Tổng quan luận án

Hoạt động chế biến tinh bột dong riềng và miến dong từ củ dong riềng (Canna edulis Ker.) tại các làng nghề nông thôn Việt Nam đóng vai trò quan trọng trong phát triển kinh tế địa phương. Tuy nhiên, do công nghệ sản xuất còn thô sơ, quy mô phân tán và thiết bị đơn giản, quá trình chế biến thải ra môi trường một lượng nước thải và bã thải hữu cơ rất lớn mà không qua xử lý. Nước thải từ các khâu nghiền, vắt ly tâm, lọc tách bã và rửa tinh bột có nồng độ chất ô nhiễm cao, trong đó các chỉ số như chất rắn lơ lửng (SS), nhu cầu oxy sinh học ($\text{BOD}_5$), nhu cầu oxy hóa học ($\text{COD}$), nitơ tổng ($\text{TN}$) và phospho tổng ($\text{TP}$) vượt tiêu chuẩn cho phép từ hàng chục đến hàng trăm lần. Đồng thời, lượng bã dong thải ẩm ướt bị xả thải bừa bãi gây tắc nghẽn dòng chảy và phân hủy sinh ra các khí gây mùi hôi thối ($\text{H}_2\text{S}$, $\text{NH}_3$, $\text{CH}_4$, $\text{SO}_2$, $\text{NO}_2$), làm suy thoái nghiêm trọng môi trường nước mặt, nước ngầm, đất và không khí.

Các hệ thống xử lý nước thải làng nghề hiện hữu thường áp dụng quy trình kỵ khí kết hợp hiếu khí quy mô lớn hoặc hồ sinh học, nhưng gặp trở ngại lớn về diện tích mặt bằng xây dựng, chi phí đầu tư và vận hành cao, tính biến động theo mùa vụ sản xuất (chỉ tập trung 4–6 tháng cuối năm) và khó duy trì hoạt động lâu dài. Trong khi đó, bản chất của chất thải chế biến dong riềng là nguồn hữu cơ có nguồn gốc thực phẩm an toàn. Luận án đặt ra giải pháp tiếp cận mới: ứng dụng công nghệ vi sinh vật bản địa kết hợp với hệ thống bể xử lý sinh học hiếu khí tích hợp 5 chức năng để vừa xử lý sạch nước thải, vừa phân ly sớm bùn hoạt tính phục vụ sản xuất phân bón hữu cơ hoặc khí hóa, đồng thời tách bã dong riềng sớm để nuôi trồng nấm sò trắng (Pleurotus florida).

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định 3 mục tiêu cụ thể:

  1. Tạo được chế phẩm vi sinh vật đáp ứng với mục tiêu công nghệ xử lý nước thải để có thể tận thu bùn hoạt tính trong hệ thống xử lý sinh học hiếu khí tích hợp 5 chức năng (các chủng vi sinh vật hô hấp hiếu khí bản địa có năng lực sử dụng cơ chất đa dạng, thích nghi và phát triển tốt trong nước thải, có khả năng làm giảm nhanh nồng độ chất ô nhiễm và tạo bông bùn kết lắng thuận lợi).
  2. Thử nghiệm đánh giá bước đầu hiệu suất xử lý nước thải làng nghề sản xuất tinh bột dong riềng để thu bùn hoạt tính của chế phẩm ở quy mô phòng thí nghiệm và hiện trường.
  3. Đánh giá khái toán được hiệu quả của việc tận thu bã dong riềng để nuôi trồng nấm sò trắng Pleurotus florida.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Nước thải và bã thải rắn phát sinh ngay sau công đoạn nghiền tách bã và lắng lọc tinh bột dong riềng; các chủng vi khuẩn hiếu khí bản địa có khả năng xử lý chất ô nhiễm và tạo bùn kết lắng nhanh; giống nấm sò trắng (Pleurotus florida); hệ thống bể xử lý sinh học hiếu khí tích hợp 5 chức năng.
  • Phạm vi không gian và thời gian: Nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện tại phòng thí nghiệm Viện Công nghệ sinh học và Công nghệ thực phẩm – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, kết hợp thử nghiệm hiện trường trên hệ thống bể xử lý thể tích $33,\text{m}^3$ đặt tại làng nghề chế biến tinh bột dong riềng Minh Hồng (xã Minh Quang, huyện Ba Vì, Hà Nội), hoàn thành năm 2017.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trong và ngoài nước

