Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Quá trình đô thị hóa tại Việt Nam diễn ra với tốc độ nhanh chóng. Theo thống kê năm 2020, cả nước có 862 đô thị (tăng 7,5% so với năm 2016), tỷ lệ đô thị hóa tăng từ 36,7% (năm 2016) lên 39,3% (năm 2020). Sự gia tăng dân số và phát triển công nghiệp tại các vùng đô thị kéo theo áp lực lớn đối với hạ tầng thoát nước và môi trường tiếp nhận. Hệ thống thoát nước đô thị mới chỉ đáp ứng khoảng 60% nhu cầu thoát nước; đa số hệ thống thoát nước chưa đồng bộ với hệ thống xử lý tập trung. Toàn quốc chỉ có khoảng 15% nước thải sinh hoạt đô thị được thu gom và xử lý tại 43 nhà máy xử lý nước thải tập trung với tổng công suất thiết kế 926.000 $\text{m}^3$/ngày đêm. Phần lớn lượng nước thải chưa xử lý xả trực tiếp ra sông, hồ, gây ô nhiễm chất hữu cơ và phú dưỡng hóa.

Quy hoạch thoát nước Thủ đô Hà Nội đến năm 2030, tầm nhìn 2050 (Quyết định số 725/QĐ-TTg ngày 10/5/2013) đặt mục tiêu tỷ lệ dân số được thu gom và xử lý nước thải đạt 90% vào năm 2030 và 100% vào năm 2050. Tại Thành phố Hồ Chí Minh, mục tiêu đến năm 2025 là thu gom và xử lý đạt chuẩn 80% tổng lượng nước thải sinh hoạt. Tuy vậy, các công nghệ xử lý truyền thống thường đòi hỏi diện tích mặt bằng xây dựng lớn, chi phí đầu tư ban đầu và chi phí vận hành cao, khó triển khai tại các khu vực đô thị có mật độ dân cư đông đúc.

Sản phẩm Eco-Bio-Block (EBB) có xuất xứ từ Nhật Bản (thuộc sở hữu của Công ty TNHH Koyoh, Bằng sáng chế số 4065402 cấp năm 2008) là vật liệu được sản xuất từ đá xốp zeolit trong nham thạch núi lửa, liên kết bằng xi măng và tích hợp vi sinh vật hữu ích (như Bacillus subtilis natto) với diện tích bề mặt lớn (>100 $\text{m}^2$/g), có khả năng phân hủy chất hữu cơ và nitrat hóa amoni. Mặc dù EBB nhập khẩu đã được chứng minh hiệu quả tại nhiều quốc gia, suất đầu tư cao của vật liệu nhập khẩu cản trở việc ứng dụng đại trà tại Việt Nam. Do đó, khoảng trống nghiên cứu đặt ra là: nghiên cứu chế tạo khối vật liệu EBB cải tiến sử dụng hoàn toàn nguồn nguyên liệu và chủng vi sinh vật sẵn có tại Việt Nam, xác lập quy trình phối trộn, đồng thời đánh giá kiểm chứng khả năng xử lý chất hữu cơ (COD) và amoni ($\text{NH}_4^+$) trên các nguồn nước thải thực tế.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định hai mục tiêu chính:

  1. Nghiên cứu chế tạo sản phẩm khối EBB cải tiến phù hợp với điều kiện Việt Nam nhằm giảm giá thành vật liệu, làm chủ công nghệ chế tạo từ nguồn nguyên liệu nội địa sẵn có, an toàn và thân thiện môi trường; giảm diện tích chiếm đất và chi phí vận hành xử lý nước thải.
  2. Đánh giá khả năng xử lý, góp phần giảm thiểu các chỉ tiêu ô nhiễm hữu cơ (COD) và amoni ($\text{NH}_4^+$) trong các nguồn nước thải khác nhau (nước hồ ô nhiễm, nước rỉ rác, nước thải bệnh viện).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu:
    • Thành phần và tỷ lệ phối trộn các loại nguyên vật liệu tạo khối EBB cải tiến (cát, sỏi nhẹ keramzit, zeolit, xi măng, than cacbon và chế phẩm vi sinh Sagi-Bio 2).
    • Quá trình và hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ (COD) và amoni ($\text{NH}_4^+$) trên các đối tượng nước thải: nước hồ ô nhiễm, nước rỉ rác từ bãi chôn lấp/nhà máy xử lý rác, và nước thải bệnh viện.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Không gian thực nghiệm chế tạo: Phòng thí nghiệm thuộc Viện Công nghệ Môi trường – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
    • Không gian khảo sát và thử nghiệm hiện trường: Hồ Khương Thượng (Hà Nội), Nhà máy chế biến rác Phương Đình (huyện Đan Phượng, Hà Nội), và Bệnh viện E (Hà Nội).
    • Thời gian thực hiện: Các nghiên cứu thực nghiệm và khảo sát hoàn thành và bảo vệ trong năm 2022.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu về giá thể sinh học và màng sinh học

Quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp dính bám (biofilm) đã phát triển qua nhiều giai đoạn:

  • Lịch sử kỹ thuật lọc dính bám: Năm 1865 tại Berlin (Đức), Alexander Mueller chứng minh nước thải có thể được lọc sạch qua sinh vật sống trong cột lọc. Năm 1868, Edward Frankland (Anh) nghiên cứu cột lọc sỏi thô và đất than bùn tại London. Năm 1882, Warrington chứng minh khả năng giảm thiểu ô nhiễm bằng sỏi lọc sạch. Hệ thống lọc sinh học được thiết lập tại Trại thực nghiệm Lawrence (Massachusetts, Mỹ) và áp dụng tại Madison (Wisconsin) năm 1901. Đến năm 1940, 60% hệ thống xử lý tại Mỹ đã sử dụng công nghệ lọc sinh học. Năm 1960, đĩa quay sinh học (RBC) xuất hiện tại CHLB Đức.
  • Nghiên cứu giá thể lọc ngập nước và vật liệu chất dẻo: Coulter (1957), Young và McCarty (1969) phát triển kỹ thuật lọc sinh học ngập nước với lớp vật liệu cố định (fixed filter). Guitonas và Alexious (1995) thử nghiệm bể lọc sinh học hai giai đoạn hiếu khí – kỵ khí kết hợp giá thể chất dẻo. Warnakula và cộng sự (1990, 1999) sử dụng xơ dừa làm giá thể xử lý nước thải chế biến cao su.
  • Công nghệ màng sinh học giá thể di động (MBBR): MBBR kết hợp ưu điểm của bùn hoạt tính hiếu khí và màng vi sinh bám dính mà không cần tuần hoàn bùn, chống sốc tải tốt. Các dạng vật liệu mang như Hel-X Chip, hạt Kaldnes, mút xốp polymer, đệm PE, PP được ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước thải đô thị, nước thải chế biến gỗ, giấy, dược phẩm, thủy sản.
  • Các nghiên cứu tại Việt Nam:
    • Trịnh Xuân Lai (2000) nghiên cứu sinh trưởng bám dính kỵ khí và vật liệu trương nở để xử lý cacbon hữu cơ và khử nitrat.
    • Lương Đức Phẩm (2002) nghiên cứu lọc kỵ khí với vật liệu giả lỏng trương nở.
    • Nguyễn Ngọc Bích, Lâm Minh Triết, Lê Huy Bá (2002) thử nghiệm bể kỵ khí quy mô 5 $\text{m}^3$/ngày dùng xơ dừa làm giá thể xử lý nước thải cao su (COD 9.500 mg/L, BOD 6.500 mg/L), thời gian lưu 48 giờ đạt hiệu suất xử lý COD 90%, BOD 60–90%.
    • Viện Hóa học Công nghệ (2004) phối hợp chuyên gia Nhật Bản thử nghiệm vật liệu đá vôi, phế thải xây dựng, vỏ sò ốc xử lý nước sông Tô Lịch.
    • Năm 2019, thử nghiệm hệ thống Nano-Bioreactor của Nhật Bản trên sông Tô Lịch.

