Nghiên Cứu Sử Dụng Vi Khuẩn Lam Nhằm Xử Lý Nước Thải Sinh Hoạt Và Thu Hồi Sinh Khối Làm Phân Bón

• Tác giả: Nguyễn Thị Kiều Oanh
• Người hướng dẫn: PGS. Dương Thị Thủy
• Trường học: Học viện Khoa học và Công nghệ
• Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học, vật liệu, luyện kim và môi trường
• 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
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 1. Tổng quan về nước thải sinh hoạt
• 1.1. Khái niệm và phân loại
• 1.2. Đặc trưng của nước thải sinh hoạt
• 1.3. Hiện trạng nước thải sinh hoạt tại Việt Nam
• 1.4. Các phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt
• 1.4.1. Phương pháp xử lý cơ học
• 1.4.2. Phương pháp xử lý hóa học
• 1.4.3. Phương pháp xử lý hóa lí
• 1.4.4. Phương pháp xử lý sinh học
• 1.5. Vi khuẩn lam Spirulina platensis
• 1.5.1. Đặc điểm phân loại và hình thái
• 1.5.2. Một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng sinh trưởng và phát triển của vi khuẩn lam và VKL Spirulina platensis
• 1.6. Ứng dụng vi tảo và vi khuẩn lam trong xử lý nước thải
• 1.6.1. Các nghiên cứu trên thế giới
• 1.6.2. Các nghiên cứu ở Việt Nam
• 1.7. Ứng dụng vi khuẩn lam làm phân bón trong nông nghiệp
• 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
• 2.2. Hóa chất, thiết bị và dụng cụ nghiên cứu
• 2.3. Môi trường nuôi cấy
• 2.4. Hóa chất, dụng cụ sử dụng trong phân tích mẫu
• 2.5. Phương pháp nghiên cứu
• 2.5.1. Phương pháp thu thập thông tin tài liệu
• 2.5.2. Phương pháp lấy mẫu nước thải
• 2.5.3. Phương pháp đo nhanh các thông số trong nước thải (đo nhanh các thông số: pH, nhiệt độ, độ dẫn điện, DO, …)
• 2.5.4. Phương pháp phân tích mẫu nước thải
• 2.5.5. Phương pháp xác định hormone (chất kích thích tăng trưởng thực vật, IAA)
• 2.6. Bố trí thí nghiệm
• 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
• 3.1. Nghiên cứu khả năng xử lý nước thải sinh hoạt của chủng VKL Spirulina platensis SP4
• 3.2. Khảo sát mẫu nước thải sinh hoạt
• 3.3. Đề xuất mô hình sinh học sử dụng vi khuẩn lam xử lý nước thải sinh hoạt
• 3.4. Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng sinh trưởng của chủng VKL Spirulina platensis SP4
• 3.5. Khả năng xử lý nước thải sinh hoạt của mô hình sinh học sử dụng VKL Spirulina platensis SP4
• 3.6. Nghiên cứu sử dụng vi khuẩn lam làm phân bón kích thích tăng trưởng cây trồng
• 3.6.1. Xác định hàm lượng IAA trong sinh khối và dịch chiết vi khuẩn lam Spirulina platensis SP4
• 3.6.2. Đánh giá khả năng nảy mầm của hạt lúa sử dụng dịch nuôi chủng VKL Spirulina platensis SP4 trong nước thải sinh hoạt
• 3.6.3. Đánh giá khả ảnh hưởng sinh khối vi khuẩn lam thu sau khi xử lý nước thải sinh hoạt đến năng sinh trưởng của cây lúa giống BC15
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

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.

Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm môi trường nước, đặc biệt là nước thải sinh hoạt, đang là vấn đề nghiêm trọng tại Việt Nam. Theo số liệu của Bộ Tài nguyên và Môi trường năm 2017, tổng lưu lượng nước thải xả thải trên toàn quốc đạt khoảng 100 triệu m³/ngày đêm, trong đó nước thải sinh hoạt chiếm tỷ lệ lớn nhất, đặc biệt tại các vùng Đồng bằng Sông Hồng và Đông Nam Bộ. Tỷ lệ nước thải sinh hoạt được thu gom và xử lý tại các đô thị loại IV trở lên chỉ đạt khoảng 12,5%, tại Hà Nội là 20,62%, thấp hơn nhiều so với nhu cầu thực tế. Nước thải sinh hoạt chứa hàm lượng cao các chất ô nhiễm như COD, BOD, nitơ và photpho, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ sinh thái thủy sinh và sức khỏe cộng đồng.