Nghiên cứu về nước thải và chất thải rắn ngành sản xuất tinh bột đã được nhiều tác giả trong nước và quốc tế công bố:

  1. Nghiên cứu quốc tế về đặc tính và công nghệ xử lý nước thải tinh bột:

    • Colin (1995), Paixao (2000), Sun (2006), Wang (2009), Zhang (2012) đã công bố các thông số ô nhiễm của nước thải sản xuất tinh bột sắn với $\text{COD}$ dao động từ $4{,}8,\text{g/l}$ đến $70{,}42,\text{g/l}$, $\text{BOD}_5$ từ $1{,}68,\text{g/l}$ đến $6{,}82,\text{g/l}$, hàm lượng $\text{TSS}$ từ $3{,}8,\text{g/l}$ đến $45{,}9,\text{g/l}$.
    • Dubey (2013) khảo sát tại các cụm công nghiệp tinh bột ở Ấn Độ (Tiruputi Starch, Rajaram Mandsaur, Kashyap Sweetners, Anil Starch) ghi nhận $\text{COD}$ đạt mức $10.600 - 24.100,\text{mg/l}$, $\text{BOD}_5$ đạt $2.500 - 6.200,\text{mg/l}$.
    • Rajasimman (2009) sử dụng thiết bị phản ứng phủ lấp màng sinh học lỏng ngược dòng (IFBBR) với hạt mang polypropylen ($870,\text{kg/m}^3$) đạt hiệu suất loại bỏ $95{,}5%,\text{COD}$ ở tải lượng $1{,}35,\text{kg COD/m}^3/\text{ngày}$.
    • Fawifik (2013) nghiên cứu xử lý nước thải tinh bột bằng bể phản ứng kỵ khí có vách ngăn (ABR) thể tích 30 lít, đạt hiệu suất giảm $50%,\text{COD}$ và tạo $0{,}3,\text{lít } \text{CH}_4/\text{g COD}$.
    • Sidryar (2011) xử lý nước thải tinh bột ngô ($\text{COD} = 20,\text{g/l}$) bằng hệ thống kết hợp kỵ khí, hiếu khí - thiếu khí luân phiên và bổ sung $\text{Fe}^{3+}$, giảm được $77%,\text{COD}$ ở pha kỵ khí và $90%$ nitơ ở pha thiếu khí.
    • Về tận thu bã thải: Truong Q. T. (2010) dùng Aspergillus oryzae xử lý nước thải tinh bột sắn thu sinh khối nấm; Huang (2011) và Charles (2008) phân lập hợp chất polyphenol, tanin, cellulose và hemicellulose từ bã củ dong riềng.

  2. Nghiên cứu trong nước về ô nhiễm làng nghề và giải pháp xử lý:

    • Báo cáo Môi trường Quốc gia (Bộ Tài nguyên và Môi trường, 2008) phản ánh ô nhiễm nghiêm trọng tại các làng nghề Dương Liễu, Cát Quế, Minh Khai (Hoài Đức), Tân Hòa, Cộng Hòa (Quốc Oai), Phú Đô (Từ Liêm) với nồng độ $\text{NH}_4^+$ trong nước ngầm tầng nông đạt $18{,}46 - 28{,}40,\text{mg/l}$ và Coliform vượt quy chuẩn tới 200 lần.
    • Nguyễn Phương Hạnh (2008) công bố số liệu nước thải sản xuất bột dong tại Dương Liễu có $\text{COD}$ đạt $6.406 - 7.641,\text{mg/l}$, $\text{BOD}_5$ đạt $5.506 - 6.540,\text{mg/l}$.
    • Đỗ Đức Ngãi (2000) trong chương trình CIP khảo sát làng nghề Cát Quế cho thấy nước thải chế biến dong riềng có $\text{COD} = 7.378{,}8,\text{mg/l}$, $\text{SS} = 3.012{,}2,\text{mg/l}$.
    • Trần Văn Thể (2013) ước tính tổng thiệt hại kinh tế do ô nhiễm chất thải tại các làng nghề chế biến tinh bột (Quế Dương $5{,}7$ tỷ đồng/năm, bún khô Minh Hòa $4{,}3$ tỷ đồng/năm, miến dong Kim Phượng $4{,}04$ tỷ đồng/năm).
    • Tăng Thị Chính (2006, 2007) ứng dụng chế phẩm Biomix 2 chứa xạ khuẩn Streptomyces và vi khuẩn Bacillus xử lý nước thải chăn nuôi và chế biến bún bánh, cùng đề tài xử lý nước thải chế biến dứa tại Công ty Thực phẩm Đồng Giao.
    • Các đề tài cấp nhà nước KC 07-07 (Nguyễn Thế Truyền, 2003) và KC 08-09 (Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường, ĐHBKHN) đề xuất mô hình xử lý nước thải tập trung qua lắng, UASB và Aeroten.
Nguồn công bố / Tác giả Đối tượng / Địa điểm Thông số COD (mg/l) Thông số $\text{BOD}_5$ (mg/l) Thông số SS (mg/l)
Colin (1995) Tinh bột sắn 4.800 1.680 3.800 (TSS)
Paixao (2000) Tinh bột sắn 10.360 6.820 5.290 (TSS)
Wang (2009) Tinh bột sắn 70.420 — 45.900 (TSS)
Dubey (2013) Cụm công nghiệp tinh bột Ấn Độ 10.600 – 24.100 2.500 – 6.200 600 – 1.120
Nguyễn Phương Hạnh (2008) Làng nghề Dương Liễu (Hà Nội) 6.406 – 7.641 5.506 – 6.540 474 – 724
Đỗ Đức Ngãi (2000) Làng nghề Cát Quế (Hà Nội) 7.378,8 486,8 3.012,2

