Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam hiện là quốc gia đứng thứ ba thế giới về sản lượng và xuất khẩu cao su, với diện tích trồng cây cao su đạt khoảng 938,8 nghìn ha và sản lượng mủ cao su đạt 1,26 triệu tấn trong năm 2021, mang lại giá trị kinh tế gần 3,3 tỷ USD, tăng lần lượt 11,7% và 37,5% so với năm trước. Tuy nhiên, ngành sản xuất cao su cũng đối mặt với thách thức lớn về ô nhiễm môi trường, đặc biệt là ô nhiễm nitơ trong nước thải sơ chế cao su thiên nhiên. Nước thải này chứa hàm lượng cao các hợp chất hữu cơ, amon (N – NH4+) và các chất ô nhiễm khác, với nồng độ amon có thể lên đến 1500 – 1730 mg/L, vượt xa quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải (QCVN 01-MT:2015/BTNMT). Các hệ thống xử lý truyền thống như kỵ khí – hiếu khí tuy có hiệu quả loại bỏ COD cao nhưng lại hạn chế trong việc xử lý amon, dẫn đến nước thải đầu ra vẫn chứa hàm lượng amon cao, gây nguy hại cho môi trường và sức khỏe cộng đồng.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là đánh giá khả năng xử lý ô nhiễm nitơ trong nước thải sơ chế cao su thiên nhiên bằng chủng vi khuẩn dị dưỡng Glutamicibacter nicotianae D7, phân lập từ bùn hoạt tính của thiết bị lọc nhỏ giọt qua lớp vật liệu xốp (DHS). Nghiên cứu tập trung khảo sát các điều kiện ảnh hưởng đến khả năng chuyển hóa nitơ của chủng D7 trong môi trường nhân tạo và nước thải cao su, đồng thời đánh giá hiệu quả xử lý amon trong thiết bị DHS. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm với mẫu nước thải sơ chế cao su thiên nhiên được đánh đông, trong khoảng thời gian từ 2021 đến 2023 tại Đại học Bách khoa Hà Nội.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ sinh học xử lý nước thải cao su, góp phần giảm thiểu ô nhiễm nitơ, bảo vệ môi trường nước và nâng cao hiệu quả xử lý nước thải công nghiệp, đồng thời mở ra hướng ứng dụng vi sinh vật dị dưỡng trong xử lý nitơ ở nồng độ cao.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về quá trình nitrat hóa và phản nitrat hóa trong xử lý nước thải, đặc biệt tập trung vào vi khuẩn nitrat hóa – phản nitrat hóa dị dưỡng trong điều kiện hiếu khí. Quá trình nitrat hóa bao gồm oxy hóa amon (N – NH4+) thành nitrit (N – NO2-) và nitrat (N – NO3-) do vi khuẩn tự dưỡng như Nitrobacter spp., Nitrospira spp. Quá trình phản nitrat hóa là sự chuyển hóa nitrat thành khí nitơ (N2) nhờ vi khuẩn dị dưỡng như Paracoccus denitrificans, Pseudomonas spp., giúp loại bỏ nitơ khỏi nước thải.

Các khái niệm chính bao gồm:

  • Tỷ lệ C/N (Carbon/Nitrogen): Tỷ lệ giữa nguồn cacbon và nitơ ảnh hưởng đến sự phát triển và hoạt động của vi sinh vật dị dưỡng trong xử lý nitơ.
  • pH môi trường: Ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và hoạt động enzym của vi khuẩn nitrat hóa và phản nitrat hóa.
  • Hiệu suất chuyển hóa amon: Tỷ lệ phần trăm amon bị loại bỏ trong quá trình xử lý.
  • Thiết bị DHS (Down flow hanging sponge): Thiết bị lọc sinh học nhỏ giọt qua lớp vật liệu xốp, tạo môi trường hiếu khí và kỵ khí đồng thời, thuận lợi cho quá trình nitrat hóa và phản nitrat hóa.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu nước thải sơ chế cao su thiên nhiên được đánh đông trong phòng thí nghiệm, cùng với chủng vi khuẩn Glutamicibacter nicotianae D7 phân lập từ bùn hoạt tính của thiết bị DHS. Các thí nghiệm được tiến hành trong phòng thí nghiệm tại Đại học Bách khoa Hà Nội.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Khảo sát điều kiện ảnh hưởng: Thí nghiệm đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ C/N (1 – 40), pH (5,0 – 9,0), và nồng độ amon ban đầu (200 – 500 mg/L) đến khả năng chuyển hóa amon của chủng D7 trong môi trường nhân tạo.
  • Đánh giá khả năng nitrat hóa và phản nitrat hóa: Nuôi cấy chủng D7 trong các môi trường chứa nguồn nitơ khác nhau (N – NH4+, N – NO2-, N – NO3-) với tỷ lệ C/N = 20, pH = 7, đo hiệu suất loại bỏ nitơ.
  • Khảo sát khả năng chuyển hóa amon trong môi trường nước thải cao su: Thí nghiệm với mẫu nước thải tiệt trùng và không tiệt trùng, điều chỉnh tỷ lệ C/N và nồng độ amon, theo dõi hiệu suất chuyển hóa amon.
  • Đánh giá hiệu quả xử lý amon trong thiết bị DHS: Sử dụng thiết bị DHS quy mô 2L với giá thể mút xốp G3, vận hành trong 70 ngày, đo hiệu suất chuyển hóa amon và nồng độ amon đầu ra.

