độc tố có trong không khí cần làm sạch, có thể làm thời hạn trên giảm thậm chí còn vài giờ. Cùng với thời gian, độ cản khí động học của lớp xúc tác sinh học sẽ gia tăng do sự gia tăng hàm lượng sinh khối bị giữ lại trong nó, vì thế cứ vài tháng người ta lại phải làm sạch chất xúc tác sinh học nói trên.
Để phân huỷ với hiệu suất cao một chất hữu cơ cụ thể nào đó, thì cần phải sử dụng bioreactor chứa các chủng chuyên biệt có hoạt tính phân hủy chất nói trên cao.
Thực tế cho thấy rằng, để thực hiện chức năng xúc tác phân hủy các hợp chất hữu cơ cần phải có chế độ nuôi cấy riêng biệt các chủng vi sinh vật trước khi cố định chúng. Cơ sở của chế độ nuôi cấy này là làm cho quần thể vi sinh vật thích nghi được với một cơ chất cụ thể nào đó, điều này cần thiết bởi vì quần thể vi sinh vật trong trường hợp này rất không đồng nhất. Có thể những khó khăn xuất hiện khi nuôi cấy vi sinh vật trên cơ chất cụ thể, khi cơ chất là chất bay hơi không tan trong nước. Đối với một số chất, có thể sử dụng các chất tương đồng về mặt cấu trúc để tạo ra sự thể hiện của gen chịu trách nhiệm tổng hợp enzyme tương ứng, có nghĩa là gây ra sự cảm ứng không đặc hiệu cho quá trình tổng hợp enzyme phân huỷ. Đồng thời phải nghiên cứu đặc tính động học của quá trình phân huỷ trong một số trường hợp cần thiết, để chắc chắn là không có các chất ức chế được tạo thành trong quá trình phân hủy chất nói trên, cũng như xác định ngưỡng nồng độ hoạt động của hệ thống.
Trong vấn đề này cần thiết phải có thông tin về các tế bào bị chết không còn khả năng tái tạo trong quá trình cố định, nếu quá trrình này tiến hành đồng thời với quá trình polymer hóa các sợi mang. Cũng như cần phải biết được ảnh hưởng của các chất hữu cơ tham gia vào quá trình polymer hóa lên khả năng sống sót của tế bào vi sinh vật ở từng giai đoạn riêng biệt. Điều này cần bắt buộc khi vì lý do nào đó phải thay đổi chế độ cố định tế bào hoặc chế độ nuôi cấy chúng.
Vì container chứa các tế bào cố định được chuẩn bị trước, cho nên phải tính đến việc sấy khô, giữ hoạt độ của tế bào sau khi sấy, thời gian thích nghi của tế bào sau khi đưa container vào hệ thống và sự thay đổi cho phép của số lượng tế bào còn khả năng sống sót sau thời gian bảo quản ở các điều kiện quy định.
Phụ thuộc vào cơ chất, tế bào có thể thực hiện chức năng thủy giải, thí dụ như esterase là enzyme cắt liên kết ester của các ester phức [như ethylacetate, butylacetate] hoặc đồng hoá cơ chất và sử dụng chúng trong quá trình trao đổi cấu trúc hoặc năng lượng. Cơ sở của quá trình làm sạch khí bằng phương pháp vi sinh vật dựa trên sự phát triển của vi sinh vật khi được khuấy trộn mạnh mẽ, còn gọi là chemostate. Trong đó người ta không quan tâm nhiều đến vấn đề là chất cần phân huỷ ở dạng dung dịch hay dạng hơi trong phase khí có hòa tan hoặc khuếch tán vào phase nước của hệ thống khử hay không. Khác với các bài toán cổ điển được giải quyết theo kiểu chemostate, trong quá trình nói trên có cả các trường hợp có liên quan với nồng độ cơ chất thấp kèm theo các yếu tố giới hạn thay đổi cũng như tốc độ phát triển thấp. Trong các tính toán và chọn kiểu bioreactor có thể sử dụng phương trình không tuyến tính của Monod để tính tốc độ sử dụng cơ chất.