Khoảng trống nghiên cứu được lựa chọn

Hầu hết các giải pháp xử lý trước đây đều tập trung vào công nghệ xử lý kỵ khí truyền thống hoặc hồ sinh học, đòi hỏi diện tích lớn và thời gian khởi động kéo dài (trên 3 tháng), không phù hợp với đặc thù sản xuất mang tính mùa vụ, ngắt quãng của làng nghề. Việc xử lý chất thải rắn (bã dong) chủ yếu dừng lại ở mức đổ đống tự nhiên hoặc làm thức ăn gia súc hạn chế. Chưa có nghiên cứu nào phát triển đồng bộ chế phẩm vi khuẩn bản địa thích ứng để vận hành bể hiếu khí tích hợp 5 chức năng có khả năng phân ly sớm bùn hoạt tính (không dùng hóa chất keo tụ) kết hợp tận dụng bã thải dong riềng làm giá thể trồng nấm sò trắng (Pleurotus florida).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết

  • Cơ chế chuyển hóa sinh học hiếu khí: Dựa trên quá trình dị dưỡng của vi sinh vật oxy hóa các hợp chất hữu cơ qua 3 giai đoạn: oxy hóa cơ chất tạo năng lượng, đồng hóa cơ chất để tổng hợp sinh khối tế bào ($\text{C}_5\text{H}_7\text{NO}_2$), và hô hấp nội sinh (dị hóa tế bào). Trong điều kiện hiếu khí đầy đủ oxy, hiệu suất chuyển đổi cơ chất thành sinh khối tế bào (bùn) đạt từ $30%$ đến $60%$.
  • Nguyên lý bể sinh học hiếu khí tích hợp 5 chức năng: Hệ thống vận hành dựa trên cơ chế phân vùng dòng chảy khí – lỏng:
    1. Vùng hiếu khí: Tạo cột bọt khí – lỏng chuyển động hướng lên nhờ thiết bị cấp khí phân tán, chuyển hóa nhanh hợp chất hữu cơ tan.
    2. Vùng vi hiếu khí (anoxic): Dòng chất lỏng đổi chiều chảy tuần hoàn theo vách ngăn hướng dòng, oxy hòa tan giảm dần.
    3. Vùng kỵ khí (anaerobic): Xảy ra quá trình khử nitrat và phân giải kỵ khí tiếp diễn.
    4. Vùng lắng và tháo bùn hoạt tính: Tận dụng quán tính dòng chảy đổi chiều để phân ly các bông bùn kích thước lớn tự lắng xuống đáy phễu và tháo ra ngoài liên tục mà không cần hóa chất keo tụ.
    5. Vùng lọc – hấp phụ: Bố trí tại các góc trên thành bể để làm trong nước sau xử lý trước khi xả ra cửa thoát.

