Luận văn thạc sĩ hus nghiên cứu hoàn thiện chế phẩm vi sinh vật ứng dụng cho phân hủy kỵ khí trong môi trường nước biển

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu hus nghiên cứu hoàn thiện chế phẩm vi sinh vật ứng dụng cho phân hủy kỵ khí trong môi trường nước, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện

• Tác giả: Đỗ Thị Thu Hồng
• Người hướng dẫn: TS. Đinh Thúy Hằng
• Trường học: Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
• Chuyên ngành: Vi sinh vật học
• Đề tài: Nghiên Cứu Hoàn Thiện Chế Phẩm Vi Sinh Vật Ứng Dụng Cho Phân Hủy Kỵ Khí Trong Môi Trường Nước Biển
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sỹ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tình trạng ô nhiễm chất thải hữu cơ ở khu vực ven biển và hải đảo
• 1.2. Phân hủy kỵ khí chất thải hữu cơ ở môi trường nước biển
• 1.3. Ưu nhược điểm của phân hủy kỵ khí
• 1.4. Bản chất sinh học của phân hủy kỵ khí
• 1.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý kỵ khí chất thải hữu cơ ở môi trường nước biển
• 1.6. Bùn kỵ khí
• 1.6.1. Cấu trúc hạt bùn kỵ khí
• 1.6.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến hình thành và ổn định bùn kỵ khí
• 1.6.3. Các thông số đánh giá hạt bùn kỵ khí
• 1.7. Công nghệ xử lý chất thải hữu cơ bằng phân hủy kỵ khí
• 1.8. Sự cần thiết nghiên cứu tạo chế phẩm vi sinh hỗ trợ công nghệ phân hủy kỵ khí ở điều kiện nước biển
• 1.9. Công nghệ màng vi bao
• 1.9.1. Giới thiệu chung
• 1.9.2. Ứng dụng của công nghệ màng vi bao trong xử lý môi trường
• 1.9.3. Công nghệ màng vi bao trong xử lý chất thải hữu cơ
• 2. CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Vật liệu nghiên cứu
• 2.2. Phương pháp nghiên cứu
• 2.2.1. Quy trình tạo chế phẩm BKMA
• 2.2.2. Kiểm tra độ ổn định của chế phẩm BKMA trong quá trình bảo quản
• 2.2.3. Thiết lập mô hình xử lý chất thải chăn nuôi trong phòng thí nghiệm
• 2.2.4. Các phương pháp phân tích
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Nuôi bùn kỵ khí BKM
• 3.1.1. Tạo hỗn hợp cám gạo lên men làm cơ chất nuôi bùn
• 3.1.2. Nuôi bùn kỵ khí BKM
• 3.1.3. Đánh giá chất lượng sản phẩm bùn kỵ khí BKM
• 3.1.4. Tạo chế phẩm BKMA gồm bùn kỵ khí BKM vi bao trong alginate
• 3.1.5. Thu nhận sinh khối và tạo dịch huyền phù vi sinh vật
• 3.1.6. Tạo hạt gel chứa tổ hợp vi sinh vật BKM bằng công nghệ màng vi bao
• 3.1.7. Đánh giá mật độ tế bào và hoạt tính sinh methane của vi sinh vật trong chế phẩm BKMA
• 3.1.8. Đánh giá hiệu quả của chế phẩm BKMA ở các mô hình xử lý trong phòng thí nghiệm
• 3.1.8.1. Mô hình 2 lít vận hành theo mẻ
• 3.1.8.2. Mô hình 50 lít vận hành liên tục
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu chế phẩm vi sinh vật cho phân hủy kỵ khí

Nghiên cứu chế phẩm vi sinh vật cho phân hủy kỵ khí trong nước biển là một lĩnh vực quan trọng trong việc xử lý chất thải hữu cơ. Việc phát triển các chế phẩm vi sinh vật có khả năng hoạt động hiệu quả trong môi trường nước mặn không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn tận dụng nguồn năng lượng từ khí methane. Chất thải hữu cơ từ các hoạt động nuôi trồng thủy sản và sinh hoạt ven biển đang gia tăng, đòi hỏi các giải pháp xử lý hiệu quả hơn.

1.1. Tình trạng ô nhiễm chất thải hữu cơ ở khu vực ven biển

Ô nhiễm chất thải hữu cơ tại các khu vực ven biển đang trở thành vấn đề nghiêm trọng. Theo báo cáo, khoảng 80% chất thải trên biển có nguồn gốc từ đất liền, bao gồm nước thải từ các nhà máy và khu dân cư. Điều này dẫn đến sự gia tăng hàm lượng COD và NH4 trong nước biển, ảnh hưởng đến hệ sinh thái và sức khỏe con người.

1.2. Vai trò của vi sinh vật trong phân hủy kỵ khí

Vi sinh vật đóng vai trò quan trọng trong quá trình phân hủy kỵ khí, giúp chuyển hóa chất hữu cơ thành khí methane. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng chế phẩm vi sinh vật có hoạt tính cao có thể cải thiện hiệu quả xử lý chất thải hữu cơ trong môi trường nước biển.