Khoảng trống luận án giải quyết

Hầu hết các giá thể dính bám truyền thống là nhựa tổng hợp (PE, PP, PVC) có chi phí sản xuất đáng kể, hoặc vật liệu tự nhiên (như xơ dừa, gỗ) có độ bền cơ học và tuổi thọ thấp trong môi trường ngập nước kéo dài. Công nghệ EBB nguyên bản của Nhật Bản dùng đá núi lửa có giá thành nhập khẩu cao. Luận án giải quyết khoảng trống này bằng cách:

  1. Nghiên cứu phối trộn vật liệu khoáng nội địa (sỏi nhẹ keramzit, cát, zeolit, xi măng, than cacbon) để tạo khối mang xốp vững chắc, khối lượng riêng phù hợp, diện tích bề mặt tiếp xúc cao.
  2. Cấy vi sinh vật nội địa (chế phẩm Sagi-Bio 2) vào cấu trúc khối mang, đảm bảo vi sinh vật thích nghi, tồn tại và duy trì mật độ phân giải chất hữu cơ và nitrat hóa.
  3. Đánh giá một cách định lượng cơ chế động học hấp phụ amoni, cấu trúc quần xã vi sinh bằng kỹ thuật sinh học phân tử tiên tiến (PCR-DGGE), và thử nghiệm thực tế trên nhiều loại hình nước thải phức tạp ở Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và các quá trình biến đổi sinh hóa

  • Quá trình phân hủy chất hữu cơ: Vi sinh vật hiếu khí và kỵ khí sử dụng chất hữu cơ hòa tan và keo trong nước thải làm nguồn cacbon và năng lượng, chuyển hóa thành sinh khối mới, $\text{CO}_2$, $\text{H}_2\text{O}$ và các sản phẩm trao đổi chất khác.
  • Quá trình chuyển hóa hợp chất nitơ: Quá trình oxy hóa amoni thành nitrit bởi vi khuẩn nitrit hóa, sau đó thành nitrat bởi vi khuẩn nitrat hóa trong điều kiện hiếu khí; tiếp tục là quá trình khử nitrat thành khí $\text{N}_2$ trong điều kiện thiếu khí (anoxic). Năng lượng sinh ra trong quá trình oxy hóa amoni được sử dụng chủ yếu (khoảng 80%) để cố định $\text{CO}_2$, chỉ 2–11% dùng để tổng hợp tế bào, dẫn đến hệ số sinh khối của vi khuẩn nitrat hóa tương đối thấp (0,1–0,15 g tế bào/g $\text{NH}_4^+$-N).
  • Cơ chế hoạt động của khối EBB cải tiến: Kết hợp đồng thời cơ chế hấp phụ vật lý/hóa lý các ion amoni lên bề mặt vật liệu xốp chứa zeolit và cơ chế sinh học phân hủy chất hữu cơ, nitrat hóa của màng mỏng vi sinh vật (biofilm) phát triển trong mạng lưới mao quản của khối.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