Phương pháp nghiên cứu

  1. Phương pháp lấy mẫu và phân tích hóa lý: Đo đạc các chỉ tiêu nước thải gồm $\text{pH}$, $\text{COD}$, $\text{BOD}_5$, $\text{SS}$, $\text{TN}$, $\text{TP}$, $\text{SVI}$ (chỉ số thể tích bùn lắng), $\text{MLSS}$, $\text{MLVSS}$ theo Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) và Standard Methods.
  2. Phương pháp phân lập và tuyển chọn vi sinh vật: Phân lập vi khuẩn bản địa từ bùn và nước thải làng nghề Minh Hồng; sàng lọc hoạt tính enzyme amylase, protease, cellulase qua đường kính vòng phân giải; đánh giá năng lực giảm $\text{COD}$, khử màu và khả năng kết tụ bùn ($\text{SVI}$). Kiểm tra đối kháng sinh học giữa các chủng trên đĩa thạch.
  3. Phương pháp định danh vi sinh vật: Quan sát hình thái tế bào, đặc điểm sinh hóa bằng bộ kit API 50 CHB (bioMérieux); giải trình tự gen 16S rDNA qua phản ứng khuếch đại gen PCR (chu trình nhiệt tiêu chuẩn), điện di gel agarose, so sánh trình tự trên BLAST và xây dựng cây phát sinh loài.
  4. Phương pháp tối ưu hóa quá trình lên men thu sinh khối:
    • Khảo sát các yếu tố đơn lẻ: nguồn cacbon, nitơ, tỷ lệ cấp giống, pH ban đầu, nhiệt độ nuôi cấy, tốc độ lắc, tốc độ cấp khí, thời gian lên men.
    • Tối ưu hóa đa yếu tố bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm (mô hình bề mặt đáp ứng, hàm kỳ vọng, phân tích phương sai ANOVA).
    • Lên men trên thiết bị lên men sinh học thể tích 5 lít.
  5. Phương pháp sản xuất chế phẩm vi sinh vật: Khảo sát chất mang (cám gạo, tinh bột, mùn cưa, than bùn...), tỷ lệ phối trộn dịch sinh khối với chất mang, dải nhiệt độ sấy, điều kiện bao gói và thời gian bảo quản.
  6. Phương pháp thử nghiệm xử lý nước thải: Tiến hành thử nghiệm theo các quy mô bậc thang: bình nón 500 ml, bình gián đoạn 5 lít, mô hình liên tục 35 lít, và bể xử lý sinh học hiếu khí tích hợp 5 chức năng thể tích $33,\text{m}^3$ tại làng nghề Minh Hồng (Ba Vì).
  7. Phương pháp nghiên cứu tận thu bã dong trồng nấm: Phân tích thành phần hóa học của bã dong (độ ẩm, cellulose, hemicellulose, protein, lipit, khoáng); xử lý vôi; phối trộn phụ gia dinh dưỡng; cấy giống nấm sò trắng (Pleurotus florida); theo dõi tốc độ phát triển hệ sợi, tỷ lệ nhiễm, thời gian hình thành quả thể, năng suất sinh học, phân tích hàm lượng dinh dưỡng quả thể nấm tươi và tính toán hiệu quả kinh tế.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan tài liệu

Chương này tổng thuật toàn diện về nguồn gốc, thành phần hóa học của cây và củ dong riềng (Canna edulis Ker.), quy trình sản xuất tinh bột và miến dong truyền thống, hiện trạng phát sinh chất thải tại các làng nghề Việt Nam. Tác giả phân tích số liệu ô nhiễm tại các làng nghề trọng điểm (Dương Liễu, Cát Quế, Tân Hòa, Minh Hồng...) và đánh giá thiệt hại kinh tế – xã hội, sức khỏe cộng đồng do chất thải gây ra. Chương 1 cũng trình bày cơ sở lý thuyết của các quá trình xử lý sinh học (kỵ khí, hiếu khí, thiếu khí), phân tích ưu nhược điểm của các công nghệ hiện hành (ABR, UASB, IFBBR, hồ sinh học) và luận chứng tính ưu việt của giải pháp công nghệ bể xử lý sinh học hiếu khí tích hợp 5 chức năng kết hợp chế phẩm vi khuẩn bản địa giống Bacillus và giải pháp tận thu bã dong nuôi nấm ăn.

