Nghiên cứu tích hợp vi khuẩn nitrat hóa trên vật liệu mang để xử lý amoni trong nước ngầm tại Tân Lập, Đan Phượng, Hà Nội

LỜI CẢM ƠN

LỜI CAM ĐOAN

1. MỞ ĐẦU

1.1. Tính cấp thiết của Luận văn

1.2. Mục đích của Luận văn

1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.4. Phương pháp nghiên cứu

1.5. Kết quả đạt được

2. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

2.1. Nguồn gốc ô nhiễm amoni trong nước ngầm

2.1.1. Sự tồn tại của các hợp chất nitơ trong tự nhiên

2.1.2. Nguồn gốc ô nhiễm

2.1.3. Ô nhiễm amoni trong nước ngầm

2.1.4. Hiện trạng ô nhiễm amoni trong nước ngầm tại Việt Nam

2.2. Khái quát một số phương pháp xử lý amoni trong nước ngầm

2.2.1. Phương pháp Clo hoá

2.2.2. Phương pháp kiềm hóa và làm thoáng

2.2.3. Phương pháp ozon hoá với xúc tác brom

2.2.4. Phương pháp trao đổi ion

2.2.5. Phương pháp sinh học

2.3. Tình hình nghiên cứu xử lý amoni ở Việt Nam

2.4. Cơ chế của phương pháp xử lý amoni sử dụng vi khuẩn nitrat hóa

2.4.1. Vi khuẩn nitrat hóa

2.4.2. Đặc điểm phân bố của vi khuẩn nitrat hóa

2.4.3. Đặc điểm sinh lý của vi khuẩn nitrat hóa

2.4.4. Quá trình nitrat hóa

2.4.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nitrat hóa

2.4.5.1. Khả năng bám dính

2.5. Đặc điểm khu vực nghiên cứu

3. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3.1. Vật liệu nghiên cứu

3.2. Vi khuẩn nitrat hóa

3.3. Vật liệu mang

3.4. Thiết bị, dụng cụ nghiên cứu

3.5. Phương pháp nghiên cứu

3.5.1. Phương pháp lấy mẫu

3.5.2. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và phát triển của vi khuẩn nitrat hóa

3.5.3. Tối ưu hóa theo phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM)

3.5.4. Tích hợp vi khuẩn lên chất mang

3.5.5. Thử nghiệm xử lý nước ngầm trong phòng thí nghiệm

3.5.6. Phương pháp vi sinh

3.5.7. Phương pháp phân tích một số chỉ tiêu trong nước

4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

4.1. Tuyển chọn vi khuẩn nitrat hóa

4.2. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sinh trưởng và phát triển của chủng vi khuẩn nitrat hóa

4.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ

4.2.2. Ảnh hưởng của pH

4.2.3. Ảnh hưởng của nồng độ nguồn cacbon vô cơ

4.2.4. Tối ưu hóa các yếu tố bằng phương pháp bề mặt đáp ứng

4.2.4.1. Chọn miền khảo sát

4.2.4.2. Thiết lập mô hình

4.3. Tích hợp vi khuẩn nitrat hóa lên vật liệu mang

4.4. Thử nghiệm vật liệu mang tích hợp vi khuẩn nitrat hóa trong xử lý nước ngầm

4.5. Kết quả phân tích mẫu nước ngầm tại khu vực nghiên cứu

4.6. Đánh giá khả năng xử lý nước ngầm của vật liệu mang

5. KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Nghiên cứu vi khuẩn nitrat hóa

Nghiên cứu vi khuẩn nitrat hóa là trọng tâm của luận văn, tập trung vào việc tuyển chọn và phân tích các chủng vi khuẩn có khả năng chuyển hóa amoni hiệu quả. Các chủng vi khuẩn nitrat hóa được phân lập từ Phòng Vi sinh vật môi trường, Viện Công nghệ môi trường, Viện Hàn lâm KHCNVN. Quá trình nghiên cứu bao gồm việc khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và phát triển của vi khuẩn, như nhiệt độ, pH, và nồng độ nguồn cacbon vô cơ. Kết quả cho thấy chủng NS2 và NB2 có hoạt tính mạnh nhất, đạt hiệu suất chuyển hóa amoni cao. Vi khuẩn nitrat hóa trong môi trường đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý amoni, đặc biệt trong điều kiện nước ngầm thiếu oxy.

1.1. Đặc điểm sinh lý của vi khuẩn nitrat hóa

Vi khuẩn nitrat hóa được chia thành hai nhóm chính: tự dưỡng hóa năng và dị dưỡng. Nhóm tự dưỡng hóa năng, như Nitrosomonas và Nitrobacter, có khả năng chuyển hóa amoni thành nitrit và nitrat mà không cần nguồn dinh dưỡng hữu cơ. Quá trình nitrat hóa bao gồm hai giai đoạn: oxy hóa amoni thành nitrit và oxy hóa nitrit thành nitrat. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình này bao gồm nhiệt độ, pH, và nồng độ oxy hòa tan. Nghiên cứu chỉ ra rằng nhiệt độ tối ưu cho sự sinh trưởng của vi khuẩn nitrat hóa là 25-30°C và pH từ 7.5-8.0.

1.2. Tối ưu hóa quy trình xử lý nước

Tối ưu hóa quy trình xử lý nước được thực hiện thông qua phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM). Phương pháp này giúp xác định các điều kiện tối ưu cho sự sinh trưởng và hoạt động của vi khuẩn nitrat hóa. Kết quả cho thấy sự kết hợp giữa nhiệt độ 28°C, pH 7.8, và nồng độ NaHCO3 0.5 g/L mang lại hiệu quả cao nhất. Kỹ thuật xử lý nước thải sử dụng vi khuẩn nitrat hóa được đánh giá là phương pháp bền vững và thân thiện với môi trường, đặc biệt trong việc xử lý nước ngầm nhiễm amoni.

II. Xử lý amoni trong nước ngầm

Xử lý amoni trong nước ngầm là mục tiêu chính của nghiên cứu, đặc biệt tại khu vực Tân Lập, Đan Phượng, Hà Nội. Nước ngầm tại đây có hàm lượng amoni lên đến 23.3 mg/L, vượt quá tiêu chuẩn cho phép nhiều lần. Giải pháp xử lý nước ngầm được đề xuất là sử dụng vật liệu mang tích hợp vi khuẩn nitrat hóa. Vật liệu mang DHY được chọn do khả năng bám dính cao và tạo điều kiện thuận lợi cho vi khuẩn phát triển. Kết quả thử nghiệm cho thấy hiệu suất chuyển hóa amoni đạt 85-90% trong điều kiện phòng thí nghiệm.

2.1. Hiện trạng ô nhiễm amoni tại Tân Lập

Nước ngầm tại Tân Lập bị ô nhiễm amoni nghiêm trọng, với hàm lượng lên đến 23.3 mg/L. Nguyên nhân chính là do sự thấm xuyên của nước mặt bị ô nhiễm và việc sử dụng phân bón hóa học trong nông nghiệp. Tác động của amoni đến nước không chỉ gây hại cho sức khỏe con người mà còn ảnh hưởng đến chất lượng nước thương phẩm. Amoni chuyển hóa thành nitrit và nitrat, là các chất gây ung thư và thiếu máu.

2.2. Ứng dụng vi sinh vật trong xử lý nước

Ứng dụng vi sinh vật trong xử lý nước là phương pháp hiệu quả và bền vững. Vi khuẩn nitrat hóa được tích hợp trên vật liệu mang DHY, tạo thành màng sinh học có khả năng chuyển hóa amoni thành nitrat. Công nghệ xử lý nước này không chỉ giảm thiểu chi phí vận hành mà còn thân thiện với môi trường. Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu suất xử lý amoni đạt 85-90%, đáp ứng tiêu chuẩn chất lượng nước ngầm.

III. Phân tích chất lượng nước

Phân tích chất lượng nước là bước quan trọng trong nghiên cứu, giúp đánh giá hiệu quả của phương pháp xử lý. Các chỉ tiêu phân tích bao gồm hàm lượng amoni, nitrit, nitrat, và pH. Kết quả cho thấy sau khi xử lý, hàm lượng amoni giảm từ 23.3 mg/L xuống còn 2.3 mg/L, đạt tiêu chuẩn QCVN 09:2008/BTNMT. Nghiên cứu môi trường nước cũng chỉ ra rằng việc sử dụng vi khuẩn nitrat hóa không chỉ cải thiện chất lượng nước mà còn giảm thiểu tác động đến môi trường.

3.1. Đánh giá khả năng xử lý của vật liệu mang

Vật liệu mang vi khuẩn DHY được đánh giá cao về khả năng bám dính và tạo môi trường thuận lợi cho vi khuẩn nitrat hóa phát triển. Kết quả thử nghiệm cho thấy mật độ vi khuẩn trên vật liệu mang đạt 10^6 CFU/g, đảm bảo hiệu quả xử lý amoni. Tích hợp vi khuẩn lên vật liệu mang là bước quan trọng trong quy trình xử lý, giúp tăng cường khả năng chuyển hóa amoni.

3.2. Kết quả phân tích mẫu nước ngầm

Kết quả phân tích mẫu nước ngầm tại Tân Lập cho thấy hàm lượng amoni giảm đáng kể sau khi xử lý. Hiệu suất chuyển hóa amoni đạt 85-90%, đáp ứng tiêu chuẩn chất lượng nước ngầm. Phân tích chất lượng nước cũng chỉ ra rằng phương pháp này không chỉ hiệu quả mà còn thân thiện với môi trường, phù hợp với điều kiện thực tế tại Việt Nam.

Nghiên cứu quá trình tích hợp vi khuẩn nitrat hóa trên vật liệu mang để chuyển hóa amoni trong nước ngầm tại xã Tân Lập, huyện Đan Phượng, Hà Nội