XỬ LÝ SINH HỌC: ĐẶC ĐIỂM, LOẠI, ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM - SINH HỌC - 2025

Các xử lý sinh học là một tập hợp các công nghệ sinh học vệ sinh sử dụng khả năng trao đổi chất của vi sinh vật vi khuẩn, nấm, thực vật và / hoặc các enzym bị cô lập, để loại bỏ các chất ô nhiễm trong đất và nước.

Các vi sinh vật (vi khuẩn và nấm) và một số thực vật có thể biến đổi sinh học nhiều loại hợp chất hữu cơ gây ô nhiễm và độc hại, cho đến khi chúng không có hại hoặc vô hại. Chúng thậm chí có thể phân hủy sinh học một số hợp chất hữu cơ thành dạng đơn giản nhất, chẳng hạn như mêtan (CH ₄ ) và carbon dioxide (CO ₂ ).

Hình 1. Ô nhiễm môi trường do tràn dầu, sau đó được xử lý bằng phương pháp xử lý sinh học. Nguồn: commons.wikimedia.org

Một số vi sinh vật và thực vật cũng có thể chiết xuất hoặc cố định các nguyên tố hóa học độc hại, chẳng hạn như kim loại nặng, trong môi trường (in situ). Bằng cách cố định chất độc hại trong môi trường, nó không còn khả dụng đối với sinh vật sống và do đó không ảnh hưởng đến chúng.

Do đó, giảm sinh khả dụng của một chất độc hại cũng là một hình thức xử lý sinh học, mặc dù nó không bao hàm việc loại bỏ chất đó khỏi môi trường.

Hiện đang có mối quan tâm ngày càng tăng về mặt khoa học và thương mại trong việc phát triển các công nghệ tiết kiệm và ít tác động đến môi trường (hay “thân thiện với môi trường”), chẳng hạn như xử lý sinh học nước mặt và nước ngầm, bùn và đất bị ô nhiễm.

Đặc điểm của xử lý sinh học

Các chất ô nhiễm có thể được xử lý sinh học

Trong số các chất ô nhiễm đã được xử lý sinh học, là kim loại nặng, chất phóng xạ, chất ô nhiễm hữu cơ độc hại, chất nổ, các hợp chất hữu cơ có nguồn gốc từ dầu (hydrocacbon đa sắc hoặc HPA), phenol, trong số những chất khác.

Điều kiện hóa lý trong quá trình xử lý sinh học

Vì các quá trình xử lý sinh học phụ thuộc vào hoạt động của vi sinh vật và thực vật sống hoặc các enzym phân lập của chúng, nên các điều kiện hóa lý thích hợp phải được duy trì cho từng sinh vật hoặc hệ enzym, để tối ưu hóa hoạt động trao đổi chất của chúng trong quá trình xử lý sinh học.

Các yếu tố cần được tối ưu hóa và duy trì trong suốt quá trình xử lý sinh học

- Nồng độ và sinh khả dụng của chất ô nhiễm trong điều kiện môi trường: vì nếu quá cao nó có thể gây hại cho chính các vi sinh vật có khả năng biến đổi sinh học chúng.

-Độ ẩm: sự sẵn có của nước rất cần thiết cho các cơ thể sống, cũng như cho hoạt động của enzym của các chất xúc tác sinh học không tế bào. Nói chung, độ ẩm tương đối 12 đến 25% nên được duy trì trong đất đang trải qua quá trình xử lý sinh học.

-Nhiệt độ: nó phải nằm trong phạm vi cho phép sự tồn tại của các sinh vật được ứng dụng và / hoặc hoạt động enzym cần thiết.

-Các chất dinh dưỡng khả dụng sinh học: cần thiết cho sự phát triển và nhân lên của các vi sinh vật quan tâm. Chủ yếu, phải kiểm soát carbon, phốt pho và nitơ, cũng như một số khoáng chất thiết yếu.

- Độ axit hoặc độ kiềm của môi trường nước hoặc độ pH (đo ion H ⁺ trong môi trường).

