VAI TRÒ CỦA VI SINH VẬT TRONG SẢN XUẤT PHÂN COMPOST
1. Đặt vấn đề Khái quát về phân compost
Sự phát triển khoa học kĩ thuật dẫn đến sự phát triển mạnh mẽ các ngành công nghiệp song song với nó là sự bùng nổ về dân số kéo theo vấn nạn chất thải gây ô nhiễm môi trường.
Hiện nay, ô nhiễm môi trường đã và đang trở thành vấn đề cấp thiết và được quan tâm trên toàn thế giới. Lượng rác thải trong sinh hoạt và hoạt động công nghiệp thải ra môi trường ngày càng nhiều trong khi lượng rác được xử lí để an toàn cho môi trường thì không tương xứng. Xử lí rác thải là việc làm r ất cần thiết, tuy nhiên hiện nay, những công nghệ xử lí rác thải truyền thống như: chôn lấp, đốt,… không mang lại hiệu quả cao, và chưa là giải pháp hữu hiệu để bảo vệ môi trường. Đứng trước những thực trạng trên, đòi hỏi cần có những giải pháp lâu dài, hiệu quả, mang tính công nghệ và đặc biệt là an toàn cho môi trường để xử lí rác thải.
Ngày nay, sự phát triển của công nghệ sinh học đặc biệt là công nghệ vi sinh vật ngày càng đóng một vai trò quan tr ọng trong lĩnh vực bảo vệ môi trường. Nhiều qui trình công nghệ xử lí ô nhiễm môi trường hiện tại được xây dựng trên cơ sở tham gia tích cực của vi sinh vật.
2. Khái quát về phân compost
Nguyên liệu để sản xuất phân hữu cơ sinh học là những phế thải nông, lâm sản, các trại chăn nuôi, các xí nghiệp chế biến thực phẩm, thủy sản… những phế phẩm này rất giàu những hợp chất hữu cơ như xenlulozơ (glucan), hemixenlulozơ (xylan), đường – bột, pectin, hợp chất xenlulo – lignin, các hợp chất chứa N (acid nucleic, pepton, acid amin), chất béo và các phức chất của chúng… Các hợp chất có phân tử lượng lớn này sẽ bị các enzyme do vi sinh vật sinh ra thủy phân thành những chất có phân tử lượng nhỏ dần, rồi thành các chất khoáng dinh dưỡng cần thiết cho cây trồng. Trong quá trình phân giải này, các sản phẩm trung gian cũng là những chất dinh dưỡng cho các vi sinh vật dị dưỡng hoại sinh. Vi sinh vật phát triển làm tăng tốc độ phân giải hợp chất hữu cơ, đồng thời làm tăng sinh khối, tăng giá trị, chất lượng của chất mùn tạo thành. Quy trình ủ phân compost phải trải qua 2 quá trình là hiếu khí và kị khí với sự tham gia của các nhóm vi sinh vật đặc trưng của từng quá trình.
3. Vi sinh vật trong quá trình ủ phân compost
+ Vi sinh vật trong quá trình hiếu khí
Quá trình ủ hiếu khí có sự tham gia của ôxy không khí. Ở giai đoạn này các vi sinh vật hiếu khí đóng vai trò chủ yếu, sau đó là các vi sinh vật kị khí tùy tiện tham gia. Các vi sinh vật kị khí nghiêm ngặt không tham gia trong giai đoạn này.
Vi khuẩn, xạ khuẩn, nấm (trừ nấm men) đều tham gia vào quá trình phân giải các chất hữu cơ ở điều kiện hiếu khí. Nấm men chỉ sử dụng được đường đơn, đường đôi và ít phần đường ba; còn phân hủy các hợp chất cao phân tử thì rất ít chủng có khả năng này.
