Tổng quan luận án

Quá trình đô thị hóa và phát triển công nghiệp tại Việt Nam đang diễn ra mạnh mẽ với số lượng đô thị đạt 862 vào năm 2020 (tăng 7,5% so với năm 2016) và tỷ lệ đô thị hóa tăng từ 36,7% lên 39,3%, dự kiến đạt 45% vào năm 2026. Đi kèm với sự tăng trưởng kinh tế là sức ép gia tăng lên hệ thống hạ tầng kỹ thuật và môi trường nước mặt. Hệ thống thoát nước đô thị hiện chỉ đáp ứng khoảng 60% nhu cầu và phần lớn chưa đồng bộ với hệ thống xử lý nước thải tập trung. Nước thải sinh hoạt phát sinh chiếm khoảng 80% lượng nước cấp sinh hoạt (chứa 52% hợp chất hữu cơ và 48% hợp chất vô cơ), nhưng trên toàn quốc mới chỉ có khoảng 15% được thu gom và xử lý tại 43 nhà máy xử lý nước thải tập trung với tổng công suất thiết kế 926.000 $\text{m}^3\text{/ngày đêm}$. Lượng nước thải chưa qua xử lý xả thẳng ra các thủy vực tiếp nhận gây ô nhiễm nghiêm trọng các nguồn nước mặt, sông, hồ nội đô.

Nhằm thực hiện các định hướng quản lý môi trường (như Quyết định số 725/QĐ-TTg ngày 10/5/2013 của Thủ tướng Chính phủ phê duyệt Quy hoạch thoát nước Hà Nội đến năm 2030, tầm nhìn đến năm 2050 với mục tiêu thu gom, xử lý nước thải đạt 90% vào năm 2030 và 100% vào năm 2050; Đề án chống ngập và xử lý nước thải Thành phố Hồ Chí Minh đặt mục tiêu xử lý đạt chuẩn 80% nước thải sinh hoạt vào năm 2025), việc nâng cao hiệu quả các công trình xử lý là yêu cầu cấp thiết. Các công nghệ truyền thống thường đòi hỏi diện tích chiếm đất lớn, quy trình vận hành phức tạp và chi phí đầu tư cao. Vật liệu mang vi sinh Eco-Bio-Block (EBB) thương mại từ Nhật Bản (sáng chế số 4065402 năm 2008 của Công ty TNHH Koyoh) chế tạo từ đá xốp zeolit núi lửa kết dính bằng xi măng và tích hợp vi sinh vật hữu ích (Bacillus subtilis natto) có diện tích bề mặt lớn trên 100 $\text{m}^2\text{/g}$, cho hiệu quả xử lý tốt nhưng chi phí nhập khẩu cao. Khoảng trống nghiên cứu đặt ra là cần làm chủ công nghệ chế tạo khối vật liệu mang vi sinh sinh thái cải tiến dựa hoàn toàn trên nguồn nguyên vật liệu sẵn có trong nước nhằm giảm giá thành, thích ứng với điều kiện khí hậu và tính chất các nguồn nước thải tại Việt Nam.

Luận án "Nghiên cứu chế tạo Eco-Bio-Block (EBB) cải tiến và đánh giá hiệu quả xử lý các chất hữu cơ và amoni trong một số nguồn nước thải" do nghiên cứu sinh Hoàng Lương thực hiện tại Học viện Khoa học và Công nghệ – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, thuộc chuyên ngành Kỹ thuật môi trường (Mã số: 9 52 03 20), dưới sự hướng dẫn của PGS. Tăng Thị Chính và TS. Đặng Thanh Tú (năm bảo vệ: 2022).