                             SƠ ĐỒ NGHIÊN CỨU TỔNG THỂ
[Chế tạo EBB cải tiến]                                            [Đánh giá đặc trưng]
 - Phối trộn Keramzit, Zeolit, Cát,                                - Độ rỗng, thể tích rỗng, BET, SEM
   Xi măng, Than cacbon, Nước                                      - Hấp phụ Amoni: Động học, Langmuir
 - Cấy chế phẩm Sagi-Bio 2                                         - Đa dạng vi sinh: PCR-DGGE (H', J')
                             [Thử nghiệm & Ứng dụng]
[Phòng thí nghiệm]             [Nước hồ ô nhiễm]                  [Nước rỉ rác & Bệnh viện]
 - Hiệu suất COD & Amoni        - Nước hồ Khương Thượng            - Nhà máy rác Phương Đình
 - Khảo sát lưu lượng (0,5-5 L/h)- Khảo sát theo các vị trí        - Bệnh viện E Hà Nội
  • Phương pháp chế tạo và xác định đặc trưng vật lý vật liệu:
    • Xác định tỷ lệ cấp phối: Khảo sát hàm lượng nước phối trộn (100 mL, 120 mL, 150 mL) và tỷ lệ thành phần chất rắn (keramzit, zeolit, cát, xi măng, than cacbon) để đạt độ kết dính, độ rỗng và độ bền nén cơ học.
    • Xác định đặc trưng mao quản và hình thái bề mặt: Xác định độ rỗng, thể tích rỗng; đo diện tích bề mặt riêng theo phương pháp BET; quan sát vi cấu trúc bề mặt bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM).
  • Phương pháp cấy và đánh giá hoạt tính vi sinh vật:
    • Cấy chế phẩm vi sinh Sagi-Bio 2 vào khối vật liệu đã đóng rắn; theo dõi mật độ vi sinh vật tổng số (hiếu khí, kỵ khí bằng phương pháp đếm khuẩn lạc CFU/g) trước và sau khi cấy 10 ngày.
    • Đánh giá ảnh hưởng của pH (dải pH 4–5, 7–8, 9–10) đến hoạt động của vi sinh vật và hiệu suất xử lý COD.
  • Phương pháp nghiên cứu hấp phụ Amoni:
    • Khảo sát ảnh hưởng của pH dung dịch đến khả năng hấp phụ amoni.
    • Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ ban đầu (nồng độ gốc $\text{NH}_4^+$ 30 mg/L), liều lượng chất hấp phụ (150 g/L), thời gian tiếp xúc (240 phút).
    • Phân tích đẳng nhiệt hấp phụ theo mô hình Langmuir tại pH 6.
    • Tính toán động học hấp phụ thông qua mô hình động học biểu kiến bậc 1 và bậc 2.
  • Phương pháp sinh học phân tử:
    • Tách chiết ADN tổng số từ các mẫu vi sinh vật bám dính trên khối EBB (các mẫu ký hiệu A1, A2, A3, A4, A5).
    • Phản ứng khuếch đại gen PCR đoạn bảo tồn 16S rRNA.
    • Kỹ thuật điện di trên gel biến tính (Denaturing Gradient Gel Electrophoresis - DGGE) để phân tích đa hình di truyền các băng ADN.
    • Tính toán chỉ số đa dạng loài Shannon ($H'$) và chỉ số tương quan/đồng đều Pielou ($J'$); dựng cây phát sinh chủng loại thể hiện mối liên hệ giữa các nhóm vi sinh vật.
  • Phương pháp đánh giá hiệu quả xử lý trong phòng thí nghiệm và hiện trường:
    • Quy mô phòng thí nghiệm: Thử nghiệm trong các cột lọc với các mức lưu lượng khác nhau: 0,5; 1,0; 2,0; 3,0; 4,0; 5,0 L/giờ để xác định hiệu suất loại bỏ COD và Amoni.
    • Quy mô hiện trường: Lắp đặt mô hình xử lý tại:
      1. Hồ Khương Thượng (Hà Nội): khảo sát theo các điểm lấy mẫu xung quanh hồ.
      2. Nước rỉ rác Nhà máy chế biến rác Phương Đình (Đan Phượng, Hà Nội).
      3. Nước thải Bệnh viện E (Hà Nội).

Bảng số liệu đặc trưng các nguồn nước thải nghiên cứu

Thông số Nước thải sinh hoạt khu dân cư [5] (mg/L) Nước thải bệnh viện [13] (mg/L) Nước rỉ rác [11] (mg/L)
pH - 6,5 – 7,5 (TB 7,0) 6,5 – 8,5
Tổng chất rắn (TS) 200 – 700 - -
Chất rắn hòa tan (TDS) 250 – 850 (TB 500) - Cao, biến động mạnh
Chất rắn lơ lửng (SS/TSS) 100 – 350 (TB 220) 100 – 200 (TB 150) -
$\text{BOD}_5$ 110 – 400 (TB 220) 120 – 250 (TB 200) Biến động theo tuổi rác
COD - 150 – 350 (TB 300) 327 – 22.000
Tổng Nitơ (TN) 20 – 85 (TB 40) - 62 – 2.000
$\text{NH}_4^+$-N 12 – 50 (TB 25) - Dao động lớn
Tổng Coliforms $10^6 - 10^9$ MPN/100 mL [6] $10^6 - 10^9$ MPN/100 mL -
Nguồn phát sinh nước thải dịch vụ/công cộng Đơn vị tính Lưu lượng thải (Lít/ngày) [5]
Nhà ga, sân bay Hành khách 7,5 – 15
Khách sạn Khách lưu trú 152 – 212
Khách sạn Nhân viên phục vụ 30 – 45
Nhà ăn Người ăn 7,5 – 15
Siêu thị Người làm việc 26 – 50
Bệnh viện Giường bệnh 473 – 908
Bệnh viện Nhân viên phục vụ 19 – 56
Trường đại học Sinh viên 56 – 113
Bể bơi Người tắm 19 – 45
Khu triển lãm, giải trí Người tham quan 15 – 30
Lượng chất bẩn xả bình quân đầu người Giá trị theo TCXD 51:2007 (g/người.ngày) [5]
Chất lơ lửng (SS) 60 – 65
$\text{BOD}_5$ của nước thải chưa lắng 65
$\text{BOD}_5$ của nước thải đã lắng 30 – 35
$\text{NH}_4^+$-N 8
$\text{P}_2\text{O}_5$ 3,3
$\text{Cl}^-$ 10

