Luận Văn Thạc Sĩ: Kỹ Thuật Làm Giàu Vi Khuẩn Anammox Từ Bùn Kỵ Khí Trong Xử Lý Nước Thải Nhà Máy Thức Ăn Cá

• Tác giả: Nguyễn Thị Hồng Diệu
• Người hướng dẫn: PGS. Đặng Vũ Bích Hạnh
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Môi trường
• Đề tài: Làm giàu vi khuẩn Anammox từ bùn kỵ khí hệ thống xử lý nước thải nhà máy sản xuất thức ăn cá
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• LỜI CAM ĐOAN
• MỤC LỤC
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tính chất nước thải ngành sản xuất thức ăn thủy sản
• 1.2. Công nghệ xử lý nước thải ngành sản xuất thức ăn thủy sản
• 1.3. Quá trình Anammox
• 1.4. Lịch sử phát hiện và bản chất quá trình Anammox
• 1.5. Hóa sinh học của quá trình Anammox
• 1.6. Đặc điểm vi sinh học
• 1.7. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình Anammox
• 1.8. Tình hình nghiên cứu Anammox trên thế giới
• 1.9. Tình hình nghiên cứu Anammox trong nước
• 1.10. Các phương pháp phân lập nuôi cấy từ môi trường
• 1.10.1. Các phương pháp phân lập
• 1.10.2. Phương pháp nuôi cấy vi sinh vật
• 1.10.3. Định danh bằng phương pháp sinh học phân tử
• 2. CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Nội dung nghiên cứu
• 2.2. Thiết kế lắp đặt mô hình
• 2.3. Mô hình làm giàu vi khuẩn Anammox
• 2.4. Vật liệu thí nghiệm
• 2.5. Quy trình vận hành chung
• 2.6. Thử nghiệm thăm dò xác định các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình loại bỏ NH4+ - N
• 2.7. Các nghiệm thức ở ba tải trọng: 0,053 kgN/m3
• 2.8. Vật liệu thí nghiệm
• 2.9. Điều kiện vận hành
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Kết quả chạy thử nghiệm thăm dò
• 3.2. Kết quả chạy thích nghi sinh khối trên môi trường nuôi cấy là nước thải nhân tạo
• 3.3. Thí nghiệm 1: Khởi động nuôi cấy ở tải trọng 0,053 kgN/m3
• 3.4. Thí nghiệm 2: Tích lũy và làm giàu bùn ở tải trọng 0,25 kgN/m3
• 3.5. Thí nghiệm 3: Tích lũy và làm giàu bùn ở tải trọng 0,33 kgN/m3
• 3.6. Tốc độ loại bỏ Tổng Nitơ
• 3.7. Định danh xác định sự có mặt của vi khuẩn Anammox trong bùn hệ thống nuôi cấy
• 3.8. Đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình loại bỏ NH4+-N trong giai đoạn vận hành làm giàu bùn Anammox
• 3.8.1. pH và độ kiềm
• 3.8.2. Xây dựng phương trình hồi quy
• 3.9. Đặc điểm sinh khối Anammox
• 3.9.1. Sự phát triển của vi khuẩn Anammox
• 3.9.2. Màu sắc của bùn
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu và mục tiêu nghiên cứu

Luận văn thạc sĩ tập trung vào việc làm giàu vi khuẩn Anammox từ bùn kỵ khí của hệ thống xử lý nước thải tại nhà máy thức ăn cá. Mục tiêu chính là nuôi cấy và làm giàu sinh khối vi khuẩn Anammox để ứng dụng trong xử lý nước thải giàu nitơ. Nghiên cứu này nhằm giải quyết vấn đề xử lý nitơ trong nước thải công nghiệp, đặc biệt là từ các nhà máy sản xuất thức ăn thủy sản, bằng cách sử dụng công nghệ Anammox tiên tiến và hiệu quả.