- Sự sẵn có của oxy: trong hầu hết các kỹ thuật xử lý sinh học, vi sinh vật hiếu khí được sử dụng (ví dụ như trong ủ phân hữu cơ, biopiles và “trồng trọt trên đất liền”), và sục khí cho chất nền là cần thiết. Tuy nhiên, vi sinh vật kỵ khí có thể được sử dụng trong các quá trình xử lý sinh học, trong các điều kiện rất được kiểm soát trong phòng thí nghiệm (sử dụng lò phản ứng sinh học).

Các loại xử lý sinh học

Trong số các công nghệ sinh học xử lý vi sinh được áp dụng là:

Kích thích sinh học

Kích thích sinh học bao gồm kích thích tại chỗ các vi sinh vật đã có trong môi trường bị ô nhiễm (vi sinh vật tự tiêu), có khả năng xử lý sinh học chất gây ô nhiễm.

Kích thích sinh học tại chỗ đạt được bằng cách tối ưu hóa các điều kiện hóa lý để quá trình mong muốn xảy ra, nghĩa là; pH, oxy, độ ẩm, nhiệt độ, trong số những thứ khác, và bổ sung các chất dinh dưỡng cần thiết.

Phân đoạn sinh học

Quá trình phân mảnh sinh học liên quan đến việc tăng số lượng vi sinh vật quan tâm (tốt nhất là tự động), nhờ vào việc bổ sung chất cấy của chúng được nuôi trong phòng thí nghiệm.

Sau đó, khi các vi sinh vật quan tâm đã được cấy tại chỗ, các điều kiện hóa lý phải được tối ưu hóa (chẳng hạn như trong kích thích sinh học), để thúc đẩy hoạt động phân hủy của vi sinh vật.

Để áp dụng phân đoạn sinh học, chi phí nuôi cấy vi sinh vật trong các lò phản ứng sinh học trong phòng thí nghiệm phải được xem xét.

Cả kích thích sinh học và xác định sinh học có thể được kết hợp với tất cả các công nghệ sinh học khác được mô tả dưới đây.

Ủ

Ủ phân bao gồm trộn vật liệu bị ô nhiễm với đất không bị ô nhiễm được bổ sung chất dinh dưỡng và chất gây giống thực vật hoặc động vật. Hỗn hợp này tạo thành những hình nón cao tới 3 m, đặt cách nhau.

Quá trình oxy hóa các lớp bên dưới của nón phải được kiểm soát, thông qua việc loại bỏ chúng thường xuyên từ vị trí này sang vị trí khác bằng máy móc. Điều kiện tối ưu về độ ẩm, nhiệt độ, độ pH, chất dinh dưỡng, trong số những điều kiện khác, cũng phải được duy trì.

Hồ sơ sinh học

Kỹ thuật xử lý sinh học bằng biopiles cũng giống như kỹ thuật ủ phân được mô tả ở trên, ngoại trừ:

• Sự vắng mặt của các chất nhân giống có nguồn gốc thực vật hoặc động vật.
• Loại bỏ sự thông khí bằng cách di chuyển từ vị trí này sang vị trí khác.

Các biopiles được giữ cố định ở vị trí cũ, được sục khí trong các lớp bên trong của chúng thông qua một hệ thống ống, mà chi phí lắp đặt, vận hành và bảo trì phải được xem xét từ giai đoạn thiết kế của hệ thống.

Canh tác đất

Công nghệ sinh học được gọi là “landfarming” (dịch từ tiếng Anh: xới đất), bao gồm trộn vật liệu bị ô nhiễm (bùn hoặc trầm tích) với 30 cm đất đầu tiên không bị ô nhiễm của một khu vực rộng lớn.

Trong những cm đầu tiên của đất, sự thoái hóa của các chất gây ô nhiễm được thực hiện nhờ vào sự thông khí và khuấy trộn của nó. Máy móc nông nghiệp được sử dụng cho những công việc này, chẳng hạn như máy kéo cày.

Nhược điểm chính của khai thác ruộng đất là nó nhất thiết phải đòi hỏi những vùng đất rộng, có thể được sử dụng để sản xuất lương thực.

Phytoremediation

Xử lý thực vật, còn được gọi là vi sinh vật và xử lý sinh học do thực vật hỗ trợ, là một tập hợp các công nghệ sinh học dựa trên việc sử dụng thực vật và vi sinh vật để loại bỏ, giam giữ hoặc làm giảm độc tính của các chất gây ô nhiễm trong nước mặt hoặc nước ngầm, bùn và đất.