Mục tiêu nghiên cứu nhằm đánh giá khả năng xử lý nước thải sinh hoạt bằng vi khuẩn lam Spirulina platensis SP4 và tận dụng sinh khối thu hồi làm phân bón sinh học kích thích sinh trưởng cây trồng. Nghiên cứu được thực hiện tại phòng Thủy sinh học môi trường, Viện Công nghệ môi trường, Hà Nội, trong khoảng thời gian từ tháng 3 đến tháng 8 năm 2022. Ý nghĩa của nghiên cứu không chỉ góp phần xử lý hiệu quả nước thải sinh hoạt mà còn phát triển nguồn phân bón sinh học thân thiện môi trường, giảm thiểu việc sử dụng phân bón hóa học, từ đó thúc đẩy nông nghiệp bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết về xử lý nước thải sinh hoạt bằng phương pháp sinh học, trong đó vi khuẩn lam Spirulina platensis được ứng dụng như một sinh vật quang hợp có khả năng hấp thu các chất dinh dưỡng như nitơ (N) và photpho (P) trong nước thải. Lý thuyết về sinh trưởng vi sinh vật trong môi trường nước thải, ảnh hưởng của các yếu tố như nhiệt độ, ánh sáng, pH và hàm lượng dinh dưỡng được vận dụng để tối ưu hóa điều kiện nuôi cấy. Ngoài ra, mô hình sinh học xử lý nước thải kết hợp thu hồi sinh khối vi khuẩn lam làm phân bón sinh học được xây dựng dựa trên cơ sở sinh học và hóa học môi trường.

Các khái niệm chính bao gồm:

• Nước thải sinh hoạt và đặc trưng ô nhiễm (COD, BOD, N-NH4+, P-PO43-)
• Vi khuẩn lam Spirulina platensis: đặc điểm hình thái, sinh trưởng và phát triển
• Quá trình xử lý sinh học nước thải bằng vi sinh vật quang hợp
• Chất kích thích sinh trưởng thực vật (IAA) và vai trò của vi khuẩn lam trong sản xuất phân bón sinh học

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là mẫu nước thải sinh hoạt thu tại cống xả khu dân cư đường Nguyễn Đình Hoàn, Cầu Giấy, Hà Nội. Chủng vi khuẩn lam Spirulina platensis SP4 được nuôi cấy tại phòng Thủy sinh học môi trường, Viện Công nghệ môi trường. Giống lúa thuần BC15 được sử dụng để đánh giá hiệu quả phân bón sinh học.

Phương pháp lấy mẫu nước thải tuân thủ tiêu chuẩn TCVN 5999:1995, các thông số nước thải được đo nhanh (pH, nhiệt độ, DO, độ dẫn điện) và phân tích theo tiêu chuẩn quốc gia TCVN 6202:2008, TCVN 6180:1996, TCVN 6178:1996, TCVN 6179-1:1996, TCVN 6491:1999. Hàm lượng hormone IAA được xác định bằng sắc ký lỏng hiệu năng cao kết hợp khối phổ (HPLC-ESI-MS/MS).

Phân tích sinh trưởng vi khuẩn lam được thực hiện với các mật độ ban đầu khác nhau (OD660nm từ 0,1 đến 0,4) trong điều kiện ánh sáng 5000 lux, nhiệt độ 25°C, chu kỳ sáng-tối 8:16. Khả năng xử lý nước thải được khảo sát ở các nồng độ nước thải pha loãng 25%, 50%, 75% và 100%. Mô hình xử lý nước thải quy mô 10 lít được vận hành ở chế độ tĩnh và động với thời gian lưu nước 4 ngày, theo dõi trong 8-20 ngày. Thí nghiệm đánh giá khả năng kích thích nảy mầm và sinh trưởng cây lúa BC15 được thực hiện trong điều kiện phòng thí nghiệm với các công thức phối trộn sinh khối vi khuẩn lam vào đất trồng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Khả năng sinh trưởng của Spirulina platensis SP4: Mật độ vi khuẩn lam ban đầu OD = 0,3 cho tốc độ sinh trưởng tối ưu, đạt OD660nm = 1,32 ± 0,025 sau 8 ngày, cao gấp 2-3 lần so với mật độ thấp hơn.

