Xử lý sinh học là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa Xử lý Sinh học

Xử lý sinh học (biological treatment) là quá trình sử dụng vi sinh vật hoặc enzyme để chuyển hóa các chất ô nhiễm hữu cơ và vô cơ thành các sản phẩm có độ độc thấp hơn hoặc vô hại. Công nghệ này tận dụng khả năng phân hủy tự nhiên của các chủng vi khuẩn, nấm men, tảo và enzyme trong điều kiện hiếu khí hoặc yếm khí nhằm loại bỏ BOD, COD, chất dinh dưỡng và kim loại nặng.

Xử lý sinh học được ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước thải công nghiệp, nước thải sinh hoạt, khí thải và đất ô nhiễm. Điểm đặc biệt của phương pháp là chi phí năng lượng tương đối thấp so với xử lý hóa lý, đồng thời tạo ra sản phẩm phụ có thể tái sử dụng như khí methane hoặc phân bùn giàu dinh dưỡng.

Đặc tính linh hoạt của xử lý sinh học cho phép thiết kế các quy trình theo dạng bùn hoạt tính, bể màng sinh học, hệ thống kỵ khí hoặc tháp vi sinh mặt tiếp xúc (biofilm reactor). Mỗi dạng hệ thống điều chỉnh theo yêu cầu tải ô nhiễm, thành phần chất ô nhiễm và điều kiện vận hành để đảm bảo hiệu quả phân hủy tối ưu.

Quy trình và Cơ chế Phân hủy

Quá trình phân hủy sinh học gồm hai giai đoạn chính: đồng hóa (assimilation) và dị hóa (dissimilation). Trong giai đoạn đồng hóa, vi sinh vật hấp thu các phân tử hữu cơ làm nguồn carbon và năng lượng, tổng hợp thành tế bào và enzyme.

Giai đoạn dị hóa bao gồm chuỗi phản ứng oxy hóa sinh học, trong đó chất ô nhiễm bị oxy hóa thành CO₂, H₂O, NH₄⁺, SO₄²⁻ hoặc các hợp chất trung gian ít độc. Quá trình này thường diễn ra trong bể hiếu khí với sự cung cấp đủ oxy hoặc trong bể yếm khí khi không có oxy tự do.

Công thức tổng quát mô tả phân hủy cacbon hữu cơ dưới điều kiện hiếu khí:

$\ce{C_xH_yO_z + O2 -> CO2 + H2O}$

Các Phương pháp Chính

Xử lý yếm khí (anaerobic digestion) thực hiện trong bể kín không có oxy, tạo khí sinh học chủ yếu gồm CH₄ và CO₂, đồng thời giảm khối lượng chất rắn. Sản phẩm khí methane thu được có thể sử dụng làm nguồn năng lượng tái tạo (EPA Anaerobic Digestion).

Xử lý hiếu khí (activated sludge) sử dụng bùn hoạt tính trong bể sục khí để oxy hóa chất ô nhiễm. Khí nén hoặc quạt khí cung cấp oxy hòa tan, thúc đẩy vi sinh vật phát triển và phân hủy BOD, COD, N và P.

• Bioreactor màng (MBR): kết hợp xử lý sinh học và màng lọc để tách vi sinh vật và nâng cao chất lượng nước sau xử lý.
• Bioaugmentation: bổ sung các chủng vi sinh có khả năng phân hủy đặc thù để cải thiện hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm khó phân hủy.
• Biostimulation: thêm chất dinh dưỡng hoặc điều chỉnh pH để kích thích hoạt tính của cộng đồng vi sinh bản địa.

Yếu tố Ảnh hưởng đến Hiệu quả

Nhiệt độ và pH là hai thông số quan trọng nhất, ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt tính enzyme và tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật. Nhiệt độ tối ưu thường nằm trong khoảng 20–35 °C cho hệ hiếu khí và 35–55 °C cho hệ yếm khí.