Trong quá trình xử lý thực vật, có thể xảy ra suy thoái, chiết xuất và / hoặc ổn định (giảm sinh khả dụng) của chất gây ô nhiễm. Những quá trình này phụ thuộc vào sự tương tác giữa thực vật và vi sinh vật sống rất gần rễ của chúng, trong một khu vực được gọi là sinh quyển.

Hình 2. Xử lý sinh học nước nhiễm thực vật và vi sinh vật. Nguồn: Wikyhelper, từ Wikimedia Commons

Xử lý thực vật đã đặc biệt thành công trong việc loại bỏ các kim loại nặng và các chất phóng xạ khỏi đất và nước mặt hoặc nước ngầm (hoặc lọc nước bị ô nhiễm).

Trong trường hợp này, thực vật tích lũy các kim loại từ môi trường trong các mô của chúng, sau đó được thu hoạch và đốt trong các điều kiện có kiểm soát, để chất ô nhiễm từ phân tán trong môi trường sang tập trung ở dạng tro.

Tro thu được có thể được xử lý để thu hồi kim loại (nếu nó có lợi cho kinh tế), hoặc có thể được bỏ ở những nơi xử lý chất thải cuối cùng.

Một nhược điểm của xử lý bằng thực vật là thiếu kiến ​​thức chuyên sâu về các tương tác xảy ra giữa các sinh vật liên quan (thực vật, vi khuẩn và có thể cả nấm rễ).

Mặt khác, các điều kiện môi trường thoả mãn nhu cầu của tất cả các sinh vật ứng dụng phải được duy trì.

Lò phản ứng sinh học

Lò phản ứng sinh học là những vật chứa có kích thước đáng kể, cho phép duy trì các điều kiện hóa lý được kiểm soát rất tốt trong môi trường nuôi cấy nước, với mục đích tạo điều kiện cho quá trình sinh học được quan tâm.

Các vi sinh vật vi khuẩn và nấm có thể được nuôi cấy trên quy mô lớn trong phòng thí nghiệm trong các lò phản ứng sinh học và sau đó được áp dụng trong các quy trình phân hủy sinh học tại chỗ. Các vi sinh vật cũng có thể được nuôi cấy nhằm mục đích thu được các enzym phân giải chất ô nhiễm của chúng.

Các lò phản ứng sinh học được sử dụng trong các quy trình xử lý sinh học tại chỗ, bằng cách trộn chất nền bị ô nhiễm với môi trường nuôi cấy vi sinh vật, tạo điều kiện thuận lợi cho sự phân hủy của chất ô nhiễm.

Các vi sinh vật được nuôi trong lò phản ứng sinh học thậm chí có thể kỵ khí, trong trường hợp đó, môi trường nuôi cấy nước phải không có oxy hòa tan.

Hình 3. Lò phản ứng sinh học. Nguồn: es.m.wikipedia.org

Trong số các công nghệ sinh học xử lý sinh học, việc sử dụng các lò phản ứng sinh học là tương đối tốn kém, do việc bảo trì thiết bị và các yêu cầu về nuôi cấy vi sinh vật.

Xử lý vi mô

Việc sử dụng các vi sinh vật nấm (nấm cực nhỏ) trong các quá trình xử lý sinh học của một chất ô nhiễm độc hại được gọi là phương pháp xử lý mycorremediation.

Cần lưu ý rằng việc nuôi cấy vi nấm thường phức tạp hơn vi khuẩn và do đó đồng nghĩa với việc chi phí cao hơn. Hơn nữa, nấm phát triển và sinh sản chậm hơn vi khuẩn, với quá trình xử lý sinh học được hỗ trợ bởi nấm là một quá trình chậm hơn.

Xử lý sinh học so với các công nghệ vật lý và hóa học thông thường

-Lợi thế

Công nghệ sinh học xử lý sinh học tiết kiệm và thân thiện với môi trường hơn nhiều so với các công nghệ vệ sinh môi trường vật lý và hóa học được áp dụng thông thường.

Điều này có nghĩa là việc áp dụng xử lý sinh học có tác động đến môi trường thấp hơn so với các phương pháp hóa lý thông thường.