Ở trong đất thấy đủ các nhóm vi sinh vật. Đối với đất thường xuyên canh tác nhiều mùn tơi xốp, trung tính ta thấy số lượng vi sinh vật rất phong phú. Lớp trên cùng khi cày xới bị ánh sáng mặt trời chiếu rọi, số lượng vi sinh vật ít, nhưng lớp dưới khoảng 20cm thì rất nhiều. Ở đây ta thấy đủ mặt vi khuẩn, vi nấm và xạ khuẩn. Xạ khuẩn và nấm mốc là những cơ thể hiếu khí. Ở trong đất chúng cùng với vi khuẩn đóng vai trò quan trọng làm tăng độ phì của đất cũng như làm sạch các chất ô nhiễm.
Trong đống ủ phân compost thì vi nấm và xạ khuẩn đóng vai trò quan trọng, đặc biệt trong phân giải glucan và xylan. Đối với những vật liệu có độ ẩm từ 35%, vi nấm sẽ phát triển trước tiên, nếu độ ẩm tăng lên nữa thì vi khuẩn sẽ phát triển cùng với nấm mốc và xạ khuẩn.
Trong số nấm mốc thì các nấm sợi thuộc lớp nấm bất toàn (Deutromycetes) và giống nấm túi (Ascomycetes) phát triển ở pH khá rộng (2 – 11). Các chi nấm sợi thường gặp như: Aspergillus, Penicillium, và Trichoderma.v.v… đây là những chủng nấm có khả năng sinh enzyme glucanase va xylanase phân hủy xenlulozơ và hemixenlulozơ.
Các giống vi khuẩn hiếu khí: Bacillus, Flavobacterium và Pseudomonas khá phổ biến. Ngoài ra cón có Achoromobacter, Cellulomonas, Vibrio, Cellvibrio, Cytophaga, Agricoccus, Polyngium, Sporocytophaga, Saragium, Archargium, Promyxobacterium… Người ta còn thấy nhóm cổ khuẩn ưa nhiệt cũng xuất hiện trong giai đoạn này.
Xạ khuẩn có các giống Micromonospora, Proactinomyces, Actinomyces, Streptomyces, Tretosporangium.v.v…
+ Vi sinh vật trong quá trình kị khí
Trong thực tế, các loại đống ủ xác động vật, thực vật khó có điều kiện kị thí tuyệt đối. Trong đống ủ thường có các khe hở và dù đống ủ được phủ kín, kể cả chôn lấp thì vẫn có không khí. Vì vậy thời gian đầu các đống ủ, bể ủ này thường xảy ra các quá trình hiếu khí và khi không khí hết, CO2 sinh ra choáng chỗ môi trường sẽ chuyển sang kị khí ở bên trong đống ủ, còn bên ngoài vẫn có thể là hiếu khí.
Các vi sinh vật phát triển trong giai đoạn này là nhóm vi hiếu khí, kị khí nghiêm ngặt và vẫn có sự có mặt củ nhóm vi sinh hiếu khí (bên ngoài của đống ủ) nhưng tất cả đều thuộc nhóm ưa ấm (40 – 50oC) hay ưa nhiệt độ cao (> 60oC).
Những loài nấm ưa nhiệt thường xuất hiện như Chaetonium thermophile, Humicola insolens, Humicola lanuginosus, Thermoascus aurantiacus, Pealomyces-giả nấm và Aspergillus fumigatus.v.v… chúng tham gia vào quá trình phân giải tiếp tục xenlulozơ,
hemixenlulozơ trong đống ủ.
Những vi khuẩn xuất hiện ở giai đoạn này như Pseudomonas denitrificans, Bacillus licheniformis, Thiobacillus denitrificans, Ruminococcus flavefeciens, R. albus, R. parvum, Bacteroides succinpgenes, Butyrivibrio fibrisolvens, Clostridium cellobioparum, Methanobacterium omelianskii, Methanosarcina barkerlii, Methanopropionicum .v.v…Những vi khuẩn này bên cạnh khả năng tiết enzyme phân giải glucan va xylan chúng còn có khả năng khử NO3- thành N2; SO42- thành H2S; khử H2S thành S và biến đổi các chất hữu cơ như acid propionic, acid acetic, acid butyric…thành khí metan CH4 vì vậy bên cạnh phân hữu cơ người ta còn thu được cả khí đốt trong quá trình ủ phân compost từ rác thải và phân.