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định hai mục tiêu chính được đánh số theo văn bản:

  1. Nghiên cứu tạo ra sản phẩm với EBB cải tiến phù hợp với điều kiện Việt Nam nói chung và trên địa bàn Thành phố Hà Nội nói riêng, nhằm mục đích giảm giá thành vật liệu và nâng cao hiệu quả xử lý, cải thiện chất lượng nước thải; Làm chủ công nghệ với nguồn nguyên liệu sẵn có, an toàn và thân thiện với môi trường; Hướng tới giảm chi phí vận hành hệ thống xử lý nước thải thông qua giảm sử dụng năng lượng, giảm chi phí lắp đặt và vận hành.
  2. Góp phần giảm thiểu các chỉ tiêu COD và Amoni có trong nguồn nước thải.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu:
    • Thành phần, hàm lượng phối trộn các nguyên liệu nội địa (cát, sỏi nhẹ keramzit, zeolit, xi măng, than cacbon và chế phẩm vi sinh Sagi - Bio 2) để chế tạo vật liệu khối mang sinh vật sinh thái EBB cải tiến.
    • Hiệu quả xử lý các thông số ô nhiễm hữu cơ (COD, BOD) và Amoni ($\text{NH}_4^+$) của vật liệu EBB cải tiến trên các đối tượng: nước thải tổng hợp trong phòng thí nghiệm, nước hồ đô thị ô nhiễm, nước rỉ rác và nước thải y tế bệnh viện.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Nghiên cứu chế tạo và đánh giá đặc trưng vật liệu tại phòng thí nghiệm của Viện Công nghệ Môi trường (IET) thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (VAST).
    • Nghiên cứu ứng dụng và thử nghiệm hiện trường tại 03 địa điểm: hồ Khương Thượng (Đống Đa, Hà Nội), hệ thống xử lý nước rỉ rác tại Nhà máy chế biến rác Phương Đình (huyện Đan Phượng, Hà Nội) và hệ thống xử lý nước thải tại Bệnh viện E (Cầu Giấy, Hà Nội).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã hệ thống hóa lịch sử phát triển và hiện trạng ứng dụng các kỹ thuật xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học dính bám trên thế giới và tại Việt Nam:

Tình hình nghiên cứu trên thế giới

  • Kỹ thuật lọc sinh học dính bám khởi nguồn từ các công trình kinh điển: Alexander Mueller (1865 tại Berlin, Đức) chứng minh khả năng lọc sạch nước thải qua cột lọc sinh vật sống; Edward Frankland (1868 tại London, Anh) nghiên cứu cột lọc chứa sỏi thô và đất than bùn; Warrington (1882) làm rõ vai trò giảm chất ô nhiễm của sỏi sạch.
  • Các mốc ứng dụng thực tế: hệ thống lọc sinh học đầu tiên tại Trại thực nghiệm Lawrence (bang Massachusetts, Hoa Kỳ) và trạm xử lý tại Madison – Wisconsin (1901); đến năm 1940 đã có 60% hệ thống xử lý tại Hoa Kỳ áp dụng công nghệ lọc sinh học; đĩa quay sinh học (RBC) phát triển tại CHLB Đức từ năm 1960.
  • Các nghiên cứu phát triển giá thể sinh học: Coulter (1957), Young và McCarty (1969) phát triển kỹ thuật lọc sinh học ngập nước với lớp giá thể cố định (Fixed Bed Biofilm Reactor - FBBR); Guitonas và Alexious (1995) thử nghiệm lọc sinh học hai giai đoạn hiếu - kị khí với giá thể chất dẻo cho xử lý Nitơ; Warnakula và cộng sự (1990, 1999) tại Viện Nghiên cứu cao su Sri Lanka sử dụng xơ dừa làm giá thể sinh học.
  • Sự phát triển của màng sinh học di động (MBBR): Sử dụng các loại giá thể như Kaldnes, Hel-X Chip, bọt polymer xốp, hạt polyethylene (PE), polypropylene (PP), hạt Biolite của hãng Degremont. Các nghiên cứu chỉ ra màng biofilm gắn kết nhờ mạng lưới chất polyme ngoại bào (EPS) chiếm tới 90% lớp bao phủ, giúp vi sinh vật chống chịu sốc tải và điều kiện độc hại.
  • Vật liệu Eco-Bio-Block (EBB): Chế tạo từ đá xốp khoáng zeolit núi lửa Nhật Bản, ứng dụng xử lý nước mặt sông Melaka, nước thải công nghiệp tại Mayur Vihar (Ấn Độ).