2. Hiệu quả xử lý nước thải sinh hoạt:

   • Ở nồng độ nước thải 100%, hiệu suất loại bỏ N-NH4+ đạt 99,5% (giảm từ 28,6 mg/L xuống 0,14 mg/L).
   • Hiệu suất loại bỏ P-PO43- đạt 61,56% (giảm từ 3,98 mg/L xuống 1,53 mg/L).
   • Hiệu suất loại bỏ COD đạt 89,5% (giảm từ 192 mg/L xuống 20,1 mg/L).
   • Ở mô hình 10 lít chế độ tĩnh, hiệu suất loại bỏ N-NH4+ đạt 96,37%, tổng nitơ giảm 49,7%, P-PO43- giảm 67,1%, COD giảm 95,53%.
   • Ở chế độ động, hiệu suất loại bỏ N-NH4+ đạt 91,8%, COD giảm 75,5%, tổng photpho giảm 46,37%, P-PO43- giảm 48,9%.

3. Khả năng sinh tổng hợp IAA:

   • Spirulina platensis SP4 sinh tổng hợp IAA trong môi trường nuôi cấy đạt 0,135 µg/mL (ngoại bào) và 0,294 µg/g sinh khối tươi (nội bào).
   • Trong môi trường nước thải sinh hoạt, hàm lượng IAA ngoại bào tăng lên 0,824 µg/mL, nội bào 0,058 µg/g sinh khối tươi.

4. Ảnh hưởng đến nảy mầm và sinh trưởng cây lúa BC15:

   • Dịch nuôi cấy vi khuẩn lam trong nước thải có bổ sung L-tryptophan làm tăng tỷ lệ nảy mầm hạt lúa lên 99,6% sau 48 giờ, so với 64,7% ở nước máy.
   • Bổ sung sinh khối vi khuẩn lam vào đất trồng với liều 10g/1,5kg đất làm tăng chiều cao cây lúa lên 50,7 cm sau 4 tuần, cao hơn 10,4 cm so với đối chứng không bổ sung.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy Spirulina platensis SP4 có khả năng sinh trưởng tốt trong nước thải sinh hoạt với điều kiện pH trung tính và nhiệt độ phòng, phù hợp với các nghiên cứu trước đây về ảnh hưởng của nhiệt độ và ánh sáng đến sinh trưởng vi khuẩn lam. Hiệu quả xử lý các chỉ tiêu ô nhiễm như N-NH4+, P-PO43- và COD đạt mức cao, chứng tỏ khả năng hấp thu và chuyển hóa các chất dinh dưỡng của vi khuẩn lam trong môi trường nước thải.

Việc sinh tổng hợp IAA của Spirulina platensis SP4 trong môi trường nước thải cho thấy tiềm năng kép của vi khuẩn lam vừa xử lý ô nhiễm vừa tạo ra chất kích thích sinh trưởng thực vật, góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng sinh khối làm phân bón sinh học. Tỷ lệ nảy mầm và sinh trưởng cây lúa được cải thiện rõ rệt khi sử dụng dịch nuôi cấy và sinh khối vi khuẩn lam, phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về vai trò của vi khuẩn lam trong nông nghiệp bền vững.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ biến động nồng độ các chất ô nhiễm trước và sau xử lý, biểu đồ sinh trưởng vi khuẩn lam theo mật độ ban đầu, và bảng so sánh chiều cao cây lúa giữa các nghiệm thức. So sánh với các nghiên cứu khác, hiệu suất xử lý và khả năng kích thích sinh trưởng của Spirulina platensis SP4 tương đương hoặc vượt trội, khẳng định tính ứng dụng thực tiễn cao.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai mô hình xử lý nước thải sinh hoạt bằng vi khuẩn lam Spirulina platensis SP4 tại các khu dân cư đô thị với quy mô pilot trong vòng 12 tháng nhằm giảm tải ô nhiễm nguồn nước, do các cơ quan quản lý môi trường phối hợp với các viện nghiên cứu thực hiện.

2. Phát triển công nghệ thu hồi và chế biến sinh khối vi khuẩn lam thành phân bón sinh học kích thích sinh trưởng cây trồng, tập trung vào các loại cây lúa và rau màu, với mục tiêu nâng cao năng suất và giảm sử dụng phân bón hóa học trong 2 năm tới, do các doanh nghiệp nông nghiệp và công ty công nghệ sinh học đảm nhận.

3. Nghiên cứu tối ưu hóa điều kiện nuôi cấy vi khuẩn lam trong nước thải (pH, ánh sáng, nhiệt độ, bổ sung L-tryptophan) để tăng hiệu quả xử lý và hàm lượng hormone IAA, thực hiện trong 6-12 tháng tại các phòng thí nghiệm chuyên ngành.