5. Các chế phẩm vi sinh vật dùng bổ sung vào thời gian ủ phân compost
Dựa vào hệ vi sinh vật có mặt và hoạt động trong các bể ủ các bã thực vật mà người ta tạo ra các chế phẩm vi sinh để bổ sung vào các bể ủ hay thiết bị lên men phân giải để đẩy nhanh quá trình phân hủy và nâng cao hiệu quả.
+ Chế phẩm vi sinh hiếu khí
Nên chọn những chủng vi sinh (vi khuẩn, nấm mốc, xạ khuẩn) thuần khiết của phòng thí nghiệm rồi nuôi cấy thu sinh khối, sau đó thêm chất mang để thành dạng bột rồi dùng dần.
Vi khuẩn nên chọn những chủng thuộc giống Bacillus như: B. subtilis, B. mesentericus, B. megatherium, B. lichenniformis, B. thermophilus…
Nấm mốc thì nên chọn Aspergillus oryzae, A. niger, Rhizopus đặc biệt là Trichoderma viride và Cheatonium cellulolyticum. Qua nghiên cứu người ta thấy rằng những chủng nấm Trichoderma ưa ấm và có hoạt tính xenlulaza rất cao, nhưng Cha. cellulolyticum ưa nhiệt có thể phân hủy lignin nhanh gấp 1,5 – 2 lần so với Trichoderma.
Xạ khuẩn nên chọn các chủng có mặt khi nhiệt độ khối ủ khoảng 65 – 70oC và có thể giữ thuần khiết ở dạng bào tử.
+ Chế phẩm vi sinh vật kị khí
Chế phẩm đơn giản nhất là từ phân trâu, bò tươi vì có nguồn vi sinh vật kị khí phong phú. Thường trộn với nguyên liệu ủ theo tỉ lệ 1:10.
Nguồn thứ hai là dịch rỉ từ các bể chứa phân hay bùn của các bể này.
Nguồn thứ ba là bùn hoạt tính của bể kị khí trong dây chuyền xử lý nước thải.
Cũng có thể phân lập và tuyển chọn các chủng vi khuẩn kị khí trước hết là loài thuộc chi Clostridium. Công việc này đòi hỏi phải có kĩ thuật cao vì phân lập vi khuẩn kị khí nghiêm ngặt là rất khó khăn.
5. Kết luận
Công nghệ vi sinh vật xử lí chất thải là một trong những hướng phát triển ưu tiên hàng đầu trong đó chú trọng sử dụng các công nghệ sạch tạo đà cho việc phát triển bền vững. Các quá trình xử lí chất thải bằng biện pháp sinh học mà vai trò chính là sự đóng góp của các loài vi sinh vật nhằm bảo vệ các giá trị của môi trường thiên nhiên.
Công nghệ phân hủy chất thải bằng vi sinh vật dựa trên cơ sở loại bỏ hỗn hợp nhiều chất có trong chất thải và tái sử dụng chúng. Ứng dụng công nghệ vi sinh vật xử lí chất thải sẽ tăng cường khả năng phân hủy các chất, giảm thời gian phân hủydẫn đến giảm giá thành sản phẩm.
Tóm lại, công nghệ vi sinh vật xử lí chất thải là sự phát triển của công nghệ sinh học nhằm ứng dụng vi sinh vật và các cấu phần của tế bào vi sinh vật để sản xuất các chế phẩm có giá trị mới và ứng dụng các quá trình công nghệ mới, thích hợp trong bảo vệ và phục hồi chất lượng môi trường sống của con người.