Chương 2: Vật liệu và phương pháp nghiên cứu

Trình bày chi tiết về đối tượng, nguyên vật liệu, hóa chất và toàn bộ quy trình thực nghiệm. Các quy trình được mô tả chuẩn hóa bao gồm: lấy mẫu nước thải và bã thải; phân tích các chỉ tiêu môi trường; kỹ thuật phân lập, sàng lọc và định danh vi khuẩn bằng kit API 50 CHB và giải trình tự gen 16S rDNA; các bước tối ưu hóa môi trường lên men thu sinh khối trên bình tam giác và thiết bị lên men 5 lít; quy trình phối trộn chất mang, sấy và bảo quản chế phẩm vi sinh; quy trình vận hành hệ thống xử lý nước thải từ quy mô phòng thí nghiệm (500 ml, 5 lít, 35 lít) đến quy mô hiện trường ($33,\text{m}^3$); quy trình xử lý bã dong và chăm sóc thu hái nấm sò trắng Pleurotus florida.

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Chương này công bố và thảo luận các kết quả thực nghiệm đạt được:

  1. Đặc tính nước thải làng nghề: Nước thải làng nghề Minh Hồng có tính axit nhẹ, hàm lượng hữu cơ và chất rắn rất cao ($\text{COD} \ge 4.000,\text{mg/l}$, nồng độ chất hữu cơ hòa tan và lơ lửng lớn).
  2. Tuyển chọn và định danh 3 chủng vi khuẩn bản địa:
    • Phân lập được 3 chủng vi khuẩn có hoạt tính enzyme ngoại bào cao, thích nghi mạnh trong nước thải, có khả năng tạo bùn tốt và không đối kháng lẫn nhau.
    • Kết quả phân tích sinh hóa và giải trình tự 16S rDNA đã định danh chính xác 3 chủng là: Bacillus subtilis NT1, Bacillus methylotrophicus Ba1 (trong văn bản ghi Bacillus methylotrophycus Ba1) và Bacillus amyloliquefaciens H12.
    • Sau 24 giờ nuôi cấy trong nước thải, mật độ tế bào của cả 3 chủng đều đạt $10^8 - 10^9,\text{CFU/ml}$, hiệu suất giảm $\text{COD}$ hòa tan đạt $\ge 90%$, bùn hoạt tính kết lắng nhanh sau 10 phút với chỉ số $\text{SVI}$ nằm trong khoảng tối ưu $90 - 120,\text{ml/g}$.
Tên chủng vi khuẩn Hoạt tính enzyme nổi bật Khả năng thích ứng và tạo bùn Định danh phân tử (16S rDNA)
Bacillus subtilis NT1 Amylase, Protease Mật độ đạt $10^8 - 10^9,\text{CFU/ml}$, $\text{SVI} = 90 - 120,\text{ml/g}$ Đồng nhất với loài B. subtilis
Bacillus methylotrophicus Ba1 Amylase, Cellulase, Protease Mật độ đạt $10^8 - 10^9,\text{CFU/ml}$, tạo bông bùn kết lắng nhanh Đồng nhất với loài B. methylotrophicus
Bacillus amyloliquefaciens H12 Amylase mạnh, Protease Mật độ đạt $10^8 - 10^9,\text{CFU/ml}$, giảm $\text{COD}$ tan $\ge 90%$ Đồng nhất với loài B. amyloliquefaciens
  1. Tối ưu hóa lên men và sản xuất chế phẩm vi sinh: Xác lập thành phần môi trường lên men thay thế giá rẻ và điều kiện vận hành thiết bị lên men 5 lít; xác định chất mang phối trộn, nhiệt độ sấy phù hợp đảm bảo mật độ tế bào sống và bào tử đạt tiêu chuẩn ứng dụng.
  2. Hiệu quả xử lý nước thải:
    • Ở quy mô phòng thí nghiệm (mô hình 35 lít): Hệ thống đạt trạng thái ổn định chỉ sau 4 ngày khởi động, hiệu suất xử lý $\text{COD} \ge 90%$, xử lý nitơ tổng $\ge 80%$.
    • Ở quy mô hiện trường (bể tích hợp 5 chức năng $33,\text{m}^3$ tại Minh Hồng): Hệ thống đạt trạng thái vận hành ổn định sau 20 ngày khởi động với nguồn nước thải đầu vào có $\text{COD} \ge 4.000,\text{mg/l}$. Nước thải sau xử lý có các thông số đạt Cột A theo QCVN 40:2011/BTNMT, bùn hoạt tính được tách phân ly sớm ngay trong bể mà không cần chất trợ keo tụ.
  3. Ứng dụng bã thải dong riềng trồng nấm sò trắng: Bã dong riềng sau khi tách sớm có hàm lượng cellulose và dinh dưỡng thích hợp cho hệ sợi nấm phát triển. Thử nghiệm nuôi trồng nấm sò trắng (Pleurotus florida) trên cơ chất bã dong đạt năng suất sinh học $49{,}52%$ ($495{,}2,\text{kg}$ nấm tươi/tấn bã dong khô), quả thể nấm có hàm lượng dinh dưỡng tốt, đem lại hiệu quả kinh tế ước tính gia tăng cho làng nghề.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học

