I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu Vi Khuẩn Lam Xử Lý Nước Thải
Ô nhiễm môi trường nước là vấn đề cấp bách, đặc biệt là nước thải sinh hoạt chưa qua xử lý. Nước thải sinh hoạt từ các hoạt động dân sinh khó kiểm soát, đòi hỏi biện pháp xử lý phù hợp. Theo JICA, nước thải sinh hoạt là tác nhân gây ô nhiễm hàng đầu tại Việt Nam. Thống kê của Bộ Y tế cho thấy các bệnh liên quan đến ô nhiễm nước đứng đầu danh sách bệnh tật. Nước thải sinh hoạt không xử lý có nồng độ COD, BOD, nito và photpho cao, gây hại cho động thực vật thủy sinh. Nghiên cứu sử dụng vi khuẩn lam trong xử lý nước thải và thu hồi sinh khối làm phân bón là hướng đi tiềm năng. Việc lạm dụng phân bón hóa học gây ô nhiễm môi trường và giảm chất lượng đất. Phân bón từ vi tảo và vi khuẩn lam thân thiện với môi trường, cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng và giảm ô nhiễm. Đề tài "Nghiên cứu sử dụng vi khuẩn lam nhằm xử lý nước thải sinh hoạt và thu hồi sinh khối làm phân bón kích thích sinh trưởng cây trồng" được thực hiện để đánh giá khả năng xử lý nước thải và tận dụng sinh khối làm phân bón.
1.1. Khái niệm và đặc điểm của nước thải sinh hoạt
Theo QCVN 14:2008/BTNMT, nước thải sinh hoạt là nước thải từ các khu dân cư, thương mại, công sở, trường học. Nước thải sinh hoạt gồm nước thải đen (ô nhiễm cao từ nhà vệ sinh) và nước thải xám (ô nhiễm thấp hơn từ bếp, tắm giặt). Nước thải đen thường được xử lý sơ bộ qua bể tự hoại, nhưng chất lượng đầu ra vẫn chưa đạt chuẩn. Nước thải xám hầu như chưa được xử lý. Đặc trưng của nước thải sinh hoạt là hàm lượng chất dinh dưỡng nitơ và phốt pho cao, đặc biệt là hợp chất hữu cơ chứa nitơ. Ngoài ra, còn có các chất rắn lơ lửng, BOD5, coliform, dầu mỡ và các chất hoạt động bề mặt từ chất tẩy rửa.
1.2. Thực trạng ô nhiễm nước thải sinh hoạt tại Việt Nam
Việt Nam đối mặt với vấn đề nước thải sinh hoạt, đặc biệt từ các khu đô thị. Theo thống kê năm 2017, tổng lưu lượng nước thải xả thải trên toàn quốc khoảng 100 triệu m3/ngày đêm. Nước thải sinh hoạt và công nghiệp chiếm tỷ lệ lớn nhất, tập trung ở Đồng bằng Sông Hồng và Đông Nam Bộ. Hà Nội và TP.HCM là hai thành phố có lượng nước thải sinh hoạt lớn nhất. Tỷ lệ nước thải sinh hoạt ở các đô thị loại IV trở lên được thu gom, xử lý đạt khoảng 12,5% (năm 2018). Nhiều nguồn xả không được kiểm soát và thải trực tiếp ra môi trường, gây ô nhiễm sông Tô Lịch, sông Nhuệ. Tình hình phát sinh nước thải sinh hoạt ở Việt Nam cần được quan tâm và có biện pháp ngăn chặn nguy cơ ô nhiễm.
II. Các Phương Pháp Xử Lý Nước Thải Sinh Hoạt Hiện Nay
Xử lý nước thải sinh hoạt nhằm loại bỏ các thành phần ô nhiễm, làm sạch nước và đưa vào nguồn tiếp nhận. Việc lựa chọn phương pháp xử lý dựa trên đặc điểm của tạp chất trong nước thải. Các phương pháp chính bao gồm cơ học, hóa học, hóa lý và sinh học. Phương pháp cơ học loại bỏ hợp chất hữu cơ không hòa tan, chất lơ lửng và một phần chất keo. Phương pháp hóa học sử dụng chất phản ứng để tách chất bẩn dưới dạng cặn lắng hoặc hòa tan không độc hại. Phương pháp hóa lý áp dụng các quá trình vật lý và hóa học để biến đổi hóa học, tạo thành các chất khác dưới dạng cặn hoặc chất hòa tan không độc hại. Phương pháp sinh học sử dụng vi sinh vật có ích để phân hủy chất hữu cơ và các thành phần ô nhiễm. Mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng, tùy thuộc vào điều kiện cụ thể để lựa chọn.
2.1. Ưu điểm và nhược điểm của phương pháp cơ học
Phương pháp xử lý cơ học có thể loại bỏ 60% các hợp chất không tan và 20% BOD trong nước thải. Ngoài ra, phương pháp này có thể xử lý hàm lượng lớn các chất lơ lửng. Thông thường, xử lý cơ học chỉ là giai đoạn tiền xử lý trước khi chuyển sang phương pháp xử lý hóa học hay sinh học. Tuy nhiên, phương pháp này chỉ loại bỏ được các chất không tan, không xử lý được các chất hòa tan.
2.2. Ưu điểm và nhược điểm của phương pháp hóa học
Ưu điểm của phương pháp hóa học là có hiệu quả xử lý cao, hóa chất dễ kiếm trên thị trường, công trình tốn ít diện tích, thường được sử dụng trong các hệ thống xử lý nước khép kín. Tuy nhiên, chi phí vận hành cao, không thích hợp cho các hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt với quy mô lớn, tính toán xử lý phức tạp, đòi hỏi kỹ sư phải có chuyên môn, sản phẩm cuối của quá trình cần có biện pháp xử lý hiệu quả.
2.3. Ưu điểm và nhược điểm của phương pháp sinh học
Phương pháp sinh học ngày càng được nghiên cứu sâu và sử dụng rộng rãi vì có nhiều ưu điểm hơn các phương pháp khác. Xử lý sinh học giúp phân huỷ các chất trong nước thải nhanh, triệt để mà không gây ô nhiễm môi trường. Có thể xử lý nước thải có phổ nhiễm bẩn chất hữu cơ rộng. Thiết bị đơn giản, phương pháp dễ làm, có thể tận dụng nhiên liệu có sẵn trong tự nhiên, thân thiện với môi trường. Sản phẩm cuối cùng thường không gây ô nhiễm thứ cấp và chi phí xử lý thấp hoặc tạo ra được một số sản phẩm có ích để sử dụng trong công nghiệp và sinh hoạt (Biogas, etanol.), trong nông nghiệp (phân bón). Tuy nhiên, phương pháp này có thời gian xử lý kéo dài, hệ thống phải hoạt động liên tục. Bên cạnh đó, quá trình xử lý chịu ảnh hưởng của các yếu tố như nhiệt độ, ánh sáng, pH, DO, hàm lượng các chất dinh dưỡng. Trên thực tế, đòi hỏi diện tích khá lớn để xây dựng mô hình xử lý. Cần phải pha loãng các nguồn thải có nồng độ chất hữu cơ quá cao do vậy làm tăng lượng nước thải cần xử lý.
III. Vi Khuẩn Lam Spirulina Platensis Giải Pháp Xử Lý Nước
Vi khuẩn lam Spirulina platensis là một chủng vi khuẩn lam có màu xanh lam, có dạng hình xoắn lò xo, không phân nhánh, không có tế bào dị hình, không có bao. Sợi vi khuẩn lam có 5 – 7 vòng xoắn đều nhau (đường kính xoắn khoảng 35-50 µm, bước xoắn khoảng 60µm) phân chia thành những tế bào với vách ngăn và có thể xoay tròn xung quanh trục của nó. Tùy thuộc vào chu kì sinh dưỡng và phát triển mà hình dạng có thể xoắn kiểu và chiều dài khác nhau. Ngay trong một dạng, chiều dài mỗi sợi cũng khác nhau. Nó được đặc trưng bởi các trichomes hình trụ, đa bào trong một chu...
3.1. Phân loại khoa học của vi khuẩn lam Spirulina Platensis
Hệ thống phân loại VKL Spirulina được phân loại như sau: - Ngành: Cyanobacteria - Lớp: Chlorobacteria - Bộ: Oscillatoriales - Họ: Phormidiaceae - Chi: Spirulina (Arthrospira) - Loài: Spirulina platensis (Arthrospira platensis)
3.2. Đặc điểm hình thái của vi khuẩn lam Spirulina Platensis
Spirulina platensis là một chủng vi khuẩn lam có màu xanh lam, có dạng hình xoắn lò xo, không phân nhánh, không có tế bào dị hình, không có bao (Hình 1. Sợi vi khuẩn lam có 5 – 7 vòng xoắn đều nhau (đường kính xoắn khoảng 35-50 µm, bước xoắn khoảng 60µm) phân chia thành những tế bào với vách ngăn và có thể xoay tròn xung quanh trục của nó. Tùy thuộc vào chu kì sinh dưỡng và phát triển mà hình dạng có thể xoắn kiểu và chiều dài khác nhau. Ngay trong một dạng, chiều dài mỗi sợi cũng khác nhau. Nó được đặc trưng bởi các trichomes hình trụ, đa bào trong một chu...
IV. Nghiên Cứu Khả Năng Xử Lý Nước Thải Bằng Vi Khuẩn Lam
Nghiên cứu đánh giá khả năng xử lý nước thải sinh hoạt của chủng vi khuẩn lam Spirulina platensis. Các thí nghiệm được thực hiện để khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến sinh trưởng của vi khuẩn lam và khả năng xử lý nước thải. Mô hình sinh học sử dụng vi khuẩn lam được đề xuất để xử lý nước thải sinh hoạt. Kết quả nghiên cứu cho thấy vi khuẩn lam có khả năng loại bỏ các chất ô nhiễm như nitơ, phốt pho và COD trong nước thải. Hiệu quả xử lý phụ thuộc vào các yếu tố như tỷ lệ cấp giống, chế độ nuôi cấy (tĩnh hoặc động).
4.1. Đề xuất mô hình sinh học xử lý nước thải bằng vi khuẩn lam
Nghiên cứu đề xuất mô hình sinh học sử dụng Spirulina platensis SP4 xử lý NTSH. Mô hình này tận dụng khả năng hấp thụ các chất ô nhiễm của vi khuẩn lam để làm sạch nước thải. Quá trình xử lý bao gồm các giai đoạn: nuôi cấy vi khuẩn lam trong nước thải, thu hoạch sinh khối và xử lý sinh khối. Mô hình này có thể được áp dụng trong thực tế để xử lý nước thải sinh hoạt một cách hiệu quả và thân thiện với môi trường.
4.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến sinh trưởng của vi khuẩn lam
Nghiên cứu khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến sinh trưởng của chủng VKL Spirulina platensis SP4. Các yếu tố này bao gồm: tỷ lệ cấp giống đầu vào, ánh sáng, nhiệt độ, pH và hàm lượng các chất dinh dưỡng. Kết quả cho thấy tỷ lệ cấp giống đầu vào ảnh hưởng đáng kể đến tốc độ sinh trưởng của vi khuẩn lam. Ánh sáng và nhiệt độ cũng là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình quang hợp và sinh trưởng của vi khuẩn lam.
V. Ứng Dụng Vi Khuẩn Lam Làm Phân Bón Kích Thích Sinh Trưởng
Nghiên cứu sử dụng vi khuẩn lam làm phân bón kích thích tăng trưởng cây trồng. Sinh khối vi khuẩn lam sau khi xử lý nước thải được thu hồi và sử dụng làm phân bón cho cây lúa. Hàm lượng IAA (chất kích thích tăng trưởng thực vật) trong sinh khối và dịch chiết vi khuẩn lam được xác định. Đánh giá khả năng nảy mầm của hạt lúa sử dụng dịch nuôi chủng VKL Spirulina platensis SP4 trong nước thải sinh hoạt. Đánh giá ảnh hưởng của sinh khối vi khuẩn lam đến sinh trưởng của cây lúa giống BC15.
5.1. Xác định hàm lượng IAA trong sinh khối vi khuẩn lam
Hàm lượng IAA (Indole-3-acetic acid) trong sinh khối và dịch chiết vi khuẩn lam Spirulina platensis SP4 được xác định bằng phương pháp sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC). Kết quả cho thấy sinh khối vi khuẩn lam chứa một lượng đáng kể IAA, có khả năng kích thích sinh trưởng cây trồng. Dịch chiết vi khuẩn lam cũng chứa IAA, nhưng hàm lượng thấp hơn so với sinh khối.
5.2. Đánh giá khả năng nảy mầm của hạt lúa
Khả năng nảy mầm của hạt lúa được đánh giá bằng cách sử dụng dịch nuôi chủng VKL Spirulina platensis SP4 trong nước thải sinh hoạt. Hạt lúa được ngâm trong dịch nuôi và theo dõi quá trình nảy mầm. Kết quả cho thấy dịch nuôi vi khuẩn lam có khả năng kích thích nảy mầm của hạt lúa, giúp hạt nảy mầm nhanh hơn và tỷ lệ nảy mầm cao hơn so với đối chứng.
VI. Kết Luận Và Triển Vọng Nghiên Cứu Vi Khuẩn Lam
Nghiên cứu đã chứng minh khả năng xử lý nước thải sinh hoạt của vi khuẩn lam Spirulina platensis và tiềm năng sử dụng sinh khối làm phân bón kích thích sinh trưởng cây trồng. Kết quả này mở ra hướng đi mới trong việc xử lý nước thải và sản xuất phân bón thân thiện với môi trường. Cần có thêm các nghiên cứu sâu hơn về các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý và khả năng ứng dụng thực tế của vi khuẩn lam.
6.1. Hướng nghiên cứu tiếp theo về vi khuẩn lam
Các hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình nuôi cấy vi khuẩn lam để tăng hiệu quả xử lý nước thải và sản xuất sinh khối. Nghiên cứu về ảnh hưởng của các yếu tố môi trường (ánh sáng, nhiệt độ, pH) đến sinh trưởng và khả năng xử lý của vi khuẩn lam. Đánh giá hiệu quả của phân bón vi khuẩn lam trên nhiều loại cây trồng khác nhau. Nghiên cứu về khả năng loại bỏ các chất ô nhiễm khác (kim loại nặng, thuốc trừ sâu) bằng vi khuẩn lam.
6.2. Tiềm năng ứng dụng thực tế của vi khuẩn lam
Vi khuẩn lam có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong thực tế, bao gồm: xử lý nước thải sinh hoạt và công nghiệp, sản xuất phân bón sinh học, sản xuất thức ăn chăn nuôi, sản xuất dược phẩm và thực phẩm chức năng. Việc phát triển các công nghệ ứng dụng vi khuẩn lam sẽ góp phần bảo vệ môi trường và phát triển nông nghiệp bền vững.