1. Đặt vấn đề Khái quát về phân compost
Sự phát triển khoa học kĩ thuật dẫn đến sự phát triển mạnh mẽ các ngành công nghiệp song song với nó là sự bùng nổ về dân số kéo theo vấn nạn chất thải gây ô nhiễm môi trường.
Hiện nay, ô nhiễm môi trường đã và đang trở thành vấn đề cấp thiết và được quan tâm trên toàn thế giới. Lượng rác thải trong sinh hoạt và hoạt động công nghiệp thải ra môi trường ngày càng nhiều trong khi lượng rác được xử lí để an toàn cho môi trường thì không tương xứng. Xử lí rác thải là việc làm r ất cần thiết, tuy nhiên hiện nay, những công nghệ xử lí rác thải truyền thống như: chôn lấp, đốt,… không mang lại hiệu quả cao, và chưa là giải pháp hữu hiệu để bảo vệ môi trường. Đứng trước những thực trạng trên, đòi hỏi cần có những giải pháp lâu dài, hiệu quả, mang tính công nghệ và đặc biệt là an toàn cho môi trường để xử lí rác thải.
Ngày nay, sự phát triển của công nghệ sinh học đặc biệt là công nghệ vi sinh vật ngày càng đóng một vai trò quan tr ọng trong lĩnh vực bảo vệ môi trường. Nhiều qui trình công nghệ xử lí ô nhiễm môi trường hiện tại được xây dựng trên cơ sở tham gia tích cực của vi sinh vật.
2. Khái quát về phân compost
Nguyên liệu để sản xuất phân hữu cơ sinh học là những phế thải nông, lâm sản, các trại chăn nuôi, các xí nghiệp chế biến thực phẩm, thủy sản… những phế phẩm này rất giàu những hợp chất hữu cơ như xenlulozơ (glucan), hemixenlulozơ (xylan), đường – bột, pectin, hợp chất xenlulo – lignin, các hợp chất chứa N (acid nucleic, pepton, acid amin), chất béo và các phức chất của chúng… Các hợp chất có phân tử lượng lớn này sẽ bị các enzyme do vi sinh vật sinh ra thủy phân thành những chất có phân tử lượng nhỏ dần, rồi thành các chất khoáng dinh dưỡng cần thiết cho cây trồng. Trong quá trình phân giải này, các sản phẩm trung gian cũng là những chất dinh dưỡng cho các vi sinh vật dị dưỡng hoại sinh. Vi sinh vật phát triển làm tăng tốc độ phân giải hợp chất hữu cơ, đồng thời làm tăng sinh khối, tăng giá trị, chất lượng của chất mùn tạo thành. Quy trình ủ phân compost phải trải qua 2 quá trình là hiếu khí và kị khí với sự tham gia của các nhóm vi sinh vật đặc trưng của từng quá trình.
3. Vi sinh vật trong quá trình ủ phân compost
+ Vi sinh vật trong quá trình hiếu khí
Quá trình ủ hiếu khí có sự tham gia của ôxy không khí. Ở giai đoạn này các vi sinh vật hiếu khí đóng vai trò chủ yếu, sau đó là các vi sinh vật kị khí tùy tiện tham gia. Các vi sinh vật kị khí nghiêm ngặt không tham gia trong giai đoạn này.
Vi khuẩn, xạ khuẩn, nấm (trừ nấm men) đều tham gia vào quá trình phân giải các chất hữu cơ ở điều kiện hiếu khí. Nấm men chỉ sử dụng được đường đơn, đường đôi và ít phần đường ba; còn phân hủy các hợp chất cao phân tử thì rất ít chủng có khả năng này.