1.1. Bối cảnh và ý nghĩa

Nước thải từ các nhà máy sản xuất thức ăn cá chứa hàm lượng cao các chất hữu cơ, nitơ và phốt pho. Việc xử lý nitơ trong nước thải là một thách thức lớn do chi phí và nhu cầu năng lượng cao. Công nghệ Anammox được chọn vì khả năng xử lý nitơ hiệu quả mà không cần bổ sung nguồn cacbon hữu cơ, giảm chi phí và năng lượng tiêu thụ. Nghiên cứu này cũng góp phần làm phong phú nguồn gen vi khuẩn Anammox bản địa, tăng khả năng thích nghi với môi trường xử lý nước thải tại Việt Nam.

1.2. Mục tiêu cụ thể

Nghiên cứu nhằm thiết kế và vận hành mô hình làm giàu vi khuẩn Anammox từ bùn kỵ khí, thích nghi sinh khối trên môi trường nước thải nhân tạo, và định danh sự hiện diện của vi khuẩn Anammox trong hệ thống. Các yếu tố ảnh hưởng như pH, nhiệt độ, và độ kiềm cũng được khảo sát để tối ưu hóa quá trình xử lý.

II. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng mô hình SBR (Sequencing Batch Reactor) để làm giàu vi khuẩn Anammox từ bùn kỵ khí. Quá trình được thực hiện trong 11 tháng với ba giai đoạn thí nghiệm: khởi động, tích lũy và làm giàu sinh khối. Các chỉ tiêu như pH, DO, nhiệt độ, và nồng độ nitơ được theo dõi định kỳ. Phương pháp PCR và giải trình tự DNA được sử dụng để định danh vi khuẩn Anammox.

2.1. Thiết kế mô hình

Mô hình SBR được thiết kế với thể tích hiệu dụng 9 lít, sử dụng bùn kỵ khí từ nhà máy sản xuất thức ăn cá. Quá trình vận hành bao gồm ba giai đoạn: khởi động với nồng độ 70 mgN/L, tích lũy ở 150 mgN/L, và làm giàu ở 200 mgN/L. Hiệu suất loại bỏ nitơ được đánh giá qua từng giai đoạn.

2.2. Phân tích và định danh

DNA từ mẫu bùn được tách chiết và PCR với các primers chọn lọc để xác định sự hiện diện của vi khuẩn Anammox. Kết quả giải trình tự cho thấy sự xuất hiện của loài Candidatus brocadia, một loài vi khuẩn Anammox phổ biến trong xử lý nước thải.

III. Kết quả và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu suất loại bỏ nitơ tăng dần qua các giai đoạn, từ 29% ở giai đoạn khởi động lên 88% ở giai đoạn làm giàu. Màu sắc của bùn chuyển từ đen sang nâu đỏ, cho thấy sự phát triển mạnh mẽ của vi khuẩn Anammox. Phân tích DNA xác nhận sự hiện diện của Candidatus brocadia, chứng minh hiệu quả của quá trình làm giàu.

3.1. Hiệu suất xử lý nitơ

Hiệu suất loại bỏ nitơ tăng đáng kể qua các giai đoạn, từ 29% ở tải trọng 0,053 kgN/m3 lên 64% ở 0,25 kgN/m3 và đạt 88% ở 0,33 kgN/m3. Điều này cho thấy khả năng thích nghi và phát triển của vi khuẩn Anammox trong môi trường nước thải giàu nitơ.

3.2. Định danh vi khuẩn

Kết quả PCR và giải trình tự DNA xác nhận sự hiện diện của Candidatus brocadia, một loài vi khuẩn Anammox phổ biến. Điều này chứng minh hiệu quả của quá trình làm giàu và khả năng ứng dụng công nghệ Anammox trong xử lý nước thải công nghiệp.

