Giải chuyên đề học tập Sinh học 10 Cánh diều bài 13: Công nghệ ứng dụng vi sinh vật trong thu hồi khí sinh học và xử lí chất thải rắn

Câu hỏi mở đầu

Tại Việt Nam, ở một số vùng nông thôn xây dựng mô hình chăn nuôi (lợn, bò) có hệ thống xử lí chất thái áp dụng công nghệ vi sinh vật giúp giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường, đồng thời cung cấp năng lượng khí đốt. Đây là dẫn chứng thuyết phục về hiệu quả to lớn của việc áp dụng quá trình phân giải kị khí nhờ vi sinh vật để biến chất thải của con người, động vật; phế phẩm, phụ phẩm nông nghiệp, công nghiệp,... thành khí sinh học (biogas). Vậy các quy trình đó được thiết kế và sử dụng như thế nào?

Công nghệ sản xuất khí sinh học là ứng dụng quá trình lên men methane nhờ các nhóm vi sinh vật kị khí phân giải các chất thải hữu cơ; phế phẩm, phụ phẩm của nông nghiệp, công nghiệp,... để tạo tố hợp khí CH4 và CO2 cung cấp năng lượng khí đốt, chạy động cơ, phát điện.

Quy trình này gồm ba giai đoạn: chuẩn bị nguyên liệu, lên men methane và thu hồi khí sinh học.

I. Công nghệ thu hồi khí sinh học

Câu hỏi 1. Hãy cho biết các nguyên liệu có thể được sử dụng để lên men tạo khí sinh học.

Các nguyên liệu có thể được sử dụng để lên men tạo khí sinh học:

• Các loại bùn từ ao tù, đầm lầy, cống rãnh, bùn trong xử lí nước thải bậc một và bậc hai. Đây là nguyên liệu sản xuất khí sinh học khá phù hợp, đặc biệt, bùn từ quá trình xử lí nước thải có hàm lượng protein cao do 60 - 70 % là sinh khối vi khuẩn cùng các vitamin và khoáng chất.
• Các loại phân hữu cơ: các loại phân gia súc, gia cầm,... Các loại phân gia súc có tỉ lệ C/N (carbon/nitrogen) rất phù hợp để lên men methane thu khí sinh học. Các loại phân khác nếu sử dụng cần phải được phối trộn thêm các thành phần khác để đảm bảo tỉ lệ C/N phù hợp.
• Các loại nước thải từ chăn nuôi, cơ sở chế biến thực phẩm và các ngành công nghiệp khác không có độc tố ức chế hoạt động của các vi sinh vật.
• Các loại phế phẩm, phụ phẩm từ nông nghiệp như rơm rạ, thân cây ngô, đậu, mùn cưa, trấu, vỏ cả phê,... Các phế phẩm, phụ phẩm này phổ biến, giàu cellulose nhưng thường nghèo nitrogen nên tỉ lệ C/N không phù hợp. Nguyên liệu này cần phải được làm nhỏ và phối trộn thêm các nguyên liệu giàu nitrogen khi tiến hành lên men methane.

Câu hỏi 2. Quan sát hình 13.4 và cho biết các giai đoạn của công nghệ lên men thu hồi khí sinh học. Vi sinh vật lên men sẽ được bổ sung vào bể nào?

Vi sinh vật lên men sẽ được bổ sung vào bể lên men.

Câu hỏi 3. Nêu các ứng dụng của khí sinh học.

Hướng dẫn trả lời:

Khí sinh học được coi là nguồn năng lượng tái sinh đang được sử dụng để cung cấp năng lượng như khí đốt, điện sinh hoạt cho người dân ở ngoại ô các thành phố lớn và vùng nông thôn.

Vận dụng 1. Hãy nêu ít nhất ba lợi ích từ việc sản xuất khí sinh học đối với môi trường và con người.

• Bảo vệ môi trường: giải quyết vấn đề ô nhiễm môi đất, nước, không khí giảm thiểu các chất khí gây hiệu ứng nhà kính phát sinh từ quá trình sản xuất, chăn nuôi hạn chế dịch bệnh bảo vệ sức khỏe
• Giảm thiểu lao động như chặt cây hoặc kiếm củi.
• Không khói, không mùi do đó giảm kích thích mắt/đường hô hấp.
• Khí dư thừa có thể được sử dụng cho các hoạt động tạo thu nhập.
• Không mất chi phí tạo ra phụ phẩm, phụ phẩm có thể sử dụng làm phân bón tốt hơn so với phân xanh hoặc phân bón tổng hợp.
• Giảm truyền mầm bệnh so với chất thải chưa được xử lý.
• Cung cấp năng lượng như khí đốt, điện sinh hoạt cho người dân ở ngoại ô các thành phố lớn và vùng nông thôn.
• ...

II. Công nghệ ứng dụng vi sinh vật trong xử lí chất thải rắn

Câu hỏi 4. Quan sát hình 13.5 và cho biết quy trình xử lí rác thải rắn thành phân hữu cơ gồm mấy giai đoạn. Ý nghĩa của mỗi giai đoạn này là gì?

Quy trình sản xuất phân hữu cơ được chia làm ba giai đoạn:

• Giai đoạn chuẩn bị nguyên liệu: Phân loại rác, nghiền nhỏ và phối trộn nguyên liệu cho phù hợp.
• Giai đoạn ủ rác thải: vi sinh vật phân giải nguyên liệu thành các sản phẩm phân bón cho cây trồng.
• Giai đoạn thu hồi và hoàn thành thành phẩm: Sàng lọc loại bỏ các vật có kích thước lớn, không được phân giải; đóng gói và bảo quản sản phẩm.

Vận dụng 2. Bên cạnh sản phẩm phân hữu cơ, hãy nêu một sản phẩm khác có thể sản xuất từ rác thải rắn hữu cơ nhờ vi sinh vật kị khí.

Xử lý phế thải tạo thức ăn gia súc: 
Hằng năm chỉ riêng ở Anh hoạt động sống của con người thải ra chừng 2,5.1010 kg phế thải, ngành chăn nuôi thải ra chừng 1,8.1011 kg. Từ lượng phế thải này, qua quá trình xử lý sẽ tạo ra một số lượng bùn hoạt tính khổng lồ có hàm lượng protein chiếm tới khoảng 30 – 40% sinh khối khô. Tiếp tục xử lý chúng sẽ tạo được một nguồn thức ăn cho gia súc rất có giá trị.

Vận dụng 3. Hãy thiết lập các bước của quy trình đơn giản xử lí rác thái hữu cơ thành phân bón hữu cơ tại hộ gia đình.

Các bước của quy trình đơn giản xử lí rác thải hữu cơ thành phân bón hưu cơ hộ gia đình

• Bước 1: Chuẩn bị nguyên liệu: tách chất hữu cơ ra khỏi chất thải khác, cắt nhỏ và bổ sung vi sinh vật.
• Bước 2: Ủ rác thải: ủ trong điều kiện hiếu khí, trộn rác thải định kì để tăng lượng oxy.
• Bước 3: Thu hồi và hoàn thành thành phẩm.