Cỡ mẫu thí nghiệm được thực hiện lặp lại ít nhất hai lần để đảm bảo độ tin cậy. Phương pháp chọn mẫu dựa trên các điều kiện thực tế của nước thải sơ chế cao su và đặc tính sinh học của chủng vi khuẩn. Phân tích số liệu sử dụng phần mềm Excel 2016, kết quả được trình bày bằng biểu đồ và bảng số liệu minh họa.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của tỷ lệ C/N đến khả năng chuyển hóa amon:
    Hiệu suất chuyển hóa amon của chủng D7 tăng theo tỷ lệ C/N. Ở C/N = 1, hiệu suất đạt 56,4% sau 24 giờ, tăng lên 81,1% ở C/N = 3. Tại C/N = 20, hiệu suất đạt cao nhất 99,6% sau 16 giờ, không tăng đáng kể khi C/N tăng lên 30 và 40 (lần lượt 98,7% và 99,0%). Điều này cho thấy tỷ lệ C/N tối ưu để xử lý amon là khoảng 20, phù hợp với các nghiên cứu về vi khuẩn dị dưỡng khác.

  2. Ảnh hưởng của pH đến khả năng chuyển hóa amon:
    Chủng D7 có khả năng chuyển hóa amon hiệu quả trong khoảng pH từ 6,5 đến 9,0 với hiệu suất trên 92%. Hiệu suất cao nhất đạt 98,9% tại pH = 7,0. Ở pH thấp (5,0), hiệu suất giảm mạnh do môi trường axit cản trở sự phát triển của vi khuẩn.

  3. Ảnh hưởng của nồng độ amon ban đầu:
    Hiệu suất chuyển hóa amon giảm khi nồng độ amon tăng. Ở 200 mg/L, hiệu suất đạt 99,1% sau 24 giờ; ở 300 mg/L đạt 99,1% sau 40 giờ; ở 400 mg/L và 500 mg/L, hiệu suất lần lượt là 89,1% và 88,0% sau 88 giờ. Chủng D7 thể hiện khả năng xử lý amon ở nồng độ cao lên đến 500 mg/L, vượt trội so với một số chủng vi khuẩn khác.

  4. Khả năng nitrat hóa và phản nitrat hóa:
    Chủng D7 có khả năng chuyển hóa amon thành nitrit và nitrat, đồng thời phản nitrat hóa nitrit và nitrat thành khí nitơ trong điều kiện hiếu khí. Hiệu suất khử nitơ đạt 43,1% với nguồn amon, 44,5% với nitrit và 36,6% với nitrat. Hiệu quả này cao hơn nhiều so với các chủng vi khuẩn dị dưỡng khác được nghiên cứu.

  5. Khả năng chuyển hóa amon trong môi trường nước thải cao su:
    Trong nước thải tiệt trùng, chủng D7 xử lý amon hiệu quả với tỷ lệ C/N từ 20 trở lên, đạt hiệu suất trên 94% sau 24 giờ, hàm lượng amon còn lại đạt tiêu chuẩn QCVN 01-MT:2015/BTNMT. Trong nước thải không tiệt trùng, hiệu suất chuyển hóa amon cũng đạt trên 92% sau 15 giờ, chứng tỏ chủng D7 có khả năng cạnh tranh và sinh trưởng tốt trong môi trường thực tế.