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận và thực trạng liên quan đến đề tài:

  • Thực trạng ô nhiễm nước tại Việt Nam: Nêu rõ các số liệu điều tra tại Hà Nội và các đô thị lớn; đánh giá tình trạng quá tải của các trạm xử lý nước thải tập trung; phân tích đặc điểm hóa lý, vi sinh của nước thải sinh hoạt, nước hồ nội thành, nước rỉ rác và nước thải bệnh viện.
  • Hiện trạng công trình và công nghệ xử lý: Phân tích các mô hình hồ sinh học (Đà Nẵng, Phan Rang, Bình Hưng Hòa TP.HCM, Đồng Hới, Ninh Bình, Thanh Hóa); mô hình kỵ khí kết hợp bãi lọc ngầm nhân tạo (Hòa Bình, Yên Mô - Ninh Bình, Sông Công - Thái Nguyên).
  • Các quá trình sinh học và công nghệ màng sinh học: Trình bày nguyên lý bùn hoạt tính truyền thống, bùn hoạt tính cải tiến khử N-P (quá trình Bardenpho, anoxic trước/sau, NdN), công nghệ lọc màng sinh học bám dính ngập nước cố định và di động (MBBR). Phân tích vai trò của vi sinh vật (vi khuẩn phân hủy, vi khuẩn nitrat hóa, tảo, động vật nguyên sinh) và chất polyme ngoại bào (EPS) cấu tạo nên màng sinh học.
  • Tổng quan về khối EBB: Phân tích đặc tính cấu trúc, ưu điểm làm sạch nước và cơ chế cố định vi sinh của khối EBB Nhật Bản; từ đó xác định định hướng lựa chọn vật liệu trong nước (keramzit, zeolit, than, xi măng) để chế tạo EBB cải tiến.

Chương 2: Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu

Chương 2 mô tả chi tiết quy trình thực nghiệm và các kỹ thuật đo đạc:

  • Hóa chất, thiết bị và nguyên liệu: Sỏi nhẹ keramzit, zeolit, cát hạt, xi măng poóc-lăng, than cacbon hoạt tính, và chế phẩm vi sinh Sagi-Bio 2.
  • Quy trình chế tạo EBB cải tiến: Xác lập tỷ lệ phối trộn khô và lượng nước bổ sung (khảo sát các mức 100 mL, 120 mL, 150 mL); phương pháp đúc khuôn, đóng rắn và tạo lỗ xốp.
  • Phương pháp xác định đặc tính khối EBB: Phương pháp xác định thể tích rỗng, đo độ rỗng khối rắn; phân tích đẳng nhiệt hấp phụ BET để tính diện tích bề mặt; chụp ảnh SEM bề mặt và cấu trúc vi mao quản.
  • Quy trình cấy và đánh giá vi sinh: Quy trình đưa chế phẩm Sagi-Bio 2 vào vật liệu EBB; phương pháp đếm khuẩn lạc CFU/g cho nhóm hiếu khí và kỵ khí; bố trí thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng pH (4–5, 7–8, 9–10).
  • Phương pháp hấp phụ và sinh học phân tử: Phương pháp xây dựng đường đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir và phương trình động học bậc 1, bậc 2 của $\text{NH}_4^+$; quy trình tách chiết ADN, phản ứng PCR nhân đoạn gen mục tiêu và kỹ thuật điện di biến tính DGGE.
  • Bố trí mô hình thực nghiệm: Sơ đồ cột lọc trong phòng thí nghiệm (khảo sát lưu lượng từ 0,5 đến 5,0 L/h); mô hình thực nghiệm ngoài hiện trường tại hồ Khương Thượng, trạm xử lý nước rỉ rác Phương Đình và hệ thống xử lý nước thải Bệnh viện E.