Thành phần chất ô nhiễm, bao gồm tính tan trong nước, độ nhớt và cấu trúc phân tử, quyết định vi sinh vật có tiếp cận và phân hủy hiệu quả hay không. Chất thơm vòng, phenol hay hợp chất halogen hóa thường khó phân hủy hơn so với carbohydrate hoặc lipid.

Quản lý bùn tuần hoàn, thời gian giữ chất rắn (SRT) và lưu lượng thủy lực (HRT) cũng là các thông số thiết kế quan trọng, giúp kiểm soát mật độ vi sinh và thời gian tiếp xúc để đạt hiệu quả xử lý ổn định.

Ứng dụng trong Xử lý Nước Thải

Nước thải sinh hoạt và công nghiệp chứa nồng độ BOD, COD, chất dinh dưỡng (N, P) và các vi sinh vật gây bệnh cao. Hệ thống bùn hoạt tính (activated sludge) là công nghệ hiếu khí phổ biến nhất, tận dụng quạt khí hoặc máy thổi để duy trì DO >2 mg/L, giúp vi sinh vật phân hủy hầu hết hợp chất hữu cơ.

Bể lắng thứ cấp sau quá trình hiếu khí tách sinh khối vi sinh và bùn cặn, trả lại nước đã xử lý đạt tiêu chuẩn thải. Việc kiểm soát tỷ lệ bùn tuần hoàn (Return Activated Sludge, RAS) khoảng 20–30% lưu lượng bể lắng giúp duy trì mật độ vi sinh ổn định và tăng hiệu quả loại bỏ BOD.

• Loại bỏ BOD₅ và COD: >90%
• Khử amoni (nitrification): 95–98% dưới điều kiện pH 7–8, nhiệt độ 15–25 °C.
• Khử nitrat (denitrification): 80–90% khi có nguồn carbon hòa tan trong giai đoạn yếm khí (WHO Nutrient Removal).

Công nghệ MBR (Membrane Bioreactor) kết hợp bùn hoạt tính và màng lọc vi lỗ cho chất lượng nước sau xử lý tương đương nước cấp, đảm bảo loại bỏ vi khuẩn và virus, giảm footprint và tiết kiệm diện tích (EPA Anaerobic Digestion).

Ứng dụng trong Xử lý Đất và Trầm tích

Đất ô nhiễm hydrocarbon, kim loại nặng hoặc dioxin thường đòi hỏi bioremediation tại chỗ (in situ) hoặc ngoài vị trí (ex situ). Bioventing và biosparging cung cấp khí (O₂ cho hệ hiếu khí, khí CO₂/N₂ cho hệ yếm khí) trực tiếp vào vùng ô nhiễm để kích thích vi sinh vật bản địa phân hủy.

Phytoremediation sử dụng cây trồng như cây hương bồ đề (Populus spp.) và đậu nành để hấp thu kim loại và xenobiotic, kết hợp với vi sinh trong rễ tăng cường phá vỡ cấu trúc hợp chất độc (USGS Bioremediation).

• Biopiles (đống sinh học): trộn đất ô nhiễm với lõi vi sinh và chất bổ sung dinh dưỡng.
• Bioslurries: xử lý đất dạng bùn trong bể kín, kiểm soát pH và dinh dưỡng.
• Phytostabilization: giữ cố định kim loại nặng, ngăn lan truyền qua nước rỉ rác.

Các Hệ thống Vi sinh Vật

Chủng vi sinh vật thường dùng bao gồm Pseudomonas, Bacillus, Rhodococcus cho phân hủy hydrocarbon; Phanerochaete chrysosporium và các loài nấm mốc trắng phân tán lignin cho xử lý chất thơm thơm vòng; Saccharomyces cerevisiae cho xử lý bùn kỵ khí.

Vi tảo và động vật nguyên sinh trong bể hiếu khí giúp hấp thu NH₄⁺ và PO₄³⁻, cải thiện chất lượng bùn và giảm bùn dư. Enzyme ngoại bào như laccase và peroxidase dùng để phá vỡ liên kết thơm, hỗ trợ biostimulation trong đất ô nhiễm.

Bioaugmentation bổ sung chủng tương thích giúp tăng tốc độ phân hủy khi hệ vi sinh bản địa yếu, đặc biệt với chất PCB, TPH và chloride. Việc lựa chọn chủng yêu cầu thử nghiệm độc tính, khả năng sinh trưởng và kháng stress môi trường.

Đánh giá Hiệu quả và Đo lường

Hiệu quả xử lý sinh học đánh giá qua chỉ số BOD₅, COD, TOC, TSS trước và sau xử lý. Phương trình phản ứng bậc nhất mô tả tốc độ phân hủy:

$\frac{dC}{dt} = -kC$

Trong đó C là nồng độ chất ô nhiễm (mg/L), k là hằng số tốc độ (ngày⁻¹). Hệ số k thay đổi tùy vào điều kiện vận hành và loại chất ô nhiễm.

• Đo tổng ADN và hoạt tính enzyme (dehydrogenase, urease) phản ánh sinh khối vi sinh.
• Phân tích khí sinh học (CH₄, CO₂, H₂S) trong hệ kỵ khí để đánh giá hiệu suất sản xuất năng lượng và loại bỏ COD.
• Đo pH, DO, nhiệt độ, độ dẫn điện để theo dõi điều kiện vận hành ổn định.

Thách thức và Giới hạn

Các chất độc sinh học như kim loại nặng (Hg, Cd, Pb) và chất tẩy rửa gây ức chế enzyme, làm giảm tốc độ phân hủy hoặc gây chết hàng loạt vi sinh vật. Kỹ thuật tiền xử lý bằng keo tụ hoặc hấp phụ có thể giảm nồng độ độc trước khi xử lý sinh học.

Biomass washout trong hệ hiếu khí lưu lượng cao hoặc nghẽn màng trong MBR là vấn đề vận hành phổ biến. Kiểm soát thời gian giữ chất rắn (SRT) và thiết kế tuần hoàn bùn hợp lý giúp duy trì mật độ vi sinh ổn định.

• Chi phí đầu tư ban đầu cho màng lọc, máy thổi khí và hệ thống điều khiển tự động cao.
• Đòi hỏi kiến thức chuyên môn cao về vi sinh và công nghệ môi trường.
• Khó kiểm soát đồng thời nhiều chất ô nhiễm hỗn hợp khác nhau.

Xu hướng Nghiên cứu và Công nghệ Mới

Synthetic biology cho phép thiết kế dòng vi khuẩn biến đổi gene để phân hủy hỗn hợp ô nhiễm phức tạp, đồng thời tạo ra enzyme đặc hiệu cao. Nghiên cứu microbiome hệ xử lý thông qua metagenomics giúp tối ưu cộng đồng vi sinh (NIEHS Metagenomics).

Bioelectrochemical systems như microbial fuel cells (MFC) và microbial electrolysis cells (MEC) không chỉ loại bỏ ô nhiễm mà còn sinh điện hoặc sản xuất H₂, mở hướng phát triển năng lượng tái tạo kết hợp xử lý môi trường.

• Ứng dụng AI và machine learning để dự đoán hiệu suất xử lý và điều chỉnh tham số tự động.
• Công nghệ hybrid kết hợp xử lý sinh học – hóa lý để xử lý chất ô nhiễm khó phân hủy.
• Phát triển tế bào vi sinh dạng bám dính (biofilm carriers) nâng cao mật độ và ổn định hệ vi sinh.

Tài liệu Tham khảo

1. U.S. Environmental Protection Agency. Anaerobic Digestion. https://www.epa.gov/anaerobic-digestion
2. World Health Organization. Nutrient Removal and Recovery in Water Recycling. https://www.who.int
3. U.S. Geological Survey. Bioremediation. https://www.usgs.gov
4. National Institute of Environmental Health Sciences. Metagenomics for Microbial Communities. https://www.niehs.nih.gov
5. American Society for Microbiology. Principles of Bioremediation. https://asm.org