II. Vấn đề và thách thức trong phân hủy kỵ khí ở nước biển

Mặc dù phân hủy kỵ khí có nhiều ưu điểm, nhưng việc áp dụng công nghệ này trong môi trường nước biển gặp phải nhiều thách thức. Nồng độ muối cao có thể ức chế hoạt động của vi sinh vật, làm giảm hiệu quả xử lý. Hơn nữa, việc khởi động quá trình phân hủy kỵ khí thường kéo dài, cần có các chế phẩm vi sinh vật hỗ trợ.

2.1. Ảnh hưởng của nồng độ muối đến vi sinh vật

Nồng độ muối cao trong nước biển có thể gây ức chế hoạt động của các vi sinh vật kỵ khí. Nghiên cứu cho thấy rằng các vi sinh vật như Methanosarcina spp. có khả năng thích nghi tốt với môi trường nước mặn, nhưng cần được phát triển thành chế phẩm vi sinh vật hiệu quả.

2.2. Thách thức trong việc khởi động quá trình phân hủy

Quá trình khởi động phân hủy kỵ khí thường kéo dài và cần có nguồn vi sinh vật có hoạt tính cao. Việc phát triển chế phẩm vi sinh vật từ tổ hợp BKM có thể giúp rút ngắn thời gian khởi động và nâng cao hiệu quả xử lý chất thải.

III. Phương pháp nghiên cứu chế phẩm vi sinh vật cho phân hủy kỵ khí

Nghiên cứu chế phẩm vi sinh vật cho phân hủy kỵ khí bao gồm nhiều phương pháp khác nhau, từ việc nuôi cấy vi sinh vật đến việc tạo ra các chế phẩm vi sinh vật có hoạt tính cao. Các phương pháp này cần được tối ưu hóa để phù hợp với điều kiện môi trường nước biển.

3.1. Quy trình tạo chế phẩm vi sinh vật BKMA

Quy trình tạo chế phẩm BKMA bao gồm các bước nuôi cấy vi sinh vật, thu nhận sinh khối và tạo dịch huyền phù. Các bước này cần được thực hiện trong điều kiện kiểm soát để đảm bảo chất lượng chế phẩm.

3.2. Kiểm tra độ ổn định của chế phẩm BKMA

Độ ổn định của chế phẩm BKMA trong quá trình bảo quản là yếu tố quan trọng. Các nghiên cứu cần được thực hiện để đánh giá khả năng duy trì hoạt tính sinh học của chế phẩm trong thời gian dài.

IV. Ứng dụng thực tiễn của chế phẩm vi sinh vật trong xử lý chất thải

Chế phẩm vi sinh vật BKMA đã được thử nghiệm trong các mô hình xử lý chất thải chăn nuôi trong môi trường nước biển. Kết quả cho thấy chế phẩm này có khả năng cải thiện hiệu quả xử lý chất thải, giảm thiểu ô nhiễm và tận thu năng lượng từ khí methane.

4.1. Kết quả thử nghiệm chế phẩm BKMA trong phòng thí nghiệm

Kết quả thử nghiệm cho thấy chế phẩm BKMA có khả năng xử lý chất thải chăn nuôi hiệu quả, với hàm lượng COD và NH4 trong nước thải đầu ra đạt chuẩn theo QCVN 62 – MT:2016/BTNMT.

4.2. Ứng dụng chế phẩm BKMA trong thực tế

Chế phẩm BKMA có thể được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống xử lý chất thải ven biển, giúp cải thiện vệ sinh môi trường và bảo vệ hệ sinh thái biển.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu chế phẩm vi sinh vật

Nghiên cứu chế phẩm vi sinh vật cho phân hủy kỵ khí trong nước biển mở ra nhiều triển vọng cho việc xử lý chất thải hữu cơ. Việc phát triển các chế phẩm vi sinh vật có hoạt tính cao sẽ giúp nâng cao hiệu quả xử lý và bảo vệ môi trường biển.

5.1. Triển vọng phát triển chế phẩm vi sinh vật

Triển vọng phát triển chế phẩm vi sinh vật trong tương lai rất lớn, đặc biệt là trong bối cảnh ô nhiễm môi trường biển ngày càng gia tăng. Nghiên cứu cần tiếp tục để tối ưu hóa các chế phẩm này.

5.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu trong bảo vệ môi trường

Nghiên cứu chế phẩm vi sinh vật không chỉ giúp xử lý chất thải mà còn góp phần bảo vệ hệ sinh thái biển, đảm bảo sự phát triển bền vững cho các hoạt động kinh tế ven biển.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam sở hữu bờ biển dài trên 3.260 km cùng hơn 1.000 hòn đảo lớn nhỏ, mang tiềm năng kinh tế và an ninh quốc phòng chiến lược. Tuy nhiên, theo số liệu từ Bộ Tài nguyên và Môi trường, môi trường biển đang đối mặt với nguy cơ ô nhiễm nghiêm trọng khi khoảng 80% lượng chất thải phát sinh từ các hoạt động trên đất liền. Riêng ngành nuôi trồng thủy sản với hơn 600.000 ha đầm nuôi tôm đã thải ra gần 3 triệu tấn chất thải hữu cơ mỗi năm, bình quân mỗi ha phát sinh khoảng 5 tấn chất thải rắn cùng hàng chục nghìn mét khối nước thải trong một vụ nuôi.

