Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Sản xuất tinh bột dong riềng và miến dong từ củ dong riềng (Canna edulis Ker.) là ngành nghề truyền thống phát triển mạnh tại nhiều vùng nông thôn Việt Nam. Hoạt động này tạo việc làm và gia tăng thu nhập cho người dân, tuy nhiên công nghệ sản xuất phần lớn ở quy mô hộ gia đình, thiết bị thô sơ và phân tán. Quá trình chế biến phát sinh lượng chất thải lớn gồm nước thải và bã thải giàu hợp chất hữu cơ dễ phân hủy. Nước thải từ các khâu nghiền, tách bã, lắng và tẩy trắng bột có nồng độ chất hữu cơ và chất rắn lơ lửng cao, các chỉ số BOD5, COD, SS, TN, TP vượt quy chuẩn kỹ thuật cho phép từ vài chục đến 200 lần, kèm theo nồng độ vi sinh vật gây hại (Coliform) cao.

Nhiều giải pháp công nghệ đã được thử nghiệm tại các làng nghề nhưng gặp khó khăn khi vận hành thực tế do chi phí đầu tư và vận hành lớn, diện tích chiếm đất cao, tính chất mùa vụ làm dao động lưu lượng thải, và các hệ thống kỵ khí truyền thống vận hành phức tạp, dễ phát sinh mùi hôi hoặc dừng hoạt động. Mặt khác, lượng bã thải dong riềng (chiếm 65–70% khối lượng nguyên liệu) chứa hàm lượng cellulose và hemicellulose cao chưa được thu gom riêng mà xả thẳng ra hệ thống thoát nước gây tắc nghẽn và ô nhiễm thứ cấp. Khoảng trống nghiên cứu đặt ra là: thiếu các chế phẩm vi sinh vật bản địa thích ứng để vận hành hiệu quả trong hệ thống xử lý sinh học hiếu khí tích hợp có khả năng phân ly thu bùn hoạt tính sớm không dùng hóa chất keo tụ, đồng thời chưa có giải pháp công nghệ đồng bộ để tận thu bã thải dong riềng làm cơ chất nuôi trồng nấm ăn nhằm gia tăng hiệu quả kinh tế và giảm tải ô nhiễm môi trường.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định 3 mục tiêu cụ thể:

  1. Tạo được chế phẩm vi sinh vật đáp ứng yêu cầu công nghệ xử lý nước thải để có thể tận thu bùn hoạt tính trong hệ thống xử lý sinh học hiếu khí tích hợp 5 chức năng (tập hợp các chủng vi khuẩn hô hấp hiếu khí bản địa có khả năng chuyển hóa cơ chất đa dạng, thích nghi và sinh trưởng tốt trong nước thải dong riềng, giảm nhanh chỉ số ô nhiễm và tạo bông bùn kết lắng thuận lợi).
  2. Thử nghiệm đánh giá bước đầu hiệu suất xử lý nước thải làng nghề sản xuất tinh bột dong riềng để thu bùn hoạt tính của chế phẩm ở quy mô phòng thí nghiệm và hiện trường.
  3. Đánh giá khái toán hiệu quả của việc tận thu bã dong riềng để nuôi trồng nấm sò trắng (Pleurotus florida).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Nước thải và bã thải phát sinh ngay sau quá trình nghiền tách bã và lắng lọc tinh bột dong riềng tại làng nghề; các chủng vi khuẩn hiếu khí bản địa phân lập từ bùn và nước thải làng nghề chế biến tinh bột; giống nấm sò trắng Pleurotus florida; chất mang và phụ gia phục vụ tạo chế phẩm vi sinh và cơ chất nuôi trồng nấm.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Không gian: Thử nghiệm phòng thí nghiệm (bình nón 500 ml, bình gián đoạn 5 lít, hệ thống xử lý liên tục 35 lít tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội) và thử nghiệm hiện trường trên hệ thống bể xử lý sinh học hiếu khí tích hợp 5 chức năng dung tích 33 m³ xây dựng tại làng nghề chế biến tinh bột dong riềng Minh Hồng, xã Minh Quang, huyện Ba Vì, thành phố Hà Nội.
    • Thời gian: Số liệu điều tra, lấy mẫu và thực nghiệm thực hiện trong giai đoạn 2011–2017 theo chu kỳ sản xuất mùa vụ của làng nghề.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước

Luận án đã tổng hợp các hướng nghiên cứu trong nước và quốc tế liên quan đến đặc tính chất thải, công nghệ xử lý sinh học và khai thác phụ phẩm ngành chế biến tinh bột:

  1. Nghiên cứu đặc tính nước thải và hiện trạng ô nhiễm làng nghề:

    • Trên thế giới: Các công trình của Rajasimman (2007), Dubey (2013), Colin (1995), Paixao (2000), Sun (2006), Wang (2009), Zhang (2010) chỉ ra nước thải chế biến tinh bột có pH thấp (4,0–5,8), hàm lượng COD (4.800–70.420 mg/l), BOD5 (1.680–6.820 mg/l), TSS và VSS cao, chủ yếu là ô nhiễm hữu cơ hòa tan và lơ lửng.
    • Tại Việt Nam: Các báo cáo Hiện trạng Môi trường Quốc gia (Bộ Tài nguyên và Môi trường, 2008), nghiên cứu của Lê Thị Long Vy và cộng sự (2009) tại Tứ Dân (Hưng Yên), Nguyễn Phương Hạnh và cộng sự tại Dương Liễu (Hoài Đức, Hà Nội), Đỗ Đức Ngãi và cộng sự (2000) tại Cát Quế, Trần Văn Thể và cộng sự (2013) về thiệt hại kinh tế do ô nhiễm làng nghề chế biến nông sản (Dương Liễu, Quế Dương, Kim Phượng).

  2. Giải pháp công nghệ xử lý nước thải tinh bột:

    • Công nghệ xử lý kỵ khí và kết hợp quốc tế: Hệ thống phản ứng kỵ khí vách ngăn ABR (Fawifik và cộng sự, 2013), hệ thống màng sinh học tầng sôi ngược dòng IFBBR (Rajasimman, 2007), xử lý kết hợp kỵ khí - hiếu khí - thiếu khí và keo tụ hóa học Fe3+ (Sidryar và cộng sự).
    • Công nghệ xử lý tại Việt Nam: Hệ thống chuỗi hồ sinh học tại Tân Châu - Tây Ninh; bể UASB kết hợp hồ hiếu khí tại Phước Long - Bình Phước; các đề tài nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải làng nghề KC 07-07 (Nguyễn Thế Truyền, 2003), KC 08-09 (Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường - ĐHBKHN), các đề xuất xử lý kỵ khí thu hồi biogas của Huỳnh Ngọc Phương Mai.

  3. Ứng dụng chế phẩm vi sinh vật xử lý chất thải:

    • Các công trình ứng dụng chế phẩm Biomix 2 xử lý nước thải chế biến dứa và nước thải làng nghề bún bánh của Tăng Thị Chính (2006, 2007); chế phẩm EM gốc (Nhật Bản); chế phẩm Bio-EM, Emic (Việt Nam); chế phẩm Biowish Aqua (Thái Lan); chế phẩm RoeTech104 (Hoa Kỳ) chứa các chủng thuộc chi Bacillus, Streptomyces, Lactobacillus.

  4. Khai thác và tái sử dụng chất thải ngành tinh bột:

    • Nghiên cứu lên men thu hồi acid lactic từ bã khoai tây bằng Rhizopus arrhizus (Huang và cộng sự, 2005); thu sinh khối protein đơn bào từ nước thải tinh bột sắn bằng Aspergillus oryzae (Truong Q. T. và cộng sự, 2008); thu hồi polyphenol và tanin từ bã dong riềng (Zhang và cộng sự, 2012); sinh tổng hợp polyhydroxyalkanoate (PHA) từ phụ phẩm tinh bột sắn bằng Bacillus megaterium (Kanjanachumpol và cộng sự, 2013); sinh tổng hợp enzyme amylase từ Bacillus subtilis và Aspergillus niger (Raju và cộng sự, 2013).

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Các công trình trước đây tại Việt Nam chủ yếu áp dụng quy trình xử lý kỵ khí truyền thống (UASB, Biogas) kết hợp hồ sinh học hoặc aerotank, đòi hỏi diện tích xây dựng lớn, thời gian lưu dài, tạo lượng bùn khó kiểm soát và không thích ứng được với tính biến động mùa vụ của làng nghề. Luận án lựa chọn giải quyết khoảng trống:

  • Phân lập, tuyển chọn và xây dựng tập hợp chủng vi khuẩn hiếu khí bản địa thích nghi tốt với nước thải dong riềng để tạo chế phẩm vi sinh có mật độ tế bào cao, hoạt tính phân giải tinh bột, protein, cellulose mạnh và khả năng tạo bông bùn kết lắng nhanh.
  • Ứng dụng chế phẩm vào vận hành hệ thống bể xử lý sinh học hiếu khí tích hợp 5 chức năng, cho phép tách phân ly sớm bùn hoạt tính tự lắng ngay trong quá trình xử lý mà không cần dùng hóa chất keo tụ, rút ngắn thời gian khởi động hệ thống.
  • Xây dựng quy trình tận dụng bã thải dong riềng tách sớm làm giá thể nuôi trồng nấm sò trắng (Pleurotus florida), tạo nguồn phụ thu kinh tế cho người sản xuất.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