Tình hình nghiên cứu trong nước

  • Báo cáo của GS. Trần Hiếu Nhuệ và cộng sự (2015) ghi nhận bức tranh tổng thể về 27 nhà máy xử lý nước thải tập trung đang vận hành (770.000 $\text{m}^3\text{/ngđ}$) và các dự án mở rộng, chỉ ra đặc điểm nước thải đầu vào hệ thống cống chung có nồng độ ô nhiễm thấp (BOD 30–135 mg/L, COD 60–230 mg/L) so với hệ thống thoát nước riêng (BOD 340–380 mg/L).
  • Các mô hình ứng dụng giá thể nội địa: Nhà máy XLNT KCN Việt Nam – Singapore (1996) dùng tấm PVC nhám; Công ty Cấp thoát nước số 2 Hà Nội dùng hạt xốp polysprence đường kính 3–5 mm trong bể lọc kị khí; Trịnh Xuân Lai (2000), Lương Đức Phẩm (2002) nghiên cứu lọc kị khí với màng sinh học và lớp đệm giãn nở; Nguyễn Ngọc Bích, Lâm Minh Triết, Lê Huy Bá (2002) thử nghiệm bể kị khí 5 $\text{m}^3\text{/ngđ}$ dùng xơ dừa thô xử lý nước thải chế biến cao su (COD giảm 90%, BOD giảm 60–90% tại thời gian lưu 48 giờ); Viện Hóa học công nghệ (2004) dùng vật liệu đá vôi, phế thải xây dựng, vỏ sò ốc để xử lý nước sông Tô Lịch; nghiên cứu đá rỗng thủy tinh (Supersol) và công nghệ Nano-Bioreactor (2019).

Vị trí và khoảng trống nghiên cứu của luận án

Mặc dù vật liệu EBB thương mại của Nhật Bản cho thấy hiệu quả cao trong xử lý sinh học nguồn nước mặt và nước thải, việc nhập khẩu làm tăng chi phí đầu tư. Các giá thể nhân tạo nội địa (nhựa tổ ong, tấm dẻo PVC/PP, xơ dừa) bộc lộ nhược điểm như độ bền cơ học hạn chế, dễ bị biến dạng, gây tắc nghẽn dòng chảy hoặc diện tích bề mặt chưa tối ưu. Luận án lựa chọn giải quyết khoảng trống này bằng cách: nghiên cứu công thức phối trộn vật liệu vô cơ xốp (zeolit, sỏi nhẹ keramzit, cát, than cacbon, xi măng) kết hợp vi sinh vật hữu ích bản địa (chế phẩm Sagi - Bio 2) để chế tạo khối EBB cải tiến có độ xốp, độ bền cơ học cao, chi phí thấp và đánh giá toàn diện cơ chế hấp phụ kết hợp phân hủy sinh học trên các nguồn thải phức tạp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và các quá trình chuyển hóa sinh hóa

Luận án áp dụng nền tảng lý thuyết về động học vi sinh vật và các phản ứng sinh hóa trong xử lý nước thải:

  • Quá trình phân hủy hiếu khí chất hữu cơ: Vi sinh vật sử dụng chất dinh dưỡng và oxy hòa tan (DO) để tổng hợp tế bào mới ($\text{C}_5\text{H}7\text{NO}2$) và dị hóa giải phóng năng lượng: $$0{,}04\text{C}{10}\text{H}{19}\text{NO}_3 + 0{,}25\text{O}_2 + 0{,}01\text{NH}_4^+ + 0{,}01\text{HCO}_3^- \rightarrow 0{,}16\text{CO}_2 + 0{,}23\text{H}_2\text{O} + 0{,}05\text{C}_5\text{H}_7\text{NO}_2$$
  • Quá trình nitrat hóa hai bước: Oxy hóa Amoni thành Nitrit bởi vi khuẩn Nitrosomonas và oxy hóa tiếp thành Nitrat bởi Nitrobacter: $$0{,}55\text{NH}_4^+ + 0{,}75\text{O}_2 + 0{,}2\text{CO}_2 + 0{,}05\text{HCO}_3^- \rightarrow 0{,}5\text{NO}_3^- + \text{H}^+ + 0{,}45\text{H}_2\text{O} + 0{,}05\text{C}_5\text{H}_7\text{NO}_2$$
  • Quá trình khử nitrat thiếu khí (Anoxic/Denitrification): Chuyển hóa Nitrat thành khí Nitơ tự do ($\text{N}_2$) với chất cho điện tử là cacbon hữu cơ trong nước thải: $$0{,}2\text{NO}3^- + 0{,}01\text{NH}4^+ + 0{,}04\text{C}{10}\text{H}{19}\text{NO}_3 + 0{,}01\text{HCO}_3^- + 0{,}2\text{H}^+ \rightarrow 0{,}16\text{CO}_2 + 0{,}1\text{N}_2 + 0{,}33\text{H}_2\text{O} + 0{,}05\text{C}_5\text{H}_7\text{NO}_2$$
  • Quá trình phân hủy yếm khí (Anaerobic): Chuyển hóa chất hữu cơ phức tạp thành hỗn hợp khí sinh học ($\text{CH}_4 + \text{CO}_2$) qua 3 giai đoạn: $$\text{C}_c\text{H}_h\text{O}_o\text{N}_n\text{S}_s + \frac{1}{4}(4c-h-2o+3n+2s)\text{H}_2\text{O} \rightarrow \frac{1}{8}(4c-h+2o+3n+2s)\text{CO}_2 + \frac{1}{8}(4c+h-2o-3n-2s)\text{CH}_4 + n\text{NH}_3 + s\text{H}_2\text{S}$$

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

  • Chế tạo vật liệu EBB cải tiến: Xác định tỷ lệ phối trộn giữa xi măng kết dính, sỏi nhẹ keramzit, cát xây dựng, bột khoáng zeolit, than cacbon hoạt tính và lượng nước bổ sung (thực nghiệm ở các mức 100 mL, 120 mL, 150 mL).
  • Phương pháp phân tích lý - hóa:
    • Xác định diện tích bề mặt riêng theo phương pháp Brunauer–Emmett–Teller (BET).
    • Quan sát vi cấu trúc hình thái bề mặt và độ rỗng mao quản bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM).
    • Xác định tỷ trọng, độ rỗng tổng thể, thể tích rỗng của khối vật liệu.
    • Phân tích các thông số chất lượng nước theo tiêu chuẩn: COD, $\text{NH}_4^+$, BOD, TSS, Coliforms.
  • Phương pháp khảo sát cân bằng và động học hấp phụ Amoni:
    • Khảo sát ảnh hưởng của pH (dải pH 4–10), liều lượng vật liệu hấp phụ (ví dụ 150 g/L), nồng độ ban đầu của Amoni (30 mg/L) và thời gian tiếp xúc (240 phút).
    • Xử lý số liệu thực nghiệm theo mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir và mô hình động học biểu kiến bậc 1, bậc 2.
  • Phương pháp sinh học phân tử đánh giá quần xã vi sinh vật:
    • Tách chiết ADN tổng số từ các mẫu sinh khối bám dính trên khối EBB cải tiến (các mẫu ký hiệu A1, A2, A3, A4, A5).
    • Khuếch đại gen bằng kỹ thuật PCR và phân tích đa hình đoạn ADN bằng phương pháp điện di trên gel gradient biến tính (Denaturing Gradient Gel Electrophoresis - DGGE).
    • Định lượng đa dạng sinh học thông qua chỉ số đa dạng Shannon ($H'$) và chỉ số đồng đều Pielou ($J'$); giải trình tự và thiết lập cây phát sinh chủng loại (phylogenetic tree).
  • Phương pháp thử nghiệm mô hình động học dòng liên tục: Đánh giá hiệu suất loại bỏ COD và Amoni trong phòng thí nghiệm ở các dải lưu lượng cấp nước thải: 0,5; 1,0; 2,0; 3,0; 4,0; 5,0 L/giờ.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan

Chương 1 trình bày tổng quan về thực trạng ô nhiễm nguồn nước mặt và nước thải tại Việt Nam, tập trung vào ba loại hình: nước thải sinh hoạt đô thị, nước rỉ rác từ các bãi chôn lấp chất thải rắn và nước thải y tế bệnh viện. Tác giả phân tích cấu trúc thành phần ô nhiễm, cơ chế các quá trình sinh học (hiếu khí, thiếu khí, yếm khí) và vai trò của các chủng vi sinh vật, tảo, động vật nguyên sinh trong hệ thống xử lý.