Tại các vùng duyên hải và các đơn vị quân đội đóng quân ngoài hải đảo, việc tận dụng nước biển để dội rửa sinh hoạt và phục vụ chăn nuôi là giải pháp bắt buộc nhằm tiết kiệm nguồn nước ngọt quý giá. Tuy nhiên, độ mặn cao dao động từ 10 đến 35 g/L NaCl cùng nồng độ ion sulfate tự nhiên lên tới 28 mM đã ức chế mạnh mẽ hoạt tính của hệ vi sinh vật phân hủy tự nhiên. Các công trình xử lý kỵ khí truyền thống như bể tự hoại hay hầm biogas nước ngọt thường bị suy giảm hiệu suất nghiêm trọng hoặc tê liệt hoàn toàn khi tiếp nhận nguồn nước thải này.

Xuất phát từ thực tiễn cấp bách đó, luận văn thạc sĩ chuyên ngành Vi sinh vật học của tác giả Đỗ Thị Thu Hồng (Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, 2017) đã thực hiện đề tài: "Nghiên cứu hoàn thiện chế phẩm vi sinh vật ứng dụng cho phân hủy kỵ khí trong môi trường nước biển". Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là xây dựng quy trình vi bao tổ hợp vi sinh vật kỵ khí chịu mặn BKM trong chất nền alginate, đánh giá độ ổn định sinh học trong 6 tháng bảo quản và thử nghiệm xử lý chất thải chăn nuôi trên mô hình liên tục 50 lít, bảo đảm nước thải đầu ra đạt Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 62-MT:2016/BTNMT.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Quá trình phân hủy kỵ khí sinh học diễn ra qua 4 pha chuyển hóa liên hoàn: thủy phân, lên men sinh axit, sinh acetate và sinh methane. Khác với hô hấp hiếu khí khi 50% cacbon hữu cơ chuyển thành sinh khối, quá trình kỵ khí chỉ chuyển khoảng 5% cơ chất thành bùn thải và dành tới 95% chuyển hóa thành năng lượng sạch dưới dạng khí methane (CH4). Trong chuỗi sinh thái này, mối quan hệ cộng sinh giữa vi khuẩn sinh acetate và cổ khuẩn sinh methane (methanogen) là điều kiện tiên quyết để duy trì áp suất riêng phần khí H2 ở mức cực thấp, tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng chuyển hóa axit béo bay hơi theo nhiệt động học.

Trong môi trường nước biển, vi khuẩn khử sulfate (SRB) cạnh tranh cơ chất quyết liệt với methanogen do phản ứng khử sulfate tích lũy năng lượng tự do Gibbs lớn hơn (-5,9 kJ/mol so với -5,6 kJ/mol của quá trình khử CO2 sinh CH4), đồng thời sản sinh ion sulfide (S2-) gây độc cho tế bào. Để giải quyết thách thức này, công nghệ màng vi bao (microencapsulation) với ma trận Ca-alginate được ứng dụng nhằm tạo môi trường vi mô bảo vệ, giúp tế bào nâng cao khả năng chịu đựng áp lực thẩm thấu và độc chất lên gấp 10 đến 20 lần so với tế bào tự do. Động học phản ứng được kiểm soát thông qua các thông số: hoạt tính sinh methane riêng (SMA, tương ứng 350 mL CH4/g COD bị loại theo lý thuyết), chỉ số thể tích bùn lắng (SVI), tải trọng hữu cơ (OLR) và thời gian lưu thủy lực (HRT).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng tổ hợp vi sinh vật BKM chịu mặn phân lập từ trầm tích biển Nha Trang (với ưu thế thuộc chi Methanosarcina), nước biển tự nhiên Cửa Lò (độ mặn 26‰) và chất thải nuôi lợn thịt thu gom tại Tây Mỗ (Hà Nội). Cỡ mẫu thực nghiệm được thiết kế nghiêm ngặt: lựa chọn ngẫu nhiên n = 10 hạt gel BKMA cho mỗi bình phản ứng 50 mL để đo hoạt tính sinh khí lặp lại 3 lần song song; đánh giá kích thước hạt bùn qua hệ thống 3 rây phân loại kích thước lỗ (0,5 mm; 1 mm; 2 mm).

Các phương pháp phân tích chuyên sâu được lựa chọn bao gồm:

• Phương pháp MPN (Most Probable Number) với các dải pha loãng từ 10^0 đến 10^-9 trong môi trường kỵ khí chứa 10 mM natri acetate, cho phép định lượng chính xác mật độ methanogen khó nuôi cấy trên đĩa thạch.
• Kỹ thuật PCR-DGGE khuếch đại đoạn gen 16S rDNA dài 550 bp bằng cặp mồi GM5F-GC và 907R, điện di trên gel polyacrylamide 40% (dải biến tính 30% - 60%) ở 100V trong 16 giờ nhằm phân tích cấu trúc quần xã vi sinh vật kỵ khí.
• Sắc ký khí GC-FID (Agilent 7890A, cột HT-plot/Q ở 250°C) với đường chuẩn 7 điểm nồng độ từ 0% đến 70% CH4 để xác định chính xác thành phần khí sinh học.
• Phân tích nước thải theo tiêu chuẩn quốc gia: COD (TCVN 6491:1999), BOD5 (SMEWW 5210B:2012), TSS (SMEWW 2540D:2012) và Coliform (TCVN 6187-2:1996).