Mặt khác, trong số các vi sinh vật được ứng dụng trong các quá trình xử lý sinh học, một số thậm chí có thể khoáng hóa các hợp chất gây ô nhiễm, đảm bảo chúng biến mất khỏi môi trường, một điều khó đạt được trong một bước với các quá trình hóa lý thông thường.

-Nhược điểm và các khía cạnh cần xem xét

Khả năng trao đổi chất của vi sinh vật tồn tại trong tự nhiên

Do chỉ có 1% số vi sinh vật tồn tại trong tự nhiên được phân lập, một hạn chế của xử lý sinh học là xác định chính xác các vi sinh vật có khả năng phân hủy sinh học một chất gây ô nhiễm cụ thể.

Thiếu kiến ​​thức về hệ thống ứng dụng

Mặt khác, xử lý sinh học hoạt động với một hệ thống phức tạp của hai hoặc nhiều sinh vật sống, điều này thường chưa được hiểu đầy đủ.

Một số vi sinh vật được nghiên cứu đã biến đổi sinh học các hợp chất gây ô nhiễm thành các sản phẩm phụ độc hại hơn. Vì lý do này, trước đây cần phải nghiên cứu sâu các sinh vật xử lý sinh học và tương tác của chúng trong phòng thí nghiệm.

Ngoài ra, các thử nghiệm thí điểm quy mô nhỏ (tại hiện trường) phải được thực hiện trước khi áp dụng chúng hàng loạt, và cuối cùng các quá trình xử lý sinh học phải được giám sát tại chỗ, để đảm bảo rằng vệ sinh môi trường diễn ra chính xác.

Ngoại suy các kết quả thu được trong phòng thí nghiệm

Do tính phức tạp cao của các hệ thống sinh học, các kết quả thu được ở quy mô nhỏ trong phòng thí nghiệm không thể luôn luôn được ngoại suy cho các quá trình thực địa.

Đặc điểm riêng của từng quy trình xử lý sinh học

Mỗi quy trình xử lý sinh học bao gồm một thiết kế thí nghiệm cụ thể, theo các điều kiện cụ thể của địa điểm bị ô nhiễm, loại chất gây ô nhiễm được xử lý và các sinh vật được áp dụng.

Sau đó, điều cần thiết là các quá trình này được chỉ đạo bởi các nhóm chuyên gia liên ngành, trong số họ phải là nhà sinh học, nhà hóa học, kỹ sư, và những người khác.

Việc duy trì các điều kiện hóa lý môi trường để tạo điều kiện cho sự phát triển và hoạt động trao đổi chất được quan tâm, ngụ ý một công việc thường xuyên trong quá trình xử lý sinh học.

Thời gian cần thiết

Cuối cùng, các quá trình xử lý sinh học có thể mất nhiều thời gian hơn các quá trình hóa lý thông thường.

Người giới thiệu

1. Adams, GO, Tawari-Fufeyin, P. Igelenyah, E. (2014). Xử lý sinh học đối với đất nhiễm dầu đã qua sử dụng phân gia cầm. Tạp chí Nghiên cứu về Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng3 (2) 124-130
2. Adams, O. (2015). "Xử lý sinh học, kích thích sinh học và phân đoạn sinh học: Đánh giá". Tạp chí Internation về Xử lý sinh học Môi trường và Kiểm định Sinh học. 3 (1): 28–39.
3. Boopathy, R. (2000). "Các yếu tố hạn chế công nghệ xử lý sinh học". Công Nghệ Nguyên Liệu Sinh Học. 74: 63–7. doi: 10.1016 / S0960-8524 (99) 00144-3.
4. Eweis JB, Ergas, SJ, Chang, DPY và Schoeder, D. (1999). Nguyên tắc của Biorecovery. McGraw-Hill Interamericana của Tây Ban Nha, Madrid. trang 296.
5. Madigan, MT, Martinko, JM, Bender, KS, Buckley, DH Stahl, DA và Brock, T. (2015). Brock sinh học vi sinh vật. 14 ed. Benjamin Cummings. trang 1041.
6. McKinney, RE (2004). Vi sinh kiểm soát ô nhiễm môi trường. M. Dekker. trang 453.
7. Pilon-Smits E. 2005. Phytoremediation. Annu. Rev. Plant Biol.56: 15-39.