Thảo luận kết quả

Hiệu suất chuyển hóa amon tăng theo tỷ lệ C/N do nguồn cacbon cung cấp năng lượng cho vi khuẩn dị dưỡng phát triển và thực hiện quá trình nitrat hóa – phản nitrat hóa. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về vi khuẩn dị dưỡng trong xử lý nitơ. Khoảng pH tối ưu từ 6,5 đến 9,0 tạo điều kiện thuận lợi cho hoạt động enzym và sự phát triển của chủng D7, tương đồng với các chủng vi khuẩn nitrat hóa dị dưỡng khác.

Khả năng xử lý amon ở nồng độ cao cho thấy chủng D7 có tiềm năng ứng dụng trong xử lý nước thải cao su có hàm lượng amon lớn, vượt trội hơn nhiều chủng vi khuẩn khác. Quá trình nitrat hóa và phản nitrat hóa đồng thời trong điều kiện hiếu khí giúp giảm thiểu nitơ tổng trong nước thải hiệu quả, giảm nguy cơ ô nhiễm nitơ và các hợp chất độc hại liên quan.

Hiệu quả xử lý amon trong thiết bị DHS đạt 62,0% sau 70 ngày vận hành, với nồng độ amon đầu ra là 47,4 mg/L, đạt cột B theo QCVN 01-MT:2015/BTNMT, cho thấy thiết bị DHS kết hợp với chủng D7 là giải pháp khả thi, tiết kiệm diện tích và chi phí vận hành so với các công nghệ truyền thống.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hiệu suất chuyển hóa amon theo thời gian ở các điều kiện C/N, pH và nồng độ amon khác nhau, cùng bảng so sánh hiệu suất khử nitơ của chủng D7 với các chủng vi khuẩn khác để minh họa tính ưu việt của chủng nghiên cứu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng chủng Glutamicibacter nicotianae D7 trong xử lý nước thải sơ chế cao su:
    Khuyến nghị sử dụng chủng D7 trong các hệ thống xử lý nước thải công nghiệp cao su, đặc biệt trong thiết bị DHS để nâng cao hiệu quả loại bỏ amon và nitơ tổng. Thời gian thực hiện: 6 – 12 tháng để triển khai thí điểm tại nhà máy.

  2. Điều chỉnh tỷ lệ C/N và pH trong quá trình xử lý:
    Đề xuất duy trì tỷ lệ C/N khoảng 20 và pH từ 6,5 đến 7,5 để tối ưu hóa hoạt động vi sinh vật dị dưỡng, nâng cao hiệu suất xử lý nitơ. Chủ thể thực hiện: Nhà máy xử lý nước thải phối hợp với chuyên gia môi trường.

  3. Xây dựng hệ thống giám sát và kiểm soát chất lượng nước thải:
    Thiết lập hệ thống đo lường liên tục các chỉ tiêu amon, nitrit, nitrat và pH để điều chỉnh kịp thời quá trình xử lý, đảm bảo nước thải đầu ra đạt quy chuẩn. Thời gian triển khai: 3 – 6 tháng.

  4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng và tối ưu hóa công nghệ DHS:
    Khuyến khích nghiên cứu tiếp tục về khả năng xử lý các hợp chất hữu cơ và nitơ khác trong nước thải cao su, đồng thời cải tiến thiết kế thiết bị DHS để tăng hiệu suất và giảm chi phí vận hành. Chủ thể thực hiện: Các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ sinh học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý và kỹ sư môi trường tại các nhà máy sản xuất cao su:
    Giúp hiểu rõ về đặc tính nước thải và giải pháp xử lý nitơ hiệu quả, từ đó áp dụng công nghệ sinh học phù hợp để giảm thiểu ô nhiễm.

  2. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành Công nghệ Sinh học, Môi trường:
    Cung cấp kiến thức chuyên sâu về vi sinh vật dị dưỡng trong xử lý nitơ, phương pháp nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn trong xử lý nước thải công nghiệp.

  3. Các cơ quan quản lý nhà nước về môi trường:
    Hỗ trợ xây dựng chính sách, quy chuẩn kỹ thuật và hướng dẫn áp dụng công nghệ xử lý nước thải hiệu quả, bảo vệ nguồn nước và sức khỏe cộng đồng.