Tiến trình thí nghiệm kéo dài với 5 ngày lên men cơ chất cám gạo (COD 45.000 mg/L), 7 đến 10 ngày nhân nuôi bùn BKM ở 35°C, 6 tháng theo dõi bảo quản hạt gel và vận hành mô hình liên tục 50 lít (HRT 72 giờ, OLR 2,67 kg COD/m3.ngày).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã ghi nhận 4 kết quả thực nghiệm then chốt:

• Tối ưu hóa cơ chất nhân nuôi: Dịch cám gạo 10% (w/v) sau 5 ngày lên men đạt hàm lượng COD lên đến 45.000 mg/L và VFA đạt 900 mg/L (chiếm 2% COD) với pH ổn định ở mức 4,5. Khi bổ sung vào môi trường nước biển tỷ lệ 10% (COD ban đầu 4.500 mg/L, VFA 90 mg/L, pH 6,5), bùn BKM sinh trưởng mạnh và đạt tỷ lệ sinh khí methane trên 80% chỉ sau 7 đến 10 ngày ở 35°C.
• Hoàn thiện đặc tính bùn hạt: Bùn kỵ khí BKM sau nhân nuôi có chỉ số lắng SVI giảm mạnh về mức 10 đến 20 mL/g, tỷ trọng hạt đạt 1,033 đến 1,065 g/cm3. Tỷ lệ hạt bùn kích thước tối ưu 1 đến 2 mm chiếm đa số, trong đó nhóm hạt có kích thước lớn hơn 2 mm đạt trên 13,8%, tạo khối bùn màu đen chắc chắn, không bị vỡ hạt sau 30 ngày bảo quản.
• Ổn định chế phẩm vi bao BKMA: Hạt gel BKMA tạo từ hỗn hợp Na-alginate 4% và CaCl2 5,5% duy trì mật độ vi sinh vật kỵ khí và methanogen đạt từ 10^7 đến 10^8 MPN/mL. Sau 6 tháng bảo quản ở nhiệt độ phòng trong nước biển nhân tạo, hoạt tính sinh methane riêng (SMA) của chế phẩm vẫn duy trì ổn định, không bị suy thoái.
• Hiệu quả xử lý chất thải vượt trội: Trên mô hình liên tục 50 lít (chất thải lợn pha nước biển tỷ lệ 1:7, COD đầu vào 8.000 mg/L, HRT 72 giờ, OLR 2,67 kg COD/m3.ngày tại 30°C), hiệu suất loại bỏ COD đạt trên 80% đến 85%, hàm lượng CH4 trong khí sinh học duy trì từ 70% đến 80%, nước thải đầu ra đạt chuẩn QCVN 62-MT:2016/BTNMT.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả xử lý cao của chế phẩm BKMA bắt nguồn từ khả năng bảo vệ của cấu trúc màng gel alginate. Lớp màng polymer đóng vai trò như lá chắn khuếch tán bán thấm, giúp giảm sốc thẩm thấu do nồng độ muối 26‰ đến 35 g/L gây ra, đồng thời ngăn ngừa tác động kìm hãm từ nồng độ ion sulfide (S2-) sinh ra bởi vi khuẩn khử sulfate trong môi trường chứa 28 mM ion sulfate.

Sự ưu thế của các loài Methanosarcina (chủng M37) mang lại khả năng chuyển hóa linh hoạt nhiều nguồn cơ chất như acetate, methanol và methylamine. Điều này giúp hệ vi sinh BKM thích nghi tốt hơn nhiều so với các hệ bùn nước ngọt chỉ chứa Methanosaeta khi đối mặt với tải trọng hữu cơ biến động. So với các hệ vi sinh vật tự do thường mất hoạt tính ở độ mặn trên 12 g/L, việc vi bao tế bào đã nâng cao hiệu suất chuyển hóa cơ chất lên gấp nhiều lần, phù hợp với các kết luận của Akinbomi và cộng sự (2015) khi ghi nhận hiệu suất sinh methane đạt 189 mL CH4/g COD ở dạng vi bao.

Để trình bày trực quan các dữ liệu này trong báo cáo chuyên sâu, các nhà nghiên cứu có thể xây dựng biểu đồ đường kép theo dõi động thái giảm COD (mg/L) và lưu lượng sinh khí CH4 (L/ngày) theo chu kỳ 10, 20, 30 ngày vận hành, kết hợp bảng thống kê chi tiết các thông số chất lượng nước thải đầu ra (BOD5, COD, TSS, Tổng Coliform) đối chiếu với các ngưỡng giới hạn theo quy chuẩn hiện hành.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm đưa kết quả nghiên cứu vào ứng dụng thực tế trên diện rộng, 4 giải pháp trọng tâm được khuyến nghị thực hiện:

• Chuẩn hóa quy trình chế tạo chế phẩm BKMA quy mô bán công nghiệp: Mở rộng thể tích mẻ vi bao lên quy mô 500 đến 1.000 lít gel/mẻ, nâng mật độ tế bào methanogen đạt ngưỡng từ 10^8 đến 10^9 MPN/g chế phẩm, hoàn thiện tiêu chuẩn cơ sở trong thời gian 12 tháng, do Viện Vi sinh vật và Công nghệ sinh học chủ trì thực hiện.
• Triển khai lắp đặt mô hình xử lý kỵ khí nước mặn tại các điểm đảo và đồn biên phòng: Xây dựng 5 đến 10 trạm xử lý chất thải sinh hoạt và chăn nuôi ứng dụng hạt gel BKMA với công suất từ 5 đến 10 m3/ngày, hướng tới mục tiêu giảm trên 85% hàm lượng COD và tái sử dụng 100% lượng khí sinh học phục vụ đun nấu, hoàn thành trong 18 đến 24 tháng, do Bộ Tư lệnh Quân khu và các đơn vị quân đội ven biển phối hợp thi công.
• Ứng dụng chế phẩm BKMA trong xử lý bùn đáy ao nuôi tôm thâm canh: Áp dụng thử nghiệm trên 50 ha đầm nuôi thủy sản ven biển miền Trung và Nam Bộ, duy trì tải trọng xử lý hữu cơ bùn đáy trong khoảng OLR từ 3,0 đến 4,5 kg COD/m3.ngày, thực hiện định kỳ 3 tháng theo từng vụ nuôi, do Chi cục Thủy sản cùng các hợp tác xã nuôi tôm địa phương đảm trách.
• Xây dựng sổ tay quy chuẩn vận hành và ứng cứu sự cố hầm biogas nước mặn: Ban hành hướng dẫn kỹ thuật bổ sung định kỳ 5% đến 10% thể tích chế phẩm BKMA khi hệ thống có dấu hiệu suy giảm sinh khí hoặc khi nồng độ muối dao động từ 15‰ đến 35‰, thực hiện thẩm định và ban hành trong 6 tháng, do Bộ Tài nguyên và Môi trường cùng Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn phối hợp ban hành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn mang lại giá trị học thuật và thực tiễn sâu sắc cho 4 nhóm đối tượng chính:

• Kỹ sư môi trường và chuyên viên vận hành hệ thống xử lý nước thải: Khai thác trực tiếp các thông số thiết kế thực nghiệm chuẩn xác (HRT 72 giờ, OLR 2,67 kg COD/m3.ngày) và phương pháp cấy bùn vi bao BKMA để xử lý nước thải nhiễm mặn tại các nhà máy chế biến thủy hải sản ven biển có nồng độ COD từ 5.000 đến 15.000 mg/L.
• Ban chỉ huy hậu cần quân đội và cơ quan quản lý hải đảo: Tham khảo mô hình công nghệ khả thi để xử lý triệt để nước thải nhà tiêu và chất thải chăn nuôi lợn dội rửa bằng nước biển, giải quyết bài toán thiếu hụt nguồn nước ngọt và bảo vệ môi trường sinh thái cho các đơn vị đóng quân với quân số hàng trăm người.
• Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Công nghệ sinh học và Vi sinh vật học: Tiếp cận phương pháp luận nuôi cấy kỵ khí bắt buộc, quy trình kiểm tra mật độ bằng chỉ số MPN trong nước biển nhân tạo, kỹ thuật phân tích cấu trúc quần xã PCR-DGGE 16S rDNA và công nghệ cố định tế bào vi sinh trong gel alginate-CaCl2.
• Doanh nghiệp sản xuất chế phẩm sinh học nông nghiệp và môi trường: Sử dụng toàn bộ quy trình công nghệ tạo hạt gel BKMA để nhân rộng sản xuất thương mại các dòng men vi sinh chịu mặn, cung ứng cho thị trường xử lý bùn thải đầm nuôi tôm quy mô hơn 600.000 ha trên toàn quốc.

Câu hỏi thường gặp

• Tại sao các hầm biogas thông thường bị mất khả năng sinh khí khi tiếp xúc với nước biển? Nước biển chứa nồng độ muối cao (10 đến 35 g/L NaCl) gây sốc thẩm thấu làm vỡ hoặc co nguyên sinh chất của vi sinh vật kỵ khí nước ngọt. Đồng thời, hàm lượng sulfate tự nhiên cao (khoảng 28 mM) tạo điều kiện cho vi khuẩn khử sulfate phát triển mạnh, cạnh tranh hết nguồn thức ăn và sinh ra khí độc H2S làm tê liệt hoàn toàn quá trình sinh methane.

• Màng vi bao alginate có tác dụng bảo vệ vi sinh vật kỵ khí như thế nào? Chất nền gel Ca-alginate tạo ra vi môi trường ổn định bao quanh tế bào, kiểm soát tốc độ khuếch tán của các phân tử và ngăn cản sự thay đổi đột ngột của độ mặn hay sự xâm nhập của các chất độc. Thực tế cho thấy vi sinh vật được vi bao có khả năng chịu áp lực môi trường khắc nghiệt cao gấp 10 đến 20 lần so với vi sinh vật tự do.

• Chế phẩm BKMA có thời hạn bảo quản bao lâu và cần điều kiện gì? Chế phẩm BKMA ở dạng hạt gel bảo quản trong dung dịch nước biển nhân tạo kỵ khí tại nhiệt độ phòng có thể duy trì hoạt tính sinh methane và mật độ tế bào ổn định (10^7 đến 10^8 MPN/mL) trong ít nhất 6 tháng mà không cần bổ sung thêm chất dinh dưỡng.