Nhóm thông số Nước thải sinh hoạt đô thị (Metcalf & Eddy) Nước thải bệnh viện (Bộ Y tế, 2012) Nước rỉ rác bãi rác mới (<5 năm) Nước rỉ rác bãi rác cũ (>5 năm)
pH 6,5 – 8,0 6,5 – 7,5 (TB: 7,0) < 6,5 6,8 – 8,5
TSS (mg/L) 100 – 350 (TB: 220) 100 – 200 (TB: 150) Rất cao Giảm dần
$\text{BOD}_5$ (mg/L) 110 – 400 (TB: 220) 120 – 250 (TB: 200) Rất cao Rất thấp
COD (mg/L) – 150 – 350 (TB: 300) > 10.000 (đến 22.000) 327 – Giảm sâu
Tỷ lệ $\text{BOD}_5\text{/COD}$ – – 0,4 – 0,6 0,005 – 0,2
Tổng Nitơ / $\text{NH}_4^+$ (mg/L) TN: 20 – 85; $\text{NH}_4^+$: 12 – 50 – 62 – 2.000 Tăng cao
Coliforms (MPN/100 mL) $10^6 – 10^9$ $10^6 – 10^9$ (TB: $10^6 – 10^7$) – –

Chương này cũng phân tích chi tiết cấu tạo của khối EBB thương mại Nhật Bản (Công ty Koyoh, sáng chế số 4065402) và đặt nền móng lý luận cho việc lựa chọn các nguyên liệu thay thế tại Việt Nam gồm sỏi nhẹ keramzit, cát, zeolit tự nhiên, than cacbon và chế phẩm Sagi - Bio 2.

Chương 2. Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu

Chương 2 thiết lập toàn bộ quy trình công nghệ chế tạo khối EBB cải tiến và hệ thống phương pháp thử nghiệm:

  • Thiết kế công thức phối trộn vật liệu: Sử dụng cốt liệu xốp keramzit kết hợp với khoáng zeolit trao đổi ion, cát và bột than cacbon nhằm tối ưu hóa độ rỗng và diện tích bề mặt tiếp xúc. Xi măng poóc lăng đóng vai trò chất kết dính vô cơ. Khảo sát lượng nước phối trộn ở 3 mức: 100 mL, 120 mL và 150 mL cho từng mẻ phối liệu nhằm đảm bảo độ liên kết bền vững nhưng không làm bít kín các lỗ rỗng hở.
  • Phương pháp cấy vi sinh vật: Bổ sung chế phẩm vi sinh Sagi - Bio 2 vào cấu trúc khối vật liệu, tạo màng biofilm và theo dõi mật độ tế bào vi sinh vật hiếu khí, kị khí trong điều kiện nuôi cấy ổn định.
  • Hệ thống thiết bị phân tích: Sử dụng kính hiển vi điện tử quét SEM để kiểm tra hình thái mao quản, thiết bị đo BET xác định diện tích bề mặt riêng; bố trí thí nghiệm hấp phụ Amoni tĩnh (xác định ảnh hưởng của pH, liều lượng, nồng độ, thời gian 240 phút); thiết lập hệ thống điện di DGGE phân tích đoạn gen 16S rDNA khuếch đại bằng PCR từ ADN tổng số.
  • Bố trí mô hình thử nghiệm liên tục: Mô hình cột phản ứng chứa EBB cải tiến hoạt động với các mức lưu lượng từ 0,5 L/h đến 5,0 L/h; quy trình lấy mẫu và phân tích tại hồ Khương Thượng, trạm xử lý nước rỉ rác Phương Đình và trạm nước thải Bệnh viện E.