  • Cơ chế chuyển hóa sinh học hiếu khí: Dựa trên quá trình oxy hóa sinh hóa các chất hữu cơ qua 3 giai đoạn: (1) Oxy hóa cơ chất cung cấp năng lượng; (2) Đồng hóa xây dựng tế bào mới; (3) Dị hóa và hô hấp nội bào khi cơ chất cạn kiệt. Quá trình sử dụng oxy phân tử làm chất nhận điện tử cuối cùng, chuyển hóa chất hữu cơ thành CO2, H2O và sinh khối vi sinh vật (bùn hoạt tính).
  • Nguyên lý vận hành của bể xử lý sinh học hiếu khí tích hợp 5 chức năng: Hệ thống tích hợp các vùng chức năng trong cùng một công trình: (1) Cửa cấp khí và vùng hiếu khí dạng cột bọt khí - lỏng; (2) Vùng vi hiếu khí (anoxic); (3) Vùng kỵ khí (anaerobic); (4) Vùng lắng và tháo bùn hoạt tính lớn theo quán tính trọng lực; (5) Vùng lọc và hấp phụ chất rắn lơ lửng trước khi xả ra cửa thoát nước.
Ký hiệu thiết bị / Vùng chức năng Chức năng công nghệ
Thiết bị cấp khí (1) Cung cấp oxy hòa tan, tạo động lực tuần hoàn dòng lỏng
Vùng hiếu khí (2) Vi sinh vật chuyển hóa oxy hóa cơ chất, tăng sinh khối
Vùng vi hiếu khí (3) Khử nitrat (denitrification), chuyển hóa giảm oxy hòa tan
Vùng vi hiếu khí - kỵ khí (4) Chuyển hóa kỵ khí các hợp chất khó tan
Vùng lắng và tháo bùn (5) Tách bùn hoạt tính kích thước lớn theo quán tính dòng chảy
Vật liệu lọc - hấp phụ (6) Giữ lại hạt cặn mịn, làm trong nước đầu ra
Cửa thoát nước sau xử lý (7) Dẫn dòng nước sau xử lý đạt chuẩn xả thải
Vách ngăn phân vùng (8) Định hướng dòng chảy tuần hoàn và phân vùng động học
Cửa cấp nước thải vào bể (9) Phân phối dòng thải đầu vào tại đáy bể

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

  • Phương pháp lấy mẫu và phân tích môi trường: Lấy mẫu, bảo quản và phân tích các chỉ tiêu pH, nhiệt độ, COD, BOD5, SS, TN, TP, Coliform theo Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) và Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia (QCVN 40:2011/BTNMT, QCVN 08:2008/BTNMT); đánh giá đặc tính bùn qua chỉ số thể tích bùn (SVI), MLSS, MLVSS.
  • Phương pháp vi sinh học và sinh học phân tử:
    • Phân lập vi khuẩn trên môi trường thạch dinh dưỡng từ nước thải và bùn hoạt tính làng nghề Minh Hồng (Ba Vì).
    • Tuyển chọn chủng theo hoạt tính sinh enzyme (amylase, protease, cellulase), khả năng chịu tải ô nhiễm và khả năng tạo bông lắng.
    • Định danh chủng vi sinh vật bằng kit sinh hóa API 50 CHB (Biomerieux) và giải trình tự gen 16S rDNA thông qua phản ứng chuỗi trùng hợp PCR, điện di gel agarose và so sánh tương đồng trên ngân hàng gen BLAST.
  • Phương pháp tối ưu hóa điều kiện nuôi cấy:
    • Khảo sát ảnh hưởng của nguồn dinh dưỡng (Carbon, Nitơ), tỉ lệ cấp giống, pH, nhiệt độ, tốc độ lắc, tốc độ cấp khí trên bình nón và thiết bị lên men 5 lít.
    • Áp dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm và bề mặt đáp ứng (Response Surface Methodology - RSM) phân tích phương sai ANOVA để xác định điều kiện lên men tối ưu.
  • Phương pháp chế tạo chế phẩm vi sinh vật:
    • Tuyển chọn chất mang (cám gạo, bột trấu, diatomite, than hoạt tính, zeolit), xác định tỉ lệ phối trộn dịch lên men với chất mang, khảo sát nhiệt độ sấy, điều kiện bao gói và bảo quản.
  • Phương pháp thử nghiệm xử lý nước thải:
    • Thử nghiệm gián đoạn trong bình nón 500 ml và bình phản ứng 5 lít.
    • Thử nghiệm trên mô hình hệ thống xử lý liên tục thể tích 35 lít.
    • Thử nghiệm thực địa tại bể xử lý tích hợp 5 chức năng dung tích 33 m³ tại cơ sở sản xuất làng nghề Minh Hồng.
  • Phương pháp nuôi trồng nấm sò trắng (Pleurotus florida):
    • Xử lý bã dong riềng bằng nước vôi (nồng độ 0,5% đến 2,0%), phối trộn phụ gia (cám gạo, cám ngô), khử trùng cơ chất, cấy giống cấp 2, theo dõi tốc độ sinh trưởng hệ sợi, thời gian xuất hiện quả thể, năng suất nấm và hàm lượng dinh dưỡng trong quả thể.

Nội dung chính theo từng chương

Mở đầu

Phần mở đầu trình bày bối cảnh kinh tế - xã hội của làng nghề chế biến tinh bột dong riềng tại nông thôn Việt Nam, thực trạng ô nhiễm môi trường do nước thải và bã thải chưa qua xử lý, tính cấp thiết của đề tài, 3 mục tiêu nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, 2 nội dung nghiên cứu chính (xử lý nước thải và xử lý bã thải), ý nghĩa khoa học, thực tiễn và những kết quả đóng góp mới của luận án.

Chương 1: Tổng quan tài liệu

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận và thực tiễn gồm:

  1. Nguồn nguyên liệu và quy trình sản xuất: Đặc điểm hình thái và hóa học củ dong riềng (Canna edulis Ker.), trong đó tinh bột chiếm 12–25%, cellulose chiếm 5,6–8,8%. Cân bằng vật chất chỉ ra chế biến 1.000 kg củ dong tươi tiêu tốn khoảng 13,7 m³ nước thải (khâu rửa củ 1,7 m³, khâu lọc tách bột 8,5 m³, khâu khuấy rửa làm trắng bột 3,5 m³), sinh ra 800 kg bã thải ẩm (độ ẩm 90%), 100 kg tạp chất rắn, 100 kg bột đen và 290 kg bột ẩm thương phẩm (độ ẩm 50%).
  2. Thực trạng ô nhiễm môi trường làng nghề: Phân tích dữ liệu ô nhiễm tại các làng nghề Dương Liễu, Cát Quế, Minh Khai (Hoài Đức), Tân Hòa, Cộng Hòa (Quốc Oai), Tứ Dân (Hưng Yên), Minh Hồng (Ba Vì). Nước thải có COD lên đến 6.406–7.378,8 mg/l, BOD5 đạt 486,8–5.506 mg/l, Coliform lên đến 900.10³ MPN/100ml.
  3. Cơ sở khoa học và các giải pháp công nghệ: Phân tích động học các quá trình phân giải sinh học kỵ khí (4 giai đoạn: thủy phân, lên men acid, tạo acetat, sinh metan), hiếu khí (3 giai đoạn) và thiếu khí. Đánh giá ưu nhược điểm của các hệ thống UASB, ABR, IFBBR, Aerotank, chuỗi hồ sinh học. Luận giải nguyên lý bể xử lý sinh học hiếu khí tích hợp 5 chức năng có khả năng phân ly thu bùn hoạt tính sớm.
  4. Ứng dụng vi sinh vật chi Bacillus: Đánh giá tính an toàn sinh học, khả năng sinh bào tử chịu nhiệt và hệ enzyme ngoại bào phong phú của Bacillus trong xử lý nước thải và tận thu chất thải rắn.
Thành phần hóa học củ dong tươi Hàm lượng (%)
Nước 64,0 – 80,0
Tinh bột 12,0 – 25,0
Cellulose 5,6 – 8,8
Protein 0,9 – 2,3
Pectin, đường 0,8 – 1,0
Các chất hoạt động sinh học 1,2
Lipit 0,1 – 0,7

Chương 2: Vật liệu và phương pháp nghiên cứu

Chương 2 mô tả chi tiết nguồn gốc vật liệu, hóa chất, chủng giống và quy trình phân tích:

  1. Đối tượng vật liệu: Nước thải và bùn hoạt tính lấy tại làng nghề Minh Hồng (Ba Vì); giống nấm Pleurotus florida cung cấp từ Trung tâm Công nghệ Sinh học Thực vật - Viện Di truyền Nông nghiệp; các môi trường nuôi cấy vi sinh (môi trường dịch thể LB, MT1, MT2, MT thay thế từ phụ phẩm nông nghiệp).
  2. Quy trình phân tích: Phương pháp đo pH, COD (phương pháp chuẩn độ Bicromat), BOD5 (phương pháp chai đo 5 ngày ở 20°C), SS (phương pháp sấy cân ở 105°C), TN (phương pháp Kjeldahl), TP (phương pháp so màu Phosphomolybdat).
  3. Quy trình sinh học: Chu trình nhiệt phản ứng PCR khuếch đại gen 16S rDNA với cặp mồi chuẩn, giải trình tự gen; phương pháp khảo sát thông số lên men trên bình nón và thiết bị lên men Fermentor 5 lít (hãng B.Braun); quy trình phối trộn chất mang, sấy tầng sôi tạo chế phẩm dạng bột; bố trí thí nghiệm trồng nấm sò trên các công thức giá thể bã dong riềng kết hợp phụ gia.

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm đạt được:

  1. Đặc tính nước thải và phân lập, định danh chủng vi khuẩn:
    • Nước thải đầu nguồn tại Minh Hồng có tính acid (pH 4,2–4,8), hàm lượng cặn SS cao (2.150–3.800 mg/l), COD dao động từ 4.500–8.200 mg/l, BOD5 từ 2.800–5.100 mg/l.
    • Từ các mẫu bùn và nước thải, tuyển chọn được 3 chủng vi khuẩn bản địa có hoạt tính sinh học cao: chủng NT1 sinh amylase và protease mạnh; chủng Ba1 sinh cellulase và amylase; chủng H12 có khả năng đồng hóa chất hữu cơ và tạo bông bùn tốt.
    • Kết quả giám định sinh hóa qua kit API 50 CHB và giải trình tự gen 16S rDNA xác định: Chủng NT1 là Bacillus subtilis NT1; Chủng Ba1 là Bacillus methylotrophicus Ba1; Chủng H12 là Bacillus amyloliquefaciens H12. Cả ba chủng không có tính đối kháng lẫn nhau trên môi trường nuôi cấy chung.
Tên chủng phân lập Tên loài định danh Hoạt tính enzyme chính Khả năng giảm COD sau 24h Chỉ số SVI của bùn (ml/g)
NT1 Bacillus subtilis NT1 Amylase, Protease ≥ 88% 95 – 110
Ba1 Bacillus methylotrophicus Ba1 Cellulase, Amylase ≥ 85% 100 – 120
H12 Bacillus amyloliquefaciens H12 Amylase, Protease ≥ 90% 90 – 105

  1. Tối ưu hóa điều kiện nuôi cấy thu sinh khối và sản xuất chế phẩm:

    • Môi trường tối ưu cho sinh trưởng các chủng gồm nguồn carbon (tinh bột hoặc glucose 1,5–2,0%), nguồn nitơ (pepton hoặc cao nấm men 0,5–1,0%), pH ban đầu 7,0–7,2, nhiệt độ nuôi cấy 35–37°C, tốc độ lắc 180–200 vòng/phút, thời gian nuôi cấy 24–28 giờ để đạt mật độ cực đại (10⁸–10⁹ CFU/ml).
    • Thiết lập mô hình bề mặt đáp ứng và phân tích phương sai ANOVA cho chủng NT1 xác định được tương tác giữa nồng độ cơ chất và thời gian lên men.
    • Đã chế tạo thành công chế phẩm vi sinh vật dạng bột: Sử dụng chất mang phối trộn giữa bột trấu, cám gạo và khoáng diatomite theo tỷ lệ dịch sinh khối/chất mang là 1:1,5 (v/w); nhiệt độ sấy tầng sôi ở 45–50°C; độ ẩm chế phẩm đạt ≤ 10%; mật độ tổng số 3 chủng vi khuẩn Bacillus trong chế phẩm sau sấy đạt ≥ 10⁹ CFU/g; thời gian bảo quản trong túi nhôm hàn kín ở nhiệt độ phòng đạt trên 6 tháng với độ sống sót duy trì > 85%.

  2. Thử nghiệm năng lực xử lý nước thải của chế phẩm vi sinh:

    • Quy mô phòng thí nghiệm (bình 500 ml và 5 lít): Tỷ lệ bổ sung chế phẩm thích hợp là 0,1–0,2 g/l; pH môi trường tối ưu từ 6,8–7,5; thời gian khởi động tạo màng bùn hoạt tính đạt 4 ngày; hiệu suất khử COD đạt ≥ 90%, tổng nitơ (TN) giảm ≥ 80%, bùn tạo thành có chỉ số SVI dao động 90–120 ml/g, lắng nhanh trong 10 phút đầu.
    • Quy mô hệ thống xử lý liên tục 35 lít: Vận hành với tải lượng COD từ 2,5–4,0 kg COD/m³.ngày, thời gian lưu nước (HRT) từ 18–24 giờ, nước đầu ra trong, hàm lượng SS < 50 mg/l, COD giảm từ 4.200 mg/l xuống dưới 100 mg/l.
    • Quy mô hiện trường tại bể 33 m³ (Minh Hồng - Ba Vì): Thời gian xác lập trạng thái vận hành ổn định là 20 ngày khi nồng độ COD nước thải đầu vào cao (≥ 4.000 mg/l). Khi hệ thống đạt trạng thái ổn định, nồng độ bùn hoạt tính MLSS trong bể duy trì 3.500–4.200 mg/l, bùn lắng tốt tại ngăn thu bùn và tách định kỳ. Chất lượng nước thải đầu ra đạt Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp QCVN 40:2011/BTNMT cột A.
Thông số ô nhiễm Nước thải đầu vào (Minh Hồng) Sau xử lý tại bể 33 m³ QCVN 40:2011/BTNMT (Cột A)
pH 4,5 – 5,2 7,1 – 7,4 6,0 – 9,0
COD (mg/l) 4.200 – 6.500 58 – 72 75
BOD5 (mg/l) 2.600 – 3.900 22 – 28 30
SS (mg/l) 1.800 – 3.200 35 – 45 50
Tổng Nitơ - TN (mg/l) 120 – 185 14,5 – 18,2 20
Tổng Phospho - TP (mg/l) 28 – 45 3,2 – 4,1 4,0
Coliform (MPN/100ml) 4,5.10⁶ – 9,0.10⁶ 1.800 – 2.400 3.000
  1. Ứng dụng bã thải dong riềng nuôi trồng nấm sò trắng (Pleurotus florida):
    • Phân tích thành phần bã dong riềng khô: Độ ẩm 12,95%, carbon tổng số 95,55 g/100g, protein 2,05 g/100g, cellulose và hemicellulose chiếm tỷ lệ cao, tinh bột sót 0,072 g/100g.
    • Thử nghiệm giá thể: Xử lý bã dong riềng bằng nước vôi 1,0% để điều chỉnh pH về 7,0–7,5, phối trộn thêm 5% cám gạo hoặc cám ngô làm phụ gia dinh dưỡng.
    • Kết quả nuôi trồng: Hệ sợi nấm ăn kín cơ chất sau 18–20 ngày cấy giống; thời gian xuất hiện quả thể đợt 1 từ 24–26 ngày; thu hoạch 3–4 đợt quả thể; hiệu suất sinh học (năng suất nấm tươi/khối lượng bã khô) đạt 49,52% (tương đương 495,2 kg nấm tươi/tấn bã dong khô). Quả thể nấm sinh trưởng bình thường, hàm lượng protein thô đạt 21,5% chất khô, không tích lũy kim loại nặng độc hại.
    • Khái toán hiệu quả kinh tế: Tận thu bã dong riềng để nuôi trồng nấm mang lại giá trị gia tăng ước tính đạt 4.000.000 đồng/tấn bã dong khô (sau khi trừ chi phí nguyên vật liệu phụ trợ, giống và công lao động).

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học

  1. Đã phân lập, tuyển chọn và định danh được 3 chủng vi khuẩn bản địa thuộc chi Bacillus gồm: Bacillus subtilis NT1, Bacillus methylotrophicus Ba1 và Bacillus amyloliquefaciens H12 có các đặc tính sinh học phù hợp với điều kiện vận hành của bể xử lý sinh học hiếu khí tích hợp 5 chức năng: tốc độ sinh trưởng nhanh trong nước thải dong riềng (mật độ 10⁸–10⁹ CFU/ml sau 24 giờ), năng lực oxy hóa các hợp chất hữu cơ cao (hiệu suất giảm COD tan ≥ 90%), khả năng tạo bùn hoạt tính kết bông lắng nhanh (chỉ số SVI đạt 90–120 ml/g, phần lớn bùn lắng sau 10 phút).
  2. Làm sáng tỏ cơ sở động học và sinh học của quá trình chuyển hóa các chất ô nhiễm hữu cơ và cơ chế phân ly bùn hoạt tính sớm trong bể xử lý sinh học hiếu khí tích hợp 5 chức năng không sử dụng hóa chất trợ keo tụ.
  3. Xác lập được cơ sở khoa học của việc chuyển đổi bã thải dong riềng giàu hợp chất lignocellulose thành cơ chất nuôi trồng nấm sò trắng (Pleurotus florida).

Đóng góp mới về mặt thực tiễn

  1. Xây dựng hoàn chỉnh quy trình công nghệ lên men thu sinh khối và công nghệ sản xuất chế phẩm vi sinh vật bản địa dạng bột chịu nhiệt, bảo quản ổn định với mật độ tế bào đạt ≥ 10⁹ CFU/g.
  2. Ứng dụng thành công chế phẩm vi sinh vật trong hệ thống xử lý nước thải tích hợp 5 chức năng quy mô thực địa 33 m³ tại làng nghề Minh Hồng (Ba Vì - Hà Nội), rút ngắn thời gian khởi động hệ thống xuống 20 ngày đối với nước thải có tải lượng hữu cơ cao (COD ≥ 4.000 mg/l), chất lượng nước sau xử lý đạt cột A theo QCVN 40:2011/BTNMT.
  3. Đề xuất quy trình công nghệ thu gom, xử lý bã thải dong riềng phục vụ nuôi nấm sò trắng đạt năng suất 49,52% (495,2 kg nấm tươi/tấn bã khô), mở ra hướng đi giải quyết triệt để chất thải rắn và tăng thu nhập cho các hộ dân làng nghề.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Đề xuất các địa phương có làng nghề chế biến tinh bột áp dụng mô hình công nghệ kết hợp: Thu gom tách riêng dòng bã thải ngay sau vắt ly tâm để phục vụ trồng nấm; dòng nước thải được dẫn về bể xử lý sinh học hiếu khí tích hợp 5 chức năng có bổ sung chế phẩm vi khuẩn Bacillus bản địa.
  • Hoàn thiện thiết bị cơ giới hóa khâu phối trộn, đảo ủ bã dong riềng ở quy mô tập trung và kiểm soát chặt chẽ độ ẩm, dịch bệnh trong quá trình nuôi trồng nấm.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

  • Nghiên cứu thực nghiệm hiện trường của hệ thống bể tích hợp 5 chức năng dung tích 33 m³ mới được triển khai thử nghiệm tại một cơ sở sản xuất điển hình ở làng nghề Minh Hồng (Ba Vì, Hà Nội), chưa đánh giá toàn diện trên các địa bàn có đặc thù nguồn nước và quy trình công nghệ khác nhau (như chế biến tinh bột sắn kết hợp hoặc quy mô bán công nghiệp).
  • Nghiên cứu nuôi nấm sò trắng trên bã dong riềng mới được thực hiện ở quy mô thử nghiệm bán tự nhiên theo thời vụ mùa đông - xuân, chưa kiểm soát hoàn toàn các thông số vi khí hậu (nhiệt độ, độ ẩm buồng nuôi tự động) trong điều kiện mùa hè.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Tiếp tục nghiên cứu mở rộng ứng dụng chế phẩm vi sinh vật bản địa và bể xử lý 5 chức năng cho các loại nước thải chế biến nông sản thực phẩm khác (tinh bột sắn, dong riềng quy mô công nghiệp, bún bánh).
  • Nghiên cứu sử dụng nguồn bùn hoạt tính giàu dinh dưỡng thu hồi từ bể tích hợp 5 chức năng để chế biến thành phân bón hữu cơ vi sinh phục vụ trồng trọt.
  • Thử nghiệm nuôi trồng thêm các loài nấm ăn và nấm dược liệu khác (nấm rơm, nấm linh chi, nấm mộc nhĩ) trên cơ chất bã dong riềng phối trộn.

Giá trị tham khảo

Đối tượng thụ hưởng và ứng dụng

  • Nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Công nghệ Sinh học, Kỹ thuật Môi trường: Tài liệu tham khảo về phương pháp phân lập, định danh vi khuẩn bản địa, kỹ thuật tối ưu hóa điều kiện lên men sinh khối bằng phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM/ANOVA), và công nghệ tạo chế phẩm vi sinh vật dạng bột trên chất mang rắn.
  • Giảng viên và các nhà nghiên cứu: Dữ liệu thực nghiệm về cân bằng vật chất quy trình chế biến củ dong riềng, động học chuyển hóa hiếu khí trong công trình tích hợp, và các chỉ số sinh học - hóa lý của nước thải làng nghề.
  • Cơ quan quản lý môi trường và nhà hoạch định chính sách địa phương: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng mô hình quản lý, quy hoạch môi trường làng nghề nông thôn theo định hướng kinh tế tuần hoàn và tận thu phụ phẩm.
  • Hộ gia đình, hợp tác xã sản xuất miến dong và tinh bột: Giải pháp kỹ thuật xử lý nước thải đạt quy chuẩn với chi phí vận hành thấp, cùng quy trình thực tế để tận dụng bã dong tăng thêm thu nhập từ nuôi trồng nấm ăn.

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án đã phân lập và tuyển chọn được những chủng vi khuẩn nào?

Luận án đã phân lập và tuyển chọn được 3 chủng vi khuẩn bản địa từ bùn và nước thải làng nghề, gồm:

  • Bacillus subtilis NT1 (hoạt tính phân giải tinh bột và protein mạnh);
  • Bacillus methylotrophicus Ba1 (hoạt tính phân giải cellulose và tinh bột);
  • Bacillus amyloliquefaciens H12 (khả năng đồng hóa cơ chất và tạo bông bùn kết lắng tốt). Các chủng này có khả năng sinh trưởng đồng thời, không đối kháng, đạt mật độ 10⁸–10⁹ CFU/ml sau 24 giờ nuôi cấy và tạo bùn hoạt tính có chỉ số SVI từ 90–120 ml/g.

2. Cấu trúc và nguyên lý của bể xử lý sinh học hiếu khí tích hợp 5 chức năng có điểm gì đặc biệt?

Bể tích hợp đồng thời 5 vùng chức năng trong một khối công trình: Vùng hiếu khí (cột bọt khí - lỏng sục khí liên tục), vùng vi hiếu khí (anoxic), vùng kỵ khí (anaerobic), vùng lắng - tháo bùn hoạt tính lớn theo quán tính trọng lực, và vùng lọc - hấp phụ làm trong nước. Cấu trúc này cho phép dòng nước tuần hoàn tự nhiên và tách thu bùn hoạt tính sớm ngay trong quá trình xử lý mà không cần dùng hóa chất trợ keo tụ.

3. Hiệu quả xử lý nước thải thực tế ngoài hiện trường tại làng nghề Minh Hồng đạt kết quả như thế nào?

Tại bể thử nghiệm dung tích 33 m³ ở làng nghề Minh Hồng (Ba Vì, Hà Nội), sau 20 ngày khởi động với nước thải có COD đầu vào ≥ 4.000 mg/l, hệ thống vận hành ổn định: COD giảm từ 4.200–6.500 mg/l xuống 58–72 mg/l (hiệu suất > 98%), BOD5 giảm từ 2.600–3.900 mg/l xuống 22–28 mg/l, SS giảm xuống 35–45 mg/l, TN giảm xuống 14,5–18,2 mg/l. Nước thải đầu ra đạt quy chuẩn QCVN 40:2011/BTNMT cột A.

4. Tận thu bã thải dong riềng để nuôi trồng nấm sò trắng đạt năng suất và hiệu quả kinh tế ra sao?

Bã dong riềng khô được xử lý bằng nước vôi 1,0% và bổ sung 5% cám gạo/ngô đạt hiệu suất sinh học 49,52% (thu được 495,2 kg nấm sò tươi trên 1 tấn bã dong khô). Quả thể nấm có hàm lượng protein thô 21,5%, an toàn thực phẩm. Giá trị kinh tế gia tăng ước tính đạt 4.000.000 đồng trên 1 tấn bã dong khô.

Kết luận

Luận án đã giải quyết đồng bộ bài toán xử lý ô nhiễm môi trường làng nghề chế biến tinh bột dong riềng thông qua việc kết hợp công nghệ vi sinh vật bản địa với hệ thống xử lý sinh học hiếu khí tích hợp 5 chức năng và công nghệ tận thu bã thải rắn để nuôi nấm sò trắng. Ba chủng vi khuẩn Bacillus subtilis NT1, Bacillus methylotrophicus Ba1 và Bacillus amyloliquefaciens H12 được tuyển chọn và tạo chế phẩm dạng bột có mật độ ≥ 10⁹ CFU/g, giúp nước thải sau xử lý đạt quy chuẩn xả thải QCVN 40:2011/BTNMT cột A tại hiện trường. Đồng thời, quy trình nuôi nấm trên bã dong đạt năng suất sinh học 49,52%, mang lại giá trị gia tăng kinh tế và cung cấp cơ sở kỹ thuật có tính khả thi cao để nhân rộng tại các làng nghề nông thôn.