• Nước thải chăn nuôi sau khi xử lý bằng chế phẩm BKMA có đạt tiêu chuẩn môi trường không? Tại mô hình xử lý liên tục 50 lít với tải trọng 2,67 kg COD/m3.ngày và HRT 72 giờ, chế phẩm BKMA giúp loại bỏ trên 80% hàm lượng COD từ mức 8.000 mg/L ban đầu. Nước thải sau xử lý đáp ứng đầy đủ các thông số về COD, BOD5, TSS và Coliform theo quy chuẩn QCVN 62-MT:2016/BTNMT.

• Chi phí nguyên liệu sản xuất chế phẩm BKMA có đắt không? Quy trình sử dụng các nguồn nguyên liệu sẵn có, giá rẻ trong nước như cám gạo nông nghiệp (10% w/v), muối biển, natri alginate 4% và canxi clorua 5,5%. Các hóa chất này đều an toàn sinh học và có giá thành thấp, rất thuận lợi để sản xuất ở quy mô công nghiệp với chi phí cạnh tranh.

Kết luận

• Hoàn thiện thành công quy trình nhân nuôi tăng sinh tổ hợp vi sinh vật kỵ khí chịu mặn BKM từ dịch cám gạo lên men 10% (COD 45.000 mg/L) đạt tỷ lệ sinh methane trên 80%.
• Ứng dụng xuất sắc công nghệ màng vi bao alginate 4% và CaCl2 5,5% tạo ra chế phẩm BKMA dạng hạt gel với mật độ methanogen đạt từ 10^7 đến 10^8 MPN/mL.
• Khẳng định độ bền sinh học vượt trội của hạt gel BKMA với khả năng lưu giữ hoạt tính sinh methane riêng ổn định suốt 6 tháng bảo quản ở nhiệt độ phòng.
• Vận hành thành công mô hình kỵ khí liên tục 50 lít xử lý chất thải chăn nuôi pha nước biển (HRT 72 giờ, OLR 2,67 kg COD/m3.ngày) đạt hiệu suất xử lý COD trên 80% và nước thải đạt chuẩn QCVN 62-MT:2016/BTNMT.
• Mở ra giải pháp xử lý ô nhiễm sinh học mang tính đột phá cho hơn 1.000 đảo ven bờ và các vùng duyên hải tại Việt Nam.
• Đóng góp chính: Xây dựng thành công cơ sở khoa học và quy trình công nghệ tạo chế phẩm vi sinh kỵ khí chịu mặn dạng vi bao đầu tiên tại Việt Nam, giải quyết triệt để rào cản nồng độ muối từ 10 đến 35 g/L trong phân hủy kỵ khí.
• Lộ trình phát triển 12 đến 24 tháng tới: Triển khai sản xuất thử nghiệm mẻ 500 lít và lắp đặt ứng dụng tại các trạm đảo tiền tiêu.
• Đề nghị các cơ quan quản lý môi trường, lực lượng vũ trang và doanh nghiệp công nghệ sinh học nhanh chóng tiếp nhận chuyển giao để triển khai rộng rãi công nghệ này vào thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 – TỔNG QUAN 1. Tình trạng ô nhiễm chất thải hữu cơ ở khu vực ven biển và hải đảo Ô nhiễm biển cũng như tất cả các loại ô nhiễm khác đều có nguồn gốc từ tự nhiên và nhân tạo, trong đó các nguyên nhân nhân tạo bao giờ cũng gây ra những tác hại to lớn và để lại hậu quả nặng nề. Công ước Luật biển 1982 đã chỉ ra 5 nguồn ô nhiễm biển gồm (i) các hoạt động trên đất liền, (ii) thăm dò và khai thác tài nguyên thềm lục địa và đáy đại dương, (iii) thải các chất độc hại ra biển, (iv) vận chuyển hàng hóa trên biển và (v) ô nhiễm không khí [74]. Trên thế giới, mặc dù đã có hơn 60 nước xây dựng chương trình hành động quốc gia để ngăn chặn những nguồn ô nhiễm biển xuất phát từ đất liền, song kết quả đạt được không bù đắp nổi những thiệt hại do tình trạng bùng nổ dân số, quá trình đô thị hóa và công nghiệp hóa quá nhanh tại các vùng duyên hải.

Theo báo cáo của Chương trình môi trường Liên Hiệp Quốc, khoảng 80% chất gây ô nhiễm biển có nguồn gốc từ đất liền và chiều hướng này có thể tăng lên đáng kể vào năm 2050. Ở khu vực Châu Á, có đến 90% lượng nước thải đổ thẳng xuống biển mà không qua xử lý. Bên cạnh việc hứng chịu nguồn chất thải từ các nhà máy đặt tại vùng ven biển, vùng biển Nam và Đông Á còn phải tiếp nhận 2/3 khối lượng đất và phù sa gây ảnh hưởng trầm trọng đến các hệ sinh thái ven biển [26,76]. Tình trạng ô nhiễm chất thải khu vực ven biển và cửa sông (A – Phillipin [61], B – Đà Nẵng, Việt Nam [10]) Ở Việt Nam, các khu vực sinh hoạt và phát triển kinh tế ven biển và hải đảo hầu như chưa có hệ thống xử lý nước thải đồng bộ, nên nước thải chủ yếu được xả 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] thẳng ra các sông hồ rồi đưa ra biển mà không qua xử lý 5.