  • Tuyển chọn và định danh được tập đoàn 3 chủng vi khuẩn bản địa gồm Bacillus subtilis NT1, Bacillus methylotrophicus Ba1 và Bacillus amyloliquefaciens H12 có khả năng thích nghi cao trong nước thải tinh bột dong riềng, năng lực đồng hóa cơ chất nhanh, làm giảm $\text{COD}$ tan trên $90%$, tạo bông bùn hoạt tính có cấu trúc bền vững và lắng nhanh ($\text{SVI} = 90 - 120,\text{ml/g}$).
  • Làm sáng tỏ cơ sở khoa học của quá trình xử lý sinh học hiếu khí tích hợp phân ly bùn sớm kết hợp bổ sung chế phẩm vi sinh vật bản địa, rút ngắn thời gian khởi động hệ thống và nâng cao hiệu quả làm sạch nước thải hữu cơ tải lượng cao.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn

  • Xây dựng thành công quy trình công nghệ lên men và tạo chế phẩm vi sinh vật dạng bột chuyên biệt từ 3 chủng Bacillus bản địa ứng dụng hiệu quả cho xử lý nước thải làng nghề chế biến tinh bột.
  • Ứng dụng thành công chế phẩm vi sinh trong hệ thống bể xử lý sinh học hiếu khí tích hợp 5 chức năng dung tích $33,\text{m}^3$ tại làng nghề Minh Hồng (Ba Vì), đưa chất lượng nước thải sau xử lý đạt Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia về nước thải công nghiệp cột A (QCVN 40:2011/BTNMT) và tận thu được bùn hoạt tính không nhiễm hóa chất keo tụ.
  • Thiết lập quy trình tận dụng bã thải dong riềng làm cơ chất nuôi trồng nấm sò trắng (Pleurotus florida) đạt năng suất sinh học $49{,}52%$ ($495{,}2,\text{kg}$ nấm tươi/tấn bã khô), mở ra giải pháp giảm thiểu ô nhiễm chất thải rắn và nâng cao giá trị gia tăng kinh tế cho các hộ sản xuất.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Khuyến nghị áp dụng đồng bộ mô hình phân tách dòng thải tại nguồn: tách riêng bã thải rắn ngay sau công đoạn nghiền vắt để đưa vào làm giá thể trồng nấm hoặc ủ phân hữu cơ; thu gom nước thải đậm đặc đưa vào bể hiếu khí tích hợp 5 chức năng có bổ sung chế phẩm Bacillus bản địa.
  • Đề xuất chính quyền địa phương và các làng nghề hỗ trợ mặt bằng và kinh phí nhân rộng mô hình bể xử lý tích hợp 5 chức năng tại các cụm sản xuất tập trung.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Thử nghiệm hiện trường của luận án mới được triển khai tập trung tại một địa điểm làng nghề (Minh Hồng – Minh Quang – Ba Vì, Hà Nội). Hoạt động sản xuất tinh bột dong riềng mang tính thời vụ cao (tập trung vào các tháng giáp Tết), gây khó khăn cho việc duy trì và quan trắc hệ vi sinh vật trong bể xử lý liên tục suốt cả năm.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Nghiên cứu cơ chế bảo tồn và kích hoạt nhanh sinh khối bùn hoạt tính sau thời gian gián đoạn mùa vụ kéo dài.
    • Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ chế biến sâu bùn hoạt tính thu hồi thành phân bón vi sinh chất lượng cao.
    • Mở rộng thử nghiệm ứng dụng chế phẩm và mô hình công nghệ tích hợp cho các loại nước thải chế biến nông sản khác như tinh bột sắn, khoai tây, bún miến trên các địa bàn khác nhau.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cao cho:

  1. Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Thuộc các chuyên ngành Công nghệ sinh học, Kỹ thuật môi trường, Công nghệ thực phẩm trong việc tham khảo phương pháp phân lập, định danh vi sinh vật bằng kỹ thuật sinh học phân tử, kỹ thuật tối ưu hóa lên men bề mặt đáp ứng (ANOVA) và thiết kế hệ thống xử lý sinh học tích hợp.
  2. Cơ quan quản lý môi trường và nhà hoạch định chính sách: Cung cấp cơ sở dữ liệu thực chứng và giải pháp kỹ thuật khả thi để xây dựng quy hoạch xử lý ô nhiễm môi trường làng nghề nông thôn theo hướng kinh tế tuần hoàn và phát triển bền vững.
  3. Các cơ sở sản xuất và doanh nghiệp chế biến tinh bột: Cung cấp hướng dẫn kỹ thuật chi tiết về quy trình chế phẩm vi sinh, cách vận hành hệ thống xử lý nước thải tiết kiệm diện tích và phương pháp tận thu bã dong trồng nấm mang lại nguồn phụ thu kinh tế.

Câu hỏi thường gặp

1. Ba chủng vi khuẩn bản địa được tuyển chọn trong luận án là những chủng nào và có đặc tính gì nổi bật?

Ba chủng vi khuẩn được tuyển chọn và định danh phân tử gồm Bacillus subtilis NT1, Bacillus methylotrophicus Ba1 và Bacillus amyloliquefaciens H12. Chúng có đặc tính: hô hấp hiếu khí, sinh trưởng nhanh trong nước thải tinh bột (đạt mật độ $10^8 - 10^9,\text{CFU/ml}$ sau 24 giờ), sinh enzyme ngoại bào mạnh (amylase, protease, cellulase), làm giảm $\text{COD}$ tan $\ge 90%$, tạo bông bùn kết lắng nhanh sau 10 phút với chỉ số thể tích bùn $\text{SVI}$ đạt $90 - 120,\text{ml/g}$ và không có tính đối kháng lẫn nhau.

2. Nguyên lý vận hành của bể xử lý sinh học hiếu khí tích hợp 5 chức năng là gì?

Bể tích hợp đồng thời 5 vùng chức năng trong một khối công trình: (1) Vùng hiếu khí sục khí tạo cột bọt lỏng hướng lên; (2) Vùng vi hiếu khí (anoxic) khử nitrat khi dòng nước tuần hoàn đổi chiều; (3) Vùng kỵ khí; (4) Vùng lắng và tháo bùn hoạt tính sớm dưới đáy phễu dựa vào quán tính phân ly của bông bùn lớn mà không cần hóa chất keo tụ; (5) Vùng lọc – hấp phụ làm trong nước ở phía trên thành bể trước khi xả ra ngoài.

3. Kết quả xử lý nước thải ở quy mô hiện trường tại làng nghề Minh Hồng đạt được như thế nào?

Thử nghiệm trên bể tích hợp dung tích $33,\text{m}^3$ tại làng nghề Minh Hồng (Ba Vì) với nước thải đầu vào có $\text{COD} \ge 4.000,\text{mg/l}$ cho thấy: hệ thống xác lập trạng thái vận hành khởi động ổn định sau 20 ngày bổ sung chế phẩm vi sinh bản địa; hiệu suất làm sạch cao và chất lượng nước thải đầu ra đạt tiêu chuẩn Cột A theo Quy chuẩn Việt Nam QCVN 40:2011/BTNMT.

4. Hiệu quả kinh tế và kỹ thuật của việc tận thu bã dong riềng trồng nấm sò trắng (Pleurotus florida) ra sao?

Bã dong riềng sau khi tách sớm được xử lý vôi và phối trộn phụ gia thích hợp làm giá thể nuôi trồng nấm sò trắng (Pleurotus florida), đạt năng suất sinh học $49{,}52%$ (tương đương $495{,}2,\text{kg}$ nấm tươi trên 1 tấn bã dong khô), quả thể nấm có giá trị dinh dưỡng cao và đem lại nguồn thu kinh tế gia tăng đáng kể cho người dân làng nghề.

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Nguyễn Như Ngọc đã giải quyết thành công bài toán xử lý ô nhiễm môi trường làng nghề chế biến tinh bột dong riềng theo hướng tiếp cận kinh tế tuần hoàn và công nghệ sinh học thích ứng. