01/12/2016 - 20:36

Tận dụng vi khuẩn để tiết kiệm năng lượng và ứng phó biến đổi khí hậu

Trong nỗ lực tìm kiếm giải pháp mới bền vững giúp tiết kiệm hoặc tái tạo năng lượng và ứng phó biến đổi khí hậu, các nhà khoa học toàn cầu đã nghiên cứu và tận dụng lợi ích tự nhiên từ các loài vi khuẩn, thu được nhiều kết quả khả quan có tính ứng dụng cao.

Sản xuất điện sinh học vận hành nhà máy tái chế nước thải

Lâu nay, nước thải sinh hoạt từ phòng tắm và nhà bếp được đánh giá là nguồn năng lượng tiềm năng vì nó chứa nhiều loai vật chất hữu cơ. Nhưng nếu muốn quá trình xử lý nước thải có thể tự cấp điện một cách bền vững, chúng ta cần tìm ra phương pháp hiệu quả để tách vật chất hữu cơ khỏi nước thải, để vừa có thể tái chế nước thải vừa dùng cặn hữu cơ đó sản xuất năng lượng sinh học.

Các nhà máy xử lý nước thải có thể tự cung năng lượng để vận hành nhờ qui trình "bỏ đói vi khuẩn" do các nhà khoa học Bỉ phát triển. Ảnh: New Atlas

Nguyên lý xử lý nước thải hiện nay là tập trung tối ưu hóa cách thức mà các vi sinh vật như vi khuẩn và nấm ăn các chất hữu cơ trong nước thải. Khi đó, chúng sẽ tạo ra các phân tử đóng cục với nhau và lắng xuống đáy bể chứa, cho phép dễ dàng tách lượng nước tương đối trong phía trên khỏi phần cặn rắn ở dưới để tiếp tục lọc sạch hơn. Tuy nhiên, qui trình này chỉ có thể thu hồi từ 20-30% khối lượng vật chất hữu cơ từ nước thải sinh hoạt.

Mới đây, các chuyên gia sinh hóa và vi sinh tại Đại học Ghent (Bỉ) đã phát hiện cách nâng cao sản lượng vật chất hữu cơ thu được bằng cách làm cho vi khuẩn càng đói càng tốt. "Chúng tôi bỏ đói vi khuẩn định kỳ. Sau đó, vi khuẩn háu đói được cho tiếp xúc với nước thải trong thời gian ngắn, khiến chúng ăn ngấu nghiến vật chất hữu cơ mà không tiêu hóa hết. Điều này cho phép chúng tôi "thu hoạch" lượng nguyên liệu chưa được tiêu hóa để dùng sản xuất năng lượng và các sản phẩm chất lượng cao. Kế đến, chúng tôi lại bỏ đói vi khuẩn để chúng có thể làm sạch nước thải lần nữa"- Tiến sĩ Francis Meerburg, thành viên nhóm nghiên cứu, giải thích.

Phương pháp xử lý nước thải mới có thể thu hồi tới 55% lượng vật chất sinh học từ nước thải. Theo tính toán của họ, số cặn này dùng sản xuất nhiên liệu sinh học đủ để vận hành toàn bộ quy trình xử lý nước thải mà không cần đến nguồn điện bên ngoài. Nhờ đó, phương pháp mới không chỉ giúp giảm chi phí năng lượng cho công chúng, mà còn tạo ra qui trình ít tốn điện hơn cho các nhà máy xử lý nước thải.

Hiện nhóm nghiên cứu đang hợp tác với cơ quan xử lý nước thải Quận Columbia (bang Washington, Mỹ) để triển khai dự án thí điểm tại một nhà máy của họ, nhằm đánh giá hiệu quả cũng như tiến tới ứng dụng công nghệ xử lý nước mới trên quy mô lớn hơn.

Xử lý nhiệt, cung cấp điện và sửa chữa công trình xây dựng

Ở châu Âu, việc xây dựng, sử dụng và bảo dưỡng các tòa nhà được xem là một trong những lĩnh vực hao tốn tài nguyên nhất, với 50% điện năng tiêu thụ của lục địa này dùng cho các hệ thống sưởi ấm và làm mát nhà ở và văn phòng. Vì vậy, nhóm nghiên cứu do Giáo sư Rachel Armstrong ở Đại học Newcastle (Anh) dẫn đầu đã phát triển loại vật liệu xây dựng mới tiết kiệm năng lượng hiệu quả. Họ cho biết bằng cách nén vi khuẩn vào trong gạch và bê tông để sinh nhiệt, lưu thông không khí và "hàn" tường nứt, vật liệu mới sẽ tạo ra những "tòa nhà sống" thân thiện với môi trường.

Theo đó, các chuyên gia sử dụng công nghệ hiện có gọi là pin nhiên liệu vi khuẩn (MFC – dùng vi khuẩn để sản xuất điện) và tạo ra một loại đất chứa vi khuẩn đặc biệt nuôi dưỡng các vi sinh vật mà bình thường sẽ không sống cộng sinh. Các vi sinh vật này ăn nước thải và tạo ra các điện tử. Lượng điện này được trưng thu thông qua lớp màng đặt trên lớp vi khuẩn. Nhóm nghiên cứu cho biết bằng cách kết hợp nhiều sinh vật lại với nhau, họ có thể tạo ra loại đất có thể cấu thành nhiều sản phẩm khác nhau có lợi cho các công trình dân dụng, từ xây những tòa nhà mới đến sửa chữa những tòa nhà cũ. Đơn cử, để tạo ra loại bê-tông có khả năng tự làm lành vết nứt, các chuyên gia trộn các viên nang siêu nhỏ chứa vi khuẩn "ngủ đông" với hỗn hợp bê-tông. Nhờ vậy khi vách tường xuất hiện vết nứt, các viên nang vỡ ra, giải phóng và đánh thức vi khuẩn để chúng tiết ra Calcium Carbonate (CaCO3) lấp đầy vết nứt. Các tòa nhà xây bằng bê-tông tự chữa lành hứa hẹn sẽ giúp tiết kiệm chi phí sửa chữa, ngăn rò rỉ khí và cũng có lợi hơn cho môi trường về lâu dài.

Trung hòa khí CO2, ứng phó biến đổi khí hậu

Vi khuẩn Clostridium thermocellum gần đây được giới nghiên cứu chú ý nhờ nó có khả năng phân giải cellulose trong thực vật để dùng sản xuất nhiên liệu sinh học mà không cần thêm enzyme nào khác. Trong quá trình nghiên cứu đặc tính này, các nhà khoa học tại Phòng Thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia Mỹ (NREL) bất ngờ phát hiện vi khuẩn nói trên còn có khả năng trung hòa khí cácbon điôxít (CO2), tác nhân chính gây hiện tượng ấm nóng toàn cầu.

Mặc dù Clostridium thermocellum không thể hút sạch CO2, nhưng nó có thể được biến đổi để tạo ra nhiên liệu sinh học nhờ đặc tính cân bằng cácbon – tức là chúng hấp thụ lượng cácbon nhiều như lượng khí mà chúng thải ra trong quá trình phân giải cellulose. Phát hiện mới mở ra tiềm năng sử dụng phiên bản biến đổi gien của vi khuẩn để khai thác năng lượng sinh khối hiệu quả hơn mà không phát thải cácbon ra môi trường.

Nhưng vấn đề là cho đến nay, các nhà khoa học vẫn chưa có cách gì bảo đảm loại vi khuẩn này có thể tạo ra sản lượng nhiên liệu sinh học tối đa mà phát thải khí CO2 tối thiểu. "Nếu nghiên cứu để hiểu rõ cơ chế tại sao và bằng cách nào Clostridium thermocellum hấp thụ CO2, chúng ta có thể mạnh dạn thiết kế lại vi khuẩn này để chúng hấp thụ CO2 nhiều hơn nữa" – đồng tác giả nghiên cứu Katherine J. Chou cho biết. Điều này sẽ giúp giảm đáng kể lượng CO2 thải ra môi trường.

HUY MINH (Theo Gizmag, Horizon-magazine, Motherboard)

Chia sẻ bài viết