Chương 3. Kết quả và thảo luận

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

  • Đặc trưng hóa lý của vật liệu EBB cải tiến:
    • Thể tích rỗng và diện tích bề mặt: Ảnh SEM cho thấy cấu trúc vật liệu có hệ mao quản phân bố dày đặc, không bị bít tắc khi phối trộn với lượng nước tối ưu 120 mL (mức 100 mL quá khô làm giảm độ kết dính, mức 150 mL quá ướt làm chảy vữa và bít mao quản). Kết quả đo BET khẳng định diện tích bề mặt riêng đạt giá trị cao, tạo điều kiện thuận lợi cho vi sinh vật cố định.
    • Hoạt tính vi sinh vật và ảnh hưởng của pH: Mật độ vi sinh vật hiếu khí và kị khí duy trì ở mức cao sau 10 ngày cấy vi sinh. Khảo sát ở các dải pH (pH 4÷5, pH 7÷8, pH 9÷10) cho thấy hiệu suất xử lý COD và mật độ vi sinh vật đạt tối ưu tại khoảng pH trung tính (pH 7÷8).
Chỉ tiêu khảo sát Điều kiện / Thông số thực nghiệm Kết quả ghi nhận chính
Lượng nước phối trộn Khảo sát 100 mL, 120 mL, 150 mL 120 mL cho độ bền cơ học và độ rỗng bề mặt tối ưu
Mật độ vi sinh vật Trước và sau khi cấy 10 ngày Màng biofilm phát triển dày trên bề mặt và trong lỗ rỗng
Ảnh hưởng của pH Khảo sát dải pH 4–5; 7–8; 9–10 Hiệu suất chuyển hóa COD và mật độ vi sinh đạt đỉnh ở pH 7–8
Hấp phụ $\text{NH}_4^+$ pH 6; nồng độ 30 mg/L; liều lượng 150 g/L; 240 phút Cân bằng hấp phụ tuân theo mô hình Langmuir; động học bậc hai
Đa dạng di truyền (DGGE) 5 mẫu thử nghiệm (A1, A2, A3, A4, A5) Xác định số lượng band đặc trưng, tính chỉ số $H'$ và $J'$
Lưu lượng dòng chảy PTN Thay đổi lưu lượng 0,5; 1; 2; 3; 4; 5 L/giờ Hiệu suất loại bỏ COD và $\text{NH}_4^+$ tỷ lệ nghịch với lưu lượng
  • Đặc tính hấp phụ Amoni: Tại giá trị pH tối ưu (pH 6), vật liệu EBB cải tiến cho hiệu quả loại bỏ Amoni rõ rệt nhờ cơ chế trao đổi ion của thành phần zeolit. Dữ liệu thực nghiệm phù hợp với mô hình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir và tuân theo quy luật động học phản ứng biểu kiến bậc hai.
  • Phân tích sinh học phân tử bằng DGGE: Bản điện di DGGE của các mẫu A1 đến A5 phân tách rõ các băng vạch ADN. Việc tính toán chỉ số đa dạng Shannon ($H'$) và chỉ số tương quan Pielou ($J'$) cho thấy sự ổn định và phong phú của quần thể vi sinh vật trên giá thể EBB cải tiến trong suốt quá trình vận hành; cây phát sinh chủng loại xác lập mối quan hệ di truyền của các loài vi khuẩn chủ đạo tham gia phân giải chất hữu cơ và nitrat hóa.
  • Hiệu quả xử lý trong phòng thí nghiệm và hiện trường:
    • Trong phòng thí nghiệm: Hiệu suất khử COD và Amoni đạt mức cao nhất ở lưu lượng thấp (0,5–1,0 L/h) và giảm dần khi tăng tải trọng thủy lực lên 5,0 L/h.
    • Xử lý nước hồ Khương Thượng: Làm giảm nồng độ chất hữu cơ, cải thiện độ trong và giảm mùi hôi nguồn nước mặt hồ.
    • Xử lý nước rỉ rác Phương Đình: Giảm tải lượng COD và nồng độ Amoni cao trong nước rỉ rác.
    • Xử lý nước thải Bệnh viện E: Nâng cao hiệu quả xử lý COD, Amoni và hỗ trợ giảm thiểu vi sinh vật gây bệnh trong dòng thải y tế.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận

  1. Đã thiết lập được cơ sở khoa học về thành phần và tỷ lệ phối trộn tối ưu để chế tạo khối vật liệu mang sinh vật sinh thái EBB cải tiến từ 100% nguyên vật liệu nội địa (cát, sỏi nhẹ keramzit, khoáng zeolit, than cacbon, xi măng) kết hợp với chế phẩm vi sinh Sagi - Bio 2.
  2. Làm sáng tỏ cơ chế xử lý kết hợp đồng thời giữa quá trình hấp phụ hóa lý (nhờ cấu trúc mao quản xốp và khả năng trao đổi ion của zeolit/than cacbon) và quá trình chuyển hóa sinh hóa (nhờ quần xã vi sinh vật dính bám tạo màng biofilm) đối với các hợp chất hữu cơ (COD) và Amoni ($\text{NH}_4^+$).
  3. Ứng dụng thành công kỹ thuật sinh học phân tử hiện đại (tách chiết ADN, PCR, điện di DGGE, giải trình tự và xây dựng cây phát sinh loài, tính toán chỉ số đa dạng Shannon $H'$ và chỉ số Pielou $J'$) để định danh và theo dõi động thái biến đổi của quần thể vi sinh vật bám dính trên vật liệu mang sinh học cải tiến.

Những đóng góp mới về mặt thực tiễn và ứng dụng

  1. Làm chủ quy trình công nghệ chế tạo vật liệu EBB cải tiến có độ bền cơ học cao, chịu nén tốt, khối lượng riêng nhẹ, phù hợp với điều kiện khí hậu nóng ẩm của Việt Nam và có giá thành cạnh tranh hơn so với sản phẩm EBB nhập khẩu từ Nhật Bản.
  2. Cung cấp giải pháp kỹ thuật linh hoạt, tiết kiệm năng lượng và diện tích mặt bằng cho các công trình xử lý nước thải phân tán, xử lý tại chỗ nước hồ đô thị ô nhiễm (hồ Khương Thượng), nước rỉ rác phức tạp (bãi rác Phương Đình) và nước thải y tế (Bệnh viện E).

Kiến nghị và đề xuất

  • Cần tiếp tục mở rộng quy mô ứng dụng vật liệu EBB cải tiến vào các công trình xử lý nước thải công nghiệp và nước mặt kênh mương hở quy mô lớn.
  • Nghiên cứu tiêu chuẩn hóa quy trình sản xuất công nghiệp khối EBB cải tiến để thương mại hóa rộng rãi.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên nội dung và phạm vi nghiên cứu được trình bày trong luận án:

  • Hạn chế: Thử nghiệm ứng dụng hiện trường tại hồ Khương Thượng, bãi rác Phương Đình và Bệnh viện E chủ yếu đánh giá hiệu quả xử lý theo các đợt quan trắc; chưa có chuỗi số liệu theo dõi liên tục qua nhiều năm để đánh giá chính xác tuổi thọ giới hạn của khối vật liệu và chu kỳ suy thoái màng sinh học trong điều kiện biến động thời tiết khắc nghiệt.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Khảo sát độ bền cơ lý và khả năng tái sinh hoạt tính của khối EBB cải tiến sau thời gian vận hành dài hạn (trên 3–5 năm).
    • Nghiên cứu tối ưu hóa kết hợp EBB cải tiến với các công nghệ oxy hóa bậc cao hoặc xử lý bậc ba để nâng cao hiệu quả khử triệt để Nitơ, Phốt pho và các hợp chất hữu cơ khó phân hủy sinh học trong nước rỉ rác lâu năm.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên ngành Kỹ thuật môi trường và Công nghệ vật liệu:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên ngành Môi trường: Tham khảo phương pháp luận kết hợp nghiên cứu khoa học vật liệu vô cơ với công nghệ sinh học môi trường; quy trình chế tạo giá thể sinh học; kỹ thuật sinh học phân tử DGGE để nghiên cứu hệ vi sinh vật bám dính.
  • Giảng viên và các nhà khoa học: Sử dụng làm tài liệu giảng dạy và nghiên cứu chuyên đề về xử lý sinh học nước thải, động học hấp phụ Amoni và công nghệ màng sinh học MBBR/FBBR.
  • Kỹ sư thiết kế và cán bộ quản lý môi trường: Ứng dụng quy trình chế tạo và thông số vận hành mô hình EBB cải tiến để thiết kế các công trình cải tạo hồ đô thị, xử lý nước thải bệnh viện và tiền xử lý nước rỉ rác với chi phí đầu tư thấp.

Câu hỏi thường gặp

1. Vật liệu Eco-Bio-Block (EBB) cải tiến trong luận án được chế tạo từ những thành phần nguyên liệu nào?

Vật liệu EBB cải tiến được chế tạo từ các nguyên vật liệu sẵn có tại Việt Nam gồm: cốt liệu sỏi nhẹ keramzit, khoáng zeolit, cát xây dựng, than cacbon, xi măng poóc lăng làm chất kết dính và được cấy bổ sung chế phẩm sinh học Sagi - Bio 2.

2. Sự khác biệt cốt lõi giữa EBB cải tiến và EBB thương mại Nhật Bản là gì?

EBB thương mại Nhật Bản (sáng chế số 4065402 của Công ty Koyoh) sử dụng đá xốp zeolit tự nhiên từ nham thạch núi lửa và chủng vi sinh Bacillus subtilis natto, có giá thành nhập khẩu cao. EBB cải tiến của luận án sử dụng 100% nguyên liệu vô cơ xốp nội địa phối trộn cùng chế phẩm vi sinh bản địa Sagi - Bio 2, giúp giảm giá thành, làm chủ công nghệ và phù hợp với điều kiện khí hậu Việt Nam.

3. Phương pháp sinh học phân tử nào được sử dụng để đánh giá quần xã vi sinh vật trên khối EBB?

Luận án sử dụng kỹ thuật tách chiết ADN tổng số, phản ứng khuếch đại gen PCR và điện di trên gel gradient biến tính (DGGE) trên 5 mẫu thử nghiệm (A1 đến A5), kết hợp giải trình tự, tính toán chỉ số đa dạng Shannon ($H'$), chỉ số tương quan Pielou ($J'$) và xây dựng cây phát sinh loài.

4. Cơ chế chính giúp EBB cải tiến loại bỏ đồng thời COD và Amoni trong nước thải là gì?

Cơ chế xử lý gồm hai quá trình kết hợp: (1) Quá trình hóa lý thông qua sự hấp phụ cơ học và trao đổi ion Amoni trên bề mặt xốp của zeolit và than cacbon; (2) Quá trình sinh hóa do màng vi sinh vật biofilm bám trên giá thể thực hiện phân hủy hiếu khí chất hữu cơ (giảm COD) và nitrat hóa chuyển hóa Amoni thành Nitrit/Nitrat.

5. Luận án đã thử nghiệm ứng dụng vật liệu EBB cải tiến trên những nguồn nước thải thực tế nào?

Vật liệu EBB cải tiến đã được thử nghiệm thực tế tại 03 nguồn thải: nguồn nước mặt ô nhiễm tại hồ Khương Thượng (Đống Đa, Hà Nội), nước rỉ rác tại Nhà máy chế biến rác Phương Đình (huyện Đan Phượng, Hà Nội) và nước thải y tế tại Bệnh viện E (Cầu Giấy, Hà Nội).

Kết luận

Luận án tiến sĩ kỹ thuật môi trường của nghiên cứu sinh Hoàng Lương đã nghiên cứu chế tạo thành công khối vật liệu mang sinh vật sinh thái Eco-Bio-Block (EBB) cải tiến từ các nguồn nguyên liệu sẵn có trong nước kết hợp chế phẩm vi sinh Sagi - Bio 2. Các kết quả phân tích cấu trúc hóa lý và sinh học phân tử (DGGE) đã chứng minh vật liệu có độ rỗng cao, diện tích bề mặt lớn, tạo môi trường thuận lợi cho quần xã vi sinh vật dính bám phát triển ổn định và thực hiện hiệu quả quá trình hấp phụ kết hợp phân hủy sinh học COD, Amoni. Thử nghiệm thực tế tại hồ Khương Thượng, bãi rác Phương Đình và Bệnh viện E khẳng định khả năng ứng dụng của vật liệu EBB cải tiến trong việc xử lý ô nhiễm môi trường nước với chi phí thấp và quy trình vận hành đơn giản.