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Chương 3 trình bày các phát hiện thực nghiệm của luận án:

  • Đặc trưng vật liệu EBB cải tiến:
    • Xác định lượng nước phối trộn: Lượng nước bổ sung tối ưu được xác định dựa trên sự đồng đều và độ liên kết của khối; hình ảnh các mẫu trộn 100 mL, 120 mL và 150 mL cho thấy mức độ phân bố mao quản và độ cứng khác biệt rõ rệt.
    • Hình thái và diện tích bề mặt: Ảnh SEM chứng minh cấu trúc vi xốp chằng chịt, tạo diện tích tiếp xúc cao cho vi sinh vật bám dính; kết quả đo BET xác nhận diện tích bề mặt riêng đạt yêu cầu bám dính vi sinh màng mỏng.
  • Khả năng duy trì và hoạt động của vi sinh vật:
    • Mật độ vi sinh vật tổng số (hiếu khí và kỵ khí) trong khối EBB duy trì ở mức cao sau 10 ngày cấy vi sinh.
    • Hoạt tính phân giải COD của vi sinh vật trong khối EBB duy trì tốt nhất ở dải pH trung tính (pH 7÷8); tại dải pH acid (4÷5) và kiềm (9÷10), hoạt tính vi sinh và hiệu suất xử lý COD bị suy giảm ở các mức độ khác nhau.
  • Đặc trưng hấp phụ Amoni:
    • Khả năng hấp phụ $\text{NH}_4^+$ của khối EBB đạt trạng thái cân bằng tốt tại pH 6, với thời gian tiếp xúc 240 phút và lượng chất hấp phụ 150 g/L đối với nồng độ ban đầu 30 mg/L.
    • Số liệu thực nghiệm tương thích cao với mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir và tuân theo quy luật động học hấp phụ biểu kiến (bậc 1 và bậc 2).
  • Phân tích đa dạng vi sinh vật bằng PCR-DGGE:
    • Kết quả điện di DGGE trên 5 mẫu thử nghiệm (A1, A2, A3, A4, A5) làm rõ số lượng và mật độ các băng (band) ADN đặc trưng cho các nhóm loài vi sinh vật khác nhau.
    • Tính toán chỉ số đa dạng Shannon ($H'$) và chỉ số tương quan Pielou ($J'$) giữa các mẫu, chỉ ra sự ổn định và tương thích của quần xã vi sinh dính bám trong khối EBB. Phân tích đa hình di truyền và cây phát sinh chủng loại chứng minh sự có mặt của các nhóm vi sinh vật phân giải chất hữu cơ và chuyển hóa nitơ.
  • Hiệu suất xử lý nước thải trong phòng thí nghiệm:
    • Khảo sát biến thiên hiệu suất xử lý COD và Amoni theo 6 dải lưu lượng (0,5; 1; 2; 3; 4; 5 L/h). Hiệu suất xử lý COD và $\text{NH}_4^+$ đạt cao nhất ở lưu lượng thấp (0,5–1,0 L/h) và giảm dần khi tăng tải trọng thủy lực lên 4–5 L/h do giảm thời gian lưu tiếp xúc.
  • Kết quả ứng dụng hiện trường:
    • Xử lý nước hồ Khương Thượng: Nồng độ COD và amoni tại các điểm lấy mẫu giảm rõ rệt sau khi cho dòng nước tiếp xúc qua hệ thống EBB cải tiến.
    • Xử lý nước rỉ rác (Phương Đình): Khối EBB cải tiến hỗ trợ loại bỏ đáng kể COD và amoni trong môi trường nước rỉ rác có nồng độ ô nhiễm cao.
    • Xử lý nước thải Bệnh viện E: Giảm thiểu đồng thời COD, các hợp chất nitơ và hỗ trợ giảm tải lượng chất ô nhiễm hữu cơ đầu ra.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới của luận án