Ở trong đất thấy đủ các nhóm vi sinh vật. Đối với đất thường xuyên canh tác nhiều mùn tơi xốp, trung tính ta thấy số lượng vi sinh vật rất phong phú. Lớp trên cùng khi cày xới bị ánh sáng mặt trời chiếu rọi, số lượng vi sinh vật ít, nhưng lớp dưới khoảng 20cm thì rất nhiều. Ở đây ta thấy đủ mặt vi khuẩn, vi nấm và xạ khuẩn. Xạ khuẩn và nấm mốc là những cơ thể hiếu khí. Ở trong đất chúng cùng với vi khuẩn đóng vai trò quan trọng làm tăng độ phì của đất cũng như làm sạch các chất ô nhiễm.
Trong đống ủ phân compost thì vi nấm và xạ khuẩn đóng vai trò quan trọng, đặc biệt trong phân giải glucan và xylan. Đối với những vật liệu có độ ẩm từ 35%, vi nấm sẽ phát triển trước tiên, nếu độ ẩm tăng lên nữa thì vi khuẩn sẽ phát triển cùng với nấm mốc và xạ khuẩn.
Trong số nấm mốc thì các nấm sợi thuộc lớp nấm bất toàn (Deutromycetes) và giống nấm túi (Ascomycetes) phát triển ở pH khá rộng (2 – 11). Các chi nấm sợi thường gặp như: Aspergillus, Penicillium, và Trichoderma.v.v… đây là những chủng nấm có khả năng sinh enzyme glucanase va xylanase phân hủy xenlulozơ và hemixenlulozơ.
Các giống vi khuẩn hiếu khí: Bacillus, Flavobacterium và Pseudomonas khá phổ biến. Ngoài ra cón có Achoromobacter, Cellulomonas, Vibrio, Cellvibrio, Cytophaga, Agricoccus, Polyngium, Sporocytophaga, Saragium, Archargium, Promyxobacterium… Người ta còn thấy nhóm cổ khuẩn ưa nhiệt cũng xuất hiện trong giai đoạn này.
Xạ khuẩn có các giống Micromonospora, Proactinomyces, Actinomyces, Streptomyces, Tretosporangium.v.v…
+ Vi sinh vật trong quá trình kị khí
Trong thực tế, các loại đống ủ xác động vật, thực vật khó có điều kiện kị thí tuyệt đối. Trong đống ủ thường có các khe hở và dù đống ủ được phủ kín, kể cả chôn lấp thì vẫn có không khí. Vì vậy thời gian đầu các đống ủ, bể ủ này thường xảy ra các quá trình hiếu khí và khi không khí hết, CO2 sinh ra choáng chỗ môi trường sẽ chuyển sang kị khí ở bên trong đống ủ, còn bên ngoài vẫn có thể là hiếu khí.
Các vi sinh vật phát triển trong giai đoạn này là nhóm vi hiếu khí, kị khí nghiêm ngặt và vẫn có sự có mặt củ nhóm vi sinh hiếu khí (bên ngoài của đống ủ) nhưng tất cả đều thuộc nhóm ưa ấm (40 – 50oC) hay ưa nhiệt độ cao (> 60oC).
Những loài nấm ưa nhiệt thường xuất hiện như Chaetonium thermophile, Humicola insolens, Humicola lanuginosus, Thermoascus aurantiacus, Pealomyces-giả nấm và Aspergillus fumigatus.v.v… chúng tham gia vào quá trình phân giải tiếp tục xenlulozơ,
hemixenlulozơ trong đống ủ.
Những vi khuẩn xuất hiện ở giai đoạn này như Pseudomonas denitrificans, Bacillus licheniformis, Thiobacillus denitrificans, Ruminococcus flavefeciens, R. albus, R. parvum, Bacteroides succinpgenes, Butyrivibrio fibrisolvens, Clostridium cellobioparum, Methanobacterium omelianskii, Methanosarcina barkerlii, Methanopropionicum .v.v…Những vi khuẩn này bên cạnh khả năng tiết enzyme phân giải glucan va xylan chúng còn có khả năng khử NO3- thành N2; SO42- thành H2S; khử H2S thành S và biến đổi các chất hữu cơ như acid propionic, acid acetic, acid butyric…thành khí metan CH4 vì vậy bên cạnh phân hữu cơ người ta còn thu được cả khí đốt trong quá trình ủ phân compost từ rác thải và phân.