IV. Kết luận và kiến nghị

Nghiên cứu đã thành công trong việc làm giàu vi khuẩn Anammox từ bùn kỵ khí, đạt hiệu suất loại bỏ nitơ cao và xác định được loài Candidatus brocadia. Kết quả này có ý nghĩa quan trọng trong việc ứng dụng công nghệ Anammox để xử lý nước thải giàu nitơ tại các nhà máy sản xuất thức ăn cá và các ngành công nghiệp khác.

4.1. Ý nghĩa thực tiễn

Nghiên cứu cung cấp giải pháp hiệu quả và tiết kiệm chi phí cho việc xử lý nước thải giàu nitơ, đặc biệt là trong ngành sản xuất thức ăn thủy sản. Việc sử dụng vi khuẩn Anammox bản địa giúp tăng khả năng thích nghi và giảm thời gian khởi động hệ thống.

4.2. Hướng phát triển

Cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình làm giàu vi khuẩn Anammox và ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống xử lý nước thải công nghiệp. Ngoài ra, việc nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng như nhiệt độ, pH, và độ kiềm cần được mở rộng để nâng cao hiệu quả xử lý.

Tổng quan nghiên cứu

Ngành sản xuất thức ăn thủy sản tại Việt Nam ngày càng phát triển, kéo theo lượng nước thải chứa hàm lượng cao các chất dinh dưỡng như Nitơ (N) và Phốt pho (P) tăng lên đáng kể. Theo số liệu phân tích nước thải đầu vào tại một nhà máy sản xuất thức ăn cá ở Cần Thơ, tổng Nitơ đạt khoảng 946 mg/L, Ammonia lên tới 276 mg/L, cùng với các chỉ tiêu ô nhiễm hữu cơ như BOD5 và COD lần lượt là 19.500 mg/L và 26.840 mg/L. Việc xử lý hiệu quả các chất ô nhiễm này là thách thức lớn đối với các hệ thống xử lý nước thải truyền thống do yêu cầu cao về oxy và nguồn cacbon hữu cơ bổ sung.

Quá trình Anammox (Anaerobic Ammonium Oxidation) được xem là giải pháp tiềm năng trong xử lý nước thải giàu Nitơ nhờ khả năng loại bỏ ammonium và nitrite trong điều kiện kỵ khí, giảm thiểu nhu cầu oxy và không cần bổ sung cacbon hữu cơ. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là làm giàu vi khuẩn Anammox từ bùn kỵ khí lấy từ hệ thống xử lý nước thải nhà máy sản xuất thức ăn cá, nhằm phát triển nguồn vi sinh vật bản địa thích nghi cao với môi trường nước thải đặc thù. Nghiên cứu được thực hiện trong 11 tháng tại phòng thí nghiệm Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. HCM, với mô hình SBR kỵ khí thể tích 9 lít.

Kết quả nghiên cứu không chỉ góp phần bổ sung nguồn gen Anammox tại chỗ mà còn mang ý nghĩa thực tiễn trong việc nâng cao hiệu quả xử lý nước thải thủy sản giàu Nitơ, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tiết kiệm chi phí vận hành cho các nhà máy trong khu vực phía Nam Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: (1) Quá trình sinh học Anammox, trong đó vi khuẩn Anammox oxy hóa ammonium bằng nitrite trong điều kiện kỵ khí tạo thành khí nitơ phân tử, theo phản ứng:

$$ \mathrm{NH_4^+ + NO_2^- \rightarrow N_2 + 2H_2O} $$

với tỉ lệ mol NH4+ : NO2- = 1 : 1,32. (2) Mô hình phản ứng theo mẻ (Sequencing Batch Reactor - SBR) được sử dụng để làm giàu và nuôi cấy vi khuẩn Anammox trong môi trường nhân tạo.

Ba khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm:

• Vi khuẩn Anammox: Nhóm vi sinh vật thuộc bộ Planctomycetales, có khả năng oxy hóa ammonium kỵ khí.
• Bùn kỵ khí: Bùn lấy từ bể kỵ khí tiếp xúc trong hệ thống xử lý nước thải, chứa vi sinh vật bản địa.
• Tải trọng Nitơ (NLR): Lượng Nitơ được đưa vào bể phản ứng tính theo kg N/m³/ngày, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất xử lý.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là bùn kỵ khí lấy từ bể kỵ khí tiếp xúc của nhà máy sản xuất thức ăn cá tại Cần Thơ. Mô hình nghiên cứu là bể phản ứng SBR kỵ khí thể tích hiệu dụng 9 lít, vận hành trong 11 tháng với ba giai đoạn tải trọng Nitơ tăng dần: 0,053; 0,25 và 0,33 kgN/m³/ngày.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Theo dõi các chỉ tiêu pH, DO, nhiệt độ hàng ngày; ammonium (NH4+-N), nitrite (NO2--N), nitrate (NO3--N) hàng tuần.
• Phân tích DNA bằng kỹ thuật PCR với primers đặc hiệu (Ana_5’ và Ana_3’) để xác định sự hiện diện của vi khuẩn Anammox trong bùn.
• Giải trình tự gen 16S rDNA và xây dựng cây phát sinh loài để định danh vi khuẩn.
• Xử lý số liệu bằng phần mềm Excel 2010 và SPSS 23, xây dựng phương trình hồi quy tuyến tính đánh giá ảnh hưởng các yếu tố môi trường đến hiệu suất loại bỏ ammonium.

Timeline nghiên cứu:

• Tháng 02/2017: Bắt đầu thiết kế và lắp đặt mô hình.
• Tháng 03/2017 - 01/2018: Vận hành thí nghiệm 1 (khởi động).
• Tháng 02/2018 - 06/2018: Thí nghiệm 2 (tăng tải trọng).
• Tháng 07/2018 - 12/2018: Thí nghiệm 3 (tăng tải trọng cao hơn).
• Tháng 01/2019: Phân tích dữ liệu, định danh vi khuẩn và hoàn thiện luận văn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu suất loại bỏ ammonium tăng theo tải trọng Nitơ:

• Thí nghiệm 1 (tải trọng 0,053 kgN/m³/ngày) đạt hiệu suất loại bỏ ammonium tối đa 29%, SS trong bể đạt 1.866 mg/L.
• Thí nghiệm 2 (tải trọng 0,25 kgN/m³/ngày) hiệu suất tăng lên 64%, SS đạt 2.967 mg/L.
• Thí nghiệm 3 (tải trọng 0,33 kgN/m³/ngày) hiệu suất cao nhất 88%, SS đạt 3.781 mg/L.

2. Màu sắc bùn chuyển đổi đặc trưng: Sau 11 tháng vận hành, màu bùn chuyển từ đen sang nâu đỏ, dấu hiệu nhận biết sự phát triển của vi khuẩn Anammox do sắc tố cytochrome C trong enzym HZO.

3. Xác định vi khuẩn Anammox thuộc loài Candidatus Brocadia: Kết quả PCR đoạn 16S rDNA (~100-150 bp) và giải trình tự gen cho thấy sự hiện diện của vi khuẩn Anammox thuộc chi Candidatus Brocadia trong mẫu bùn nuôi cấy.

4. Ảnh hưởng của các yếu tố môi trường: pH được duy trì ổn định ở 7,5 ± 0,2, nhiệt độ 35 ± 2 °C là điều kiện tối ưu cho sự phát triển của vi khuẩn Anammox. DO được kiểm soát dưới 0,4 mg/L để tránh ức chế hoạt động vi sinh vật.

Thảo luận kết quả

Hiệu suất loại bỏ ammonium tăng rõ rệt theo tải trọng Nitơ cho thấy vi khuẩn Anammox được làm giàu thành công và thích nghi tốt với môi trường nhân tạo. Sự chuyển đổi màu sắc bùn là minh chứng sinh học cho sự phát triển của vi khuẩn Anammox, phù hợp với các nghiên cứu trước đây về đặc điểm sinh học của nhóm vi sinh vật này.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, hiệu suất loại bỏ ammon