  1. Làm chủ quy trình chế tạo EBB cải tiến từ nguyên liệu trong nước: Xác định được tỷ lệ phối trộn tối ưu giữa sỏi nhẹ keramzit, zeolit, cát, xi măng, than cacbon và nước để tạo ra khối EBB có độ rỗng, thể tích rỗng và diện tích bề mặt thích hợp, có độ bền cơ học cao, chịu nén tốt và phù hợp với điều kiện khí hậu Việt Nam.
  2. Tích hợp thành công chế phẩm vi sinh nội địa: Ứng dụng thành công chế phẩm vi sinh Sagi-Bio 2 vào cấu trúc khối EBB cải tiến, chứng minh khả năng duy trì mật độ vi sinh vật cao và ổn định màng sinh học sau khi cấy.
  3. Làm sáng tỏ cơ chế xử lý kết hợp: Luận án đã làm rõ cơ chế loại bỏ đồng thời hai nhóm chất ô nhiễm: cơ chế hấp phụ vật lý/hóa lý đối với amoni (xác lập các thông số động học và đẳng nhiệt Langmuir) và cơ chế phân hủy sinh học đối với COD và nitrat hóa bởi quần xã vi sinh vật dính bám.
  4. Ứng dụng kỹ thuật sinh học phân tử (PCR-DGGE): Đánh giá được sự đa dạng cấu trúc quần xã vi sinh vật trong vật liệu EBB cải tiến thông qua các chỉ số sinh thái học phân tử ($H'$, $J'$), khẳng định sự phong phú và tính thích nghi của hệ vi sinh vật trên giá thể.
  5. Đánh giá kiểm chứng trên nhiều loại nước thải thực tế: Cung cấp bộ dữ liệu thực nghiệm toàn diện về hiệu quả xử lý của khối EBB cải tiến từ quy mô phòng thí nghiệm đến các đối tượng phức tạp ngoài hiện trường (nước hồ ô nhiễm, nước rỉ rác, nước thải y tế).

Kiến nghị và khả năng áp dụng thực tiễn

  • Đề xuất ứng dụng khối EBB cải tiến làm giá thể sinh học xử lý tại chỗ (in-situ) cho các thủy vực nước mặt bị ô nhiễm như ao, hồ đô thị, kênh mương thoát nước, cũng như tích hợp vào các mô hình xử lý nước rỉ rác và nước thải bệnh viện.
  • Giá thành sản xuất vật liệu nội địa thấp hơn nhiều so với EBB nhập khẩu từ Nhật Bản, quy trình lắp đặt và vận hành đơn giản, không tiêu hao nhiều năng lượng, phù hợp với điều kiện kinh tế - xã hội tại các địa phương ở Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên phạm vi và nội dung trình bày trong luận án, một số hạn chế và định hướng nghiên cứu tiếp theo bao gồm:

  • Phạm vi khảo sát thời gian: Các thử nghiệm hiện trường tại hồ Khương Thượng, nhà máy rác Phương Đình và Bệnh viện E mới phản ánh hiệu quả xử lý trong giai đoạn nghiên cứu thử nghiệm; cần tiếp tục theo dõi độ bền cơ lý và sự biến động quần xã vi sinh trong thời gian dài (nhiều năm) dưới tác động của biến đổi thời tiết và thành phần nước thải phức tạp.
  • Quy mô áp dụng: Luận án tập trung vào các mô hình thử nghiệm cố định và cột lọc; cần tiếp tục nghiên cứu thiết kế mô đun hóa quy mô công nghiệp để thuận tiện cho việc thi công, vận chuyển và thay thế định kỳ trong các công trình xử lý nước thải công suất lớn.
  • Khảo sát cơ chế xử lý các chỉ tiêu khác: Nghiên cứu mới tập trung chủ yếu vào COD và Amoni; cần mở rộng đánh giá khả năng xử lý đồng thời photpho tổng (TP), kim loại nặng và các hợp chất hữu cơ khó phân hủy sinh học trong nước rỉ rác.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo trong các lĩnh vực:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học, sinh viên ngành Kỹ thuật Môi trường và Công nghệ Sinh học: Tham khảo quy trình chế tạo vật liệu mang xốp; phương pháp nghiên cứu động học/đẳng nhiệt hấp phụ; quy trình ứng dụng kỹ thuật sinh học phân tử (PCR-DGGE, chỉ số $H'$, $J'$) để phân tích hệ vi sinh vật môi trường.
  • Kỹ sư thiết kế và vận hành công trình xử lý nước thải: Sử dụng các thông số thực nghiệm về lưu lượng, pH tối ưu, khả năng chịu tải của giá thể EBB để tính toán, thiết kế các hệ thống xử lý sinh học bám dính hoặc cải tạo các ao hồ đô thị.
  • Cơ quan quản lý môi trường và doanh nghiệp: Cung cấp giải pháp kỹ thuật nội địa hóa giúp giảm chi phí đầu tư công nghệ xử lý nước thải, định hướng ứng dụng vật liệu thân thiện môi trường trong xử lý nước mặt đô thị và nước thải ô nhiễm hữu cơ cao.