4. Tổ chức đào tạo, tập huấn cho cán bộ kỹ thuật và người dân về ứng dụng công nghệ vi khuẩn lam trong xử lý nước thải và sản xuất phân bón sinh học, nhằm nâng cao nhận thức và khả năng vận hành mô hình, triển khai trong 1 năm tại các địa phương có lượng nước thải lớn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật môi trường, Công nghệ sinh học: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu thực nghiệm và phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt bằng vi khuẩn lam, đồng thời mở rộng ứng dụng sinh khối vi khuẩn lam trong nông nghiệp.

2. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách công: Tham khảo để xây dựng các chương trình xử lý nước thải sinh hoạt hiệu quả, thân thiện môi trường, đồng thời phát triển chính sách hỗ trợ sản xuất phân bón sinh học.

3. Doanh nghiệp sản xuất phân bón và công nghệ sinh học: Tận dụng kết quả nghiên cứu để phát triển sản phẩm phân bón sinh học mới, giảm thiểu tác động môi trường và nâng cao giá trị kinh tế.

4. Nông dân và hợp tác xã nông nghiệp: Áp dụng phân bón sinh học từ vi khuẩn lam để cải thiện năng suất cây trồng, giảm chi phí đầu vào và bảo vệ đất trồng, góp phần phát triển nông nghiệp bền vững.

Câu hỏi thường gặp

1. Vi khuẩn lam Spirulina platensis có thể xử lý được những chất ô nhiễm nào trong nước thải sinh hoạt?
   Spirulina platensis có khả năng loại bỏ hiệu quả các chất ô nhiễm như amoni (N-NH4+ giảm đến 99,5%), photpho (P-PO43- giảm trên 60%) và chất hữu cơ (COD giảm gần 90%), nhờ khả năng hấp thu dinh dưỡng và chuyển hóa sinh học.

2. Điều kiện nuôi cấy vi khuẩn lam trong nước thải sinh hoạt như thế nào để đạt hiệu quả cao?
   Nhiệt độ khoảng 25°C, pH trung tính đến kiềm nhẹ, cường độ ánh sáng 5000 lux, chu kỳ sáng-tối 8:16, mật độ vi khuẩn ban đầu OD660nm = 0,3 là điều kiện tối ưu cho sinh trưởng và xử lý nước thải.

3. Sinh khối vi khuẩn lam có thể sử dụng làm phân bón như thế nào?
   Sinh khối thu hồi sau xử lý nước thải chứa hormone kích thích sinh trưởng IAA, khi phối trộn với đất trồng giúp tăng chiều cao, số nhánh và số lá cây lúa, nâng cao năng suất và sức khỏe cây trồng.

4. Hiệu quả xử lý nước thải của mô hình sinh học sử dụng Spirulina platensis SP4 có ổn định không?
   Mô hình vận hành ở chế độ tĩnh và động đều cho hiệu suất xử lý cao, với hiệu suất loại bỏ N-NH4+ trên 90%, COD trên 75%, đảm bảo nước thải đầu ra đạt quy chuẩn Việt Nam QCVN 14:2008/BTNMT.

5. Có thể áp dụng công nghệ này ở quy mô lớn không?
   Công nghệ có tiềm năng mở rộng quy mô, tuy nhiên cần nghiên cứu thêm về thiết kế hệ thống, chi phí vận hành và điều kiện môi trường thực tế để đảm bảo hiệu quả và bền vững khi triển khai đại trà.

Kết luận

• Vi khuẩn lam Spirulina platensis SP4 có khả năng sinh trưởng tốt trong nước thải sinh hoạt với mật độ ban đầu OD660nm = 0,3, đạt sinh khối cao sau 8 ngày.
• Mô hình sinh học sử dụng Spirulina platensis SP4 xử lý nước thải sinh hoạt đạt hiệu suất loại bỏ N-NH4+ đến 99,5%, P-PO43- trên 60%, COD gần 90%, đảm bảo tiêu chuẩn môi trường.
• Sinh khối vi khuẩn lam thu hồi có khả năng sinh tổng hợp hormone IAA, kích thích nảy mầm và tăng trưởng cây lúa giống BC15 rõ rệt.
• Việc ứng dụng vi khuẩn lam trong xử lý nước thải và sản xuất phân bón sinh học góp phần giảm ô nhiễm môi trường và phát triển nông nghiệp bền vững.
• Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng quy mô thử nghiệm, tối ưu hóa điều kiện nuôi cấy và phát triển sản phẩm phân bón sinh học từ sinh khối vi khuẩn lam.

Hãy cùng nghiên cứu và ứng dụng công nghệ vi khuẩn lam để bảo vệ môi trường và nâng cao hiệu quả sản xuất nông nghiệp!