Cơ sở lý thuyết của phương thức giải quyết nhiệm vụ đề ra là sự hiểu biết sinh hóa và vi sinh vật về cơ chế đồng hóa các chất cần phân huỷ ở tế bào vi sinh vật. Vì các chất này được sử dụng trong quá trình trao đổi cấu trúc và năng lượng. Do đó cần phải biết được các thông số tính toán tối ưu cho biết phần nào của cơ chất bị oxy hóa đến sản phẩm cuối cùng và phần nào sẽ tham gia vào trao đổi cấu trúc, có nghĩa là tạo sinh khối. Cũng cần phải xác định bằng thực nghiệm giá trị ngưỡng của sinh khối mà ở đó hãy còn diễn tiến quá trình diễn tiến quá trình xúc tác ở những nồng độ đã cho của cơ chất. Hơn nữa phải chú ý là tác động xúc tác được thực hiện bởi các tế bào sống trong quá trình hoạt động của hệ thống bioreactor. Do đó phải tính toán sao cho sự gia tăng sinh khối luôn ở mức tối thiểu, bởi vì sự gia tăng sinh khối nói chung đều tạo nên một sự cản trở bổ sung ở màng. Người ta đưa ra phương pháp phổ biến nhất làm phương pháp khởi đầu để tối ưu hóa các thông số nói trên. Một trong hai phương pháp đó là phương pháp tính theo hiệu quả kinh tế, có nghĩa là phải tính được tương quan tối ưu giữa sự gia tăng sinh khối tối thiểu và sự tiêu tốn cao nhất cho trao đổi năng lượng. Phương pháp thứ hai dựa trên cơ sở tính toán hệ số biến đổi cơ chất cao nhất thành sản phẩm Ypmax theo lý thuyết oxy-hóa khử.
Những yêu cầu chủ yếu đối với các thiết bị sinh học làm sạch không khí là: đơn giản trong vận hành, hiệu quả làm sạch, cũng như năng suất hoạt động riêng [là tỷ lệ giữa không khí đi qua thiết bị trong một giờ và thể tích làm việc của hệ thống] cao và độ can trở khí động học thấp.
Thiết bị làm sạch sinh học không khí phổ biến nhất là các biofilter có chi phí sản xuất không đáng kể [vật liệu của lớp lọc rẻ và phổ biến, tiêu tốn nước, điện thấp].
Năng suất hoạt động của bioreactor cao hơn nhiều so với các thiết bị sinh học làm sạch khí khác, vì nó có nồng độ sinh khí cao trong thể tích làm việc của reactor nhờ sự cố định vi sinh vật trên các chất mang polymer và vô cơ. Ngoài vai trò tập trung sinh khối, các chất mang này còn thực hiện một chức năng rất quan trọng khác là đảm bảo diện tích bề mặt phân cách lớn giữa hai phase nước-khí. Bởi vì hiệu suất làm sạch không khí của bioreactor ở thể tích và tốc độ dòng khí lớn sẽ bị giới hạn bởi tốc độ khuếch tán của các chất cần loại bỏ qua màng nước bao bọc lớp sinh học, do vậy nếu muốn gia tăng hơn nữa năng suất của bioreactor, thì có lẽ phải hoàn thiện hơn thiết kế của bioreactor và tìm kiếm các vật liệu mới để cố định vi sinh vật nhằm tạo diện tích bề mặt ngăn cách phase lớn.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Nguyễn Lân Dũng , Nguyễn Đình Quyến, Phạm Văn Ty 2002. Vi sinh vật học . NXB Giáo dục.
2. Nguyễn Lân Dũng VSV đất và sự chuyển hoá các hợp chất cacbon, nitơ NXB KH và Kỹ thuật Hà Nội 1984
3. Nguyễn Đức Lượng - Công nghệ VSV tập I, II NXB Đa Quốc gia TP HCM
4. Nguyễn Đức Lượng - Công nghệ VSV tập I, II NXB Đa Quốc gia TP HCM
5. Nguyễn Xuân Nguyên, Trần Quang Huy - Công nghệ xử lý nước thải và chất thải rắn NXB KH & KT Hà Nội 2004
6. Trần Hiếu Khuê [Chủ biên] Trần Đức Hạ - Lê Hiếu Thảo - Giáo trình các quá trình vi sinh trong các công trình cấp thoát nước. Trường Đại học Xây dựng hà Nội 1994
7. Lê Xuân Phương - Vi sinh vật công nghiệp - NXB Xây dựng Hà Nội
8. Trần Thanh - Công nghệ vi sinh NXB Giáo dục Hà Nội 2000
9. Trịnh Thị Thanh - Độc học môi trường và sức khoẻ con người - NXB Đại học Quốc gia Hà NỘi 2003
10. Trần Linh Thước, Phương pháp phân tích vi sinh vật học trong nước thực phẩm và mỹ phẩm, 2002, NXB giáo dục
11. Trần Cẩm Vân - Giáo trình VSV học môi trường NXB ĐH Quốc gia Hà Nội 2003
12. Trung tâm đào tạo ngành nước và môi trường Sổ tay xử lý nước Tập I, II XNB Xây dựng Hà nội 1999