Câu hỏi thường gặp

1. Khối EBB cải tiến trong luận án được chế tạo từ những nguyên liệu nào?

Khối EBB cải tiến được chế tạo từ các vật liệu khoáng sẵn có trong nước bao gồm: sỏi nhẹ keramzit, zeolit, cát hạt, xi măng poóc-lăng (làm chất kết dính), than cacbon hoạt tính, kết hợp với nước phối trộn theo tỷ lệ khảo sát và chế phẩm vi sinh hữu ích nội địa Sagi-Bio 2.

2. Sự khác biệt chính giữa EBB cải tiến của luận án và EBB thương mại của Nhật Bản là gì?

EBB thương mại Nhật Bản (do Công ty Koyoh sản xuất theo Bằng sáng chế 4065402) sử dụng đá núi lửa tự nhiên của Nhật Bản gắn kết bằng xi măng với chủng vi sinh Bacillus subtilis natto, có giá thành nhập khẩu cao. EBB cải tiến của luận án sử dụng hoàn toàn nguyên vật liệu nội địa (keramzit, zeolit, than cacbon) và chế phẩm vi sinh Sagi-Bio 2 của Việt Nam, giúp làm chủ công nghệ và giảm giá thành sản phẩm.

3. Kỹ thuật sinh học phân tử nào được dùng để phân tích vi sinh vật trong khối EBB?

Luận án sử dụng kỹ thuật tách chiết ADN tổng số, phản ứng khuếch đại gen PCR và điện di trên gel biến tính (Denaturing Gradient Gel Electrophoresis - DGGE) trên 5 mẫu (A1 đến A5), kết hợp tính toán chỉ số đa dạng loài Shannon ($H'$) và chỉ số tương quan Pielou ($J'$) cùng cây phát sinh chủng loại.

4. Khả năng hấp phụ Amoni của khối EBB cải tiến diễn ra tối ưu ở điều kiện nào?

Theo kết quả thực nghiệm của luận án, quá trình hấp phụ amoni của vật liệu EBB đạt hiệu quả và trạng thái cân bằng tốt ở điều kiện pH 6, với thời gian tiếp xúc 240 phút, lượng chất hấp phụ 150 g/L (với nồng độ ban đầu 30 mg/L) và tuân theo mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir cùng động học biểu kiến.

5. Khối EBB cải tiến đã được thử nghiệm thực tế trên những đối tượng nước thải nào?

Vật liệu EBB cải tiến đã được thử nghiệm trên 3 đối tượng thực tế ngoài hiện trường: nước hồ nội đô bị ô nhiễm tại hồ Khương Thượng (Hà Nội), nước rỉ rác tại Nhà máy chế biến rác Phương Đình (Đan Phượng, Hà Nội), và nước thải y tế tại Bệnh viện E (Hà Nội).

Kết luận

Luận án đã chế tạo khối mang sinh thái Eco-Bio-Block (EBB) cải tiến từ các nguồn nguyên vật liệu nội địa kết hợp chế phẩm vi sinh Sagi-Bio 2. Công trình đã làm rõ đặc trưng cấu trúc mao quản, diện tích bề mặt BET, cơ chế hấp phụ amoni và đặc điểm đa dạng của quần xã vi sinh vật dính bám thông qua kỹ thuật PCR-DGGE. Kết quả thử nghiệm trong phòng thí nghiệm và ngoài hiện trường tại hồ Khương Thượng, bãi rác Phương Đình và Bệnh viện E chứng minh tính khả thi của việc ứng dụng khối EBB cải tiến trong xử lý COD và amoni, cung cấp một giải pháp kỹ thuật có chi phí hợp lý cho công tác xử lý nước thải tại Việt Nam.