5. Các chế phẩm vi sinh vật dùng bổ sung vào thời gian ủ phân compost
Dựa vào hệ vi sinh vật có mặt và hoạt động trong các bể ủ các bã thực vật mà người ta tạo ra các chế phẩm vi sinh để bổ sung vào các bể ủ hay thiết bị lên men phân giải để đẩy nhanh quá trình phân hủy và nâng cao hiệu quả.
+ Chế phẩm vi sinh hiếu khí
Nên chọn những chủng vi sinh (vi khuẩn, nấm mốc, xạ khuẩn) thuần khiết của phòng thí nghiệm rồi nuôi cấy thu sinh khối, sau đó thêm chất mang để thành dạng bột rồi dùng dần.
Vi khuẩn nên chọn những chủng thuộc giống Bacillus như: B. subtilis, B. mesentericus, B. megatherium, B. lichenniformis, B. thermophilus…
Nấm mốc thì nên chọn Aspergillus oryzae, A. niger, Rhizopus đặc biệt là Trichoderma viride và Cheatonium cellulolyticum. Qua nghiên cứu người ta thấy rằng những chủng nấm Trichoderma ưa ấm và có hoạt tính xenlulaza rất cao, nhưng Cha. cellulolyticum ưa nhiệt có thể phân hủy lignin nhanh gấp 1,5 – 2 lần so với Trichoderma.
Xạ khuẩn nên chọn các chủng có mặt khi nhiệt độ khối ủ khoảng 65 – 70oC và có thể giữ thuần khiết ở dạng bào tử.
+ Chế phẩm vi sinh vật kị khí
Chế phẩm đơn giản nhất là từ phân trâu, bò tươi vì có nguồn vi sinh vật kị khí phong phú. Thường trộn với nguyên liệu ủ theo tỉ lệ 1:10.
Nguồn thứ hai là dịch rỉ từ các bể chứa phân hay bùn của các bể này.
Nguồn thứ ba là bùn hoạt tính của bể kị khí trong dây chuyền xử lý nước thải.
Cũng có thể phân lập và tuyển chọn các chủng vi khuẩn kị khí trước hết là loài thuộc chi Clostridium. Công việc này đòi hỏi phải có kĩ thuật cao vì phân lập vi khuẩn kị khí nghiêm ngặt là rất khó khăn.
5. Kết luận
Công nghệ vi sinh vật xử lí chất thải là một trong những hướng phát triển ưu tiên hàng đầu trong đó chú trọng sử dụng các công nghệ sạch tạo đà cho việc phát triển bền vững. Các quá trình xử lí chất thải bằng biện pháp sinh học mà vai trò chính là sự đóng góp của các loài vi sinh vật nhằm bảo vệ các giá trị của môi trường thiên nhiên.
Công nghệ phân hủy chất thải bằng vi sinh vật dựa trên cơ sở loại bỏ hỗn hợp nhiều chất có trong chất thải và tái sử dụng chúng. Ứng dụng công nghệ vi sinh vật xử lí chất thải sẽ tăng cường khả năng phân hủy các chất, giảm thời gian phân hủydẫn đến giảm giá thành sản phẩm.
Tóm lại, công nghệ vi sinh vật xử lí chất thải là sự phát triển của công nghệ sinh học nhằm ứng dụng vi sinh vật và các cấu phần của tế bào vi sinh vật để sản xuất các chế phẩm có giá trị mới và ứng dụng các quá trình công nghệ mới, thích hợp trong bảo vệ và phục hồi chất lượng môi trường sống của con người.