Các loại chất ô nhiễm theo sông ngòi mang ra biển rất đa dạng, như dầu mỏ và các sản phẩm dầu, nước thải, phân bón nông nghiệp, thuốc trừ sâu, chất thải công nghiệp, chất thải phóng xạ và nhiều chất ô nhiễm khác. Đặc biệt, ô nhiễm bởi chất hữu cơ trong nước biển ven bờ đã và đang diễn ra phổ biến ở các tỉnh, thành phố ven biển và ngày càng trở nên nghiêm trọng. Hàm lượng COD, NH4 tại hầu hết các khu vực biển trong giai đoạn 2011-2015 được phát hiện ở mức cao vượt ngưỡng QCVN (mục đích nuôi trồng thủy sản và bãi tắm), đặc biệt là ở khu vực biển phía Bắc và miền Nam [10].Theo các kết quả khảo sát gần đây, tại vùng biển Phú Yên, với chiều dài bờ biển khoảng 189 km, trong 18 000 hộ dân sinh sống ở đây chỉ có 10% số hộ có nhà vệ sinh. Bên cạnh đó, hệ thống sông ngòi mỗi năm đổ ra biển khoảng 12 tỷ m3 nước cùng với chất thải công nghiệp, nông nghiệp, chất thải sinh hoạt hoặc các chất độc hại khác trong quá trình khai thác khoáng sản góp phần làm tăng sự ô nhiễm [12].

Tại Nha Trang, mực nước ven bờ của các khu dân cư thường có độ nhiễm bẩn rất cao. Kết quả khảo sát tại một số khu dân cư tập trung đông là Tây Hải, Cửa Bé và Cồn Giữa cho thấy hàm lượng N và muối phosphate rất cao, hiện tượng nở hoa của tảo gây hại thường xuyên được ghi nhận. Ngoài ra, vịnh Nha Trang cũng chịu áp lực ngày càng tăng của các chất thải qua sông Cái đổ ra biển. Lưu vực sông Cái có đến nửa triệu dân sinh sống, phần lớn chất thải sinh hoạt được trực tiếp đưa vào môi trường nước không qua xử lý.

Hoạt động nuôi trồng thủy sản tập trung (như nuôi trên cát, nuôi trong lồng bè) đã và đang xả ra biển một lượng lớn các chất hữu cơ phú dưỡng, chất độc hại, mầm bệnh…làm suy thoái môi trường biển, bùng nổ dịch bệnh và gây thiệt hại đáng kể về kinh tế cũng như điều kiện môi trường sinh thái [10]. Phân hủy kỵ khí chất hữu cơ ở môi trường nước biển Phân hủy kỵ khí các hợp chất hữu cơ để tận thu năng lượng dưới dạng khí sinh học (biogas) được biết đến từ giữa thế kỷ 19 và được nghiên cứu rộng rãi từ những năm đầu thế kỷ 20 [19]. Nhờ đặc tính hữu hiệu trong việc xử lý chất thải hữu cơ dạng rắn và lỏng, đồng thời tận thu năng lượng ở dạng khí methane, công nghệ khí sinh học đang được áp dụng tại nhiều nơi trên thế giới. Ở các nước phát triển, 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] biogas được sản xuất ở quy mô công nghiệp và sử dụng các nguồn chất thải phong phú, bao gồm rác sinh hoạt, bùn thải, chất thải lỏng từ các nhà máy chế biến thực phẩm hay lò giết mổ.

Gần đây, một số loại rong biển như Macrocystis sp. đang được thử nghiệm làm nguyên liệu để sinh năng lượng ở dạng khí methane thông qua phân hủy kỵ khí [71,75]. Thành công bước đầu trong lĩnh vực này đã mở ra ngành nuôi trồng và khai thác nguồn sinh khối rong biển cho phát triển năng lượng tại Trung Quốc, Ấn Độ, Nhật Bản. Ở Việt Nam, dự án “Chương trình khí sinh học cho ngành chăn nuôi Việt Nam” do Cục Chăn nuôi, thuộc Bộ NN & PTNT và Tổ chức hợp tác phát triển Hà Lan thực hiện đã thành công trong việc đưa công nghệ biogas ở quy mô hộ và nhóm hộ gia đình để quản lý và xử lý chất thải chăn nuôi, đồng thời tận thu nguồn năng lượng từ chất thải [3].

Tuy nhiên, ở điều kiện nhiệt độ thấp (miền núi) hay điều kiện nước mặn (vùng biển và hải đảo) chương trình này chưa được triển khai do mức hiệu quả kèm của công nghệ ở các điều kiện đặc thù này. Luận án tiến sỹ của tác giả Nguyễn Thu Hoài (2015) là nghiên cứu đầu tiên về nhóm cổ khuẩn sinh methane ở môi trường biển nhằm định hướng ứng dụng cho công nghệ xử lý kỵ khí chất thải hữu cơ tại đây. Tác giả đã xây dựng được tổ hợp vi sinh vật BKM có hoạt tính cao ở môi trường có nồng độ muối từ 10 – 30 g/L để khởi động nhanh và vận hành ổn định các mô hình phân hủy kỵ khí xử lý chất thải hữu cơ trong môi trường nước biển. Tác giả cũng đã xác định được Methanosarcina spp.

là nhóm methanogen chiếm ưu thế trong tổ hợp BKM [6]. Tuy nhiên, một chế phẩm sinh học có hoạt tính ổn định ở điều kiện nước mặn cần được nghiên cứu phát triển từ nguồn methanogen nói trên để có thể đưa kết quả khoa học này vào ứng dụng trong thực tế. Ưu nhược điểm của phân hủy kỵ khí Xử lý chất ô nhiễm cacbon hữu cơ trong nước thải được thực hiện theo nguyên lý phân hủy sinh học hiếu khí hoặc kỵ khí. Biện pháp hiếu khí dựa vào hoạt động của các vi sinh vật hiếu khí, có nhu cầu về oxy cao và thường diễn ra ở nhiệt 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] độ trong khoảng 20 đến 40oC.

So với quá trình phân hủy hiếu khí, quá trình kỵ khí (Hình 1.2) có nhiều ưu điểm như sau [19, 45]. - Phân hủy kỵ khí sử dụng CO2 sẵn có trong môi trường làm chất nhận điện tử, không có nhu cầu về oxy từ bên ngoài, do vậy làm giảm giá thành xử lý nước/chất thải một cách đáng kể. - Lượng bùn tạo ra trong phân hủy kỵ khí thấp hơn nhiều so với hiếu khí (3 – 20 lần) do sinh khối tạo ra ít (hiệu suất sinh năng lượng từ vi khuẩn kỵ khí thấp). Nếu như trong hô hấp hiếu khí, 50% cacbon hữu cơ được chuyển thành sinh khối thì trong hô hấp kỵ khí chỉ có 5%.

- Phân hủy kỵ khí tạo sản phẩm cuối cùng là methane có nhiệt năng cao, được sử dụng như một nguồn năng lượng xanh. Chỉ có khoảng 3 – 5% cơ chất bị thất thoát dưới dạng nhiệt. - Phân hủy kỵ khí thích hợp với các loại nguồn thải có hàm lượng hữu cơ rất cao và có thể vận hành với tải trọng hữu cơ lớn. - Vi sinh vật kỵ khí trong hệ thống tồn tại theo tổ hợp ở dạng hạt bùn, có độ bền cao về hoạt tính và mức sống sót, thậm chí khi hệ thống xử lý ngừng hoạt động trong thời gian dài.

Chuyển hóa cacbon hữu cơ trong phân hủy hiếu khí (A) và kỵ khí (B) [25] 12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Tuy nhiên, bên cạnh những ưu thế này, phân hủy kỵ khí còn bộc lộ một số nhược điểm như: - Quy trình phân hủy kỵ khí diễn ra chậm hơn so với hiếu khí và thường mẫn cảm với nhiều yếu tố trong môi trường như nhiệt độ, pH, VFA, các kim loại nặng. - Bước khởi động của toàn bộ quá trình thường kéo dài, do vậy nguồn vi sinh vật có hoạt tính cao (như bùn bể tự hoại, bùn hoạt tính hay chế phẩm vi sinh) thường được sử dụng để rút ngắn quá trình này. Mặc dù vậy, với những ưu điểm vượt trội kể trên, các công nghệ xử lý chất thải dựa theo nguyên lý phân hủy kỵ khí đã và đang được ứng dụng rộng rãi tại nhiều quốc gia trên thế giới. Bản chất sinh học của phân hủy kỵ khí Phân hủy kỵ khí là quá trình chuyển hóa sinh học trong điều kiện không có oxy với sự tham gia của nhiều nhóm vi sinh vật có quan hệ mật thiết với nhau theo hình thức chuỗi thức ăn, đảm bảo phân hủy chất hữu cơ cao phân tử thành methane và CO2 (Hình 1.

Toàn bộ quá trình phân hủy gồm bốn pha, (i) thủy phân, (ii) pha lên men sinh axit, (iii) pha sinh acetate và (iv) pha sinh methane [66]. Các bước chuyển hóa sinh học của quá trình phân hủy kỵ khí sinh methane [16] 13 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Pha 1 - Thủy phân (Hydrolysis) Quá trình thủy phân do các vi khuẩn kỵ khí và kỵ khí tùy tiện (như Streptococcus và Enterobacterium) thực hiện, bẻ gãy các chất hữu cơ cao phân tử (protein, polysaccharid, lipid) thành các đơn phân tan trong nước như axit amin, đường đơn, peptid [47]. Tốc độ quá trình thủy phân phụ thuộc vào kích thước và bản chất hóa học của các cao phân tử hữu cơ, cũng như pH môi trường, khả năng sinh enzyme của vi khuẩn và ái lực của enzym đối với chất thải. Đối với chất thải chứa các hợp chất cao phân tử có độ bền cao (lignocellulose, chitin), quá trình thủy phân có thể được hỗ trợ bằng bước tiền xử lý hóa lý như nhiệt độ, axit [22].