  4. Doanh nghiệp công nghệ xử lý nước thải và thiết bị sinh học:
    Tham khảo để phát triển sản phẩm, cải tiến công nghệ xử lý nước thải cao su, mở rộng thị trường và nâng cao hiệu quả kinh tế – môi trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Chủng Glutamicibacter nicotianae D7 có ưu điểm gì so với các vi khuẩn khác trong xử lý nitơ?
    Chủng D7 có khả năng chuyển hóa amon ở nồng độ cao (đến 500 mg/L) với hiệu suất lên đến 99,6% trong điều kiện tối ưu, đồng thời thực hiện đồng thời quá trình nitrat hóa và phản nitrat hóa trong điều kiện hiếu khí, giúp xử lý nitơ hiệu quả hơn nhiều chủng vi khuẩn khác.

  2. Tỷ lệ C/N ảnh hưởng như thế nào đến hiệu quả xử lý nitơ?
    Tỷ lệ C/N cung cấp nguồn cacbon cần thiết cho vi sinh vật dị dưỡng phát triển và thực hiện quá trình nitrat hóa – phản nitrat hóa. Tỷ lệ C/N tối ưu khoảng 20 giúp đạt hiệu suất chuyển hóa amon cao nhất, thiếu cacbon hoặc tỷ lệ quá thấp làm giảm hiệu quả xử lý.

  3. Tại sao pH lại quan trọng trong quá trình xử lý nước thải?
    pH ảnh hưởng đến hoạt động enzym và sự phát triển của vi sinh vật. Chủng D7 hoạt động hiệu quả trong khoảng pH 6,5 – 9,0, với pH tối ưu là 7,0. Môi trường quá axit hoặc kiềm sẽ ức chế hoạt động vi sinh vật, làm giảm hiệu quả xử lý.

  4. Thiết bị DHS có những ưu điểm gì trong xử lý nước thải cao su?
    DHS có cấu tạo giá thể mút xốp với diện tích bề mặt lớn, tạo môi trường hiếu khí và kỵ khí đồng thời, giúp quá trình nitrat hóa và phản nitrat hóa diễn ra hiệu quả. Thiết bị nhỏ gọn, tiết kiệm diện tích, chi phí đầu tư thấp và dễ vận hành.

  5. Hiệu quả xử lý amon trong nước thải thực tế có thể đạt được bao nhiêu?
    Trong nghiên cứu, hiệu suất xử lý amon trong thiết bị DHS đạt 62,0% sau 70 ngày, với nồng độ amon đầu ra đạt 47,4 mg/L, đạt cột B theo quy chuẩn quốc gia. Hiệu quả có thể cải thiện khi tối ưu điều kiện vận hành và phối hợp với các công nghệ xử lý khác.

Kết luận

  • Chủng Glutamicibacter nicotianae D7 có khả năng chuyển hóa amon hiệu quả trong nước thải sơ chế cao su với hiệu suất lên đến 99,6% tại tỷ lệ C/N = 20 và pH = 7 trong 16 giờ.
  • Chủng D7 thực hiện đồng thời quá trình nitrat hóa và phản nitrat hóa trong điều kiện hiếu khí, với hiệu suất khử nitơ lần lượt là 43,1% (amon), 44,5% (nitrit) và 36,6% (nitrat).
  • Trong môi trường nước thải cao su, chủng D7 xử lý amon hiệu quả ở tỷ lệ C/N từ 20 đến 40 và nồng độ amon dưới 180 mg/L, đạt tiêu chuẩn QCVN 01-MT:2015/BTNMT.
  • Thiết bị DHS kết hợp chủng D7 cho hiệu quả xử lý amon đạt 62,0% sau 70 ngày, là giải pháp khả thi, tiết kiệm diện tích và chi phí.
  • Nghiên cứu mở ra hướng ứng dụng vi sinh vật dị dưỡng trong xử lý ô nhiễm nitơ nước thải công nghiệp, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững ngành cao su.

Hành động tiếp theo: Triển khai thí điểm ứng dụng chủng D7 trong hệ thống xử lý nước thải cao su quy mô công nghiệp, đồng thời nghiên cứu tối ưu hóa điều kiện vận hành thiết bị DHS để nâng cao hiệu quả xử lý. Các nhà quản lý và chuyên gia môi trường được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn nhằm giảm thiểu ô nhiễm nitơ và bảo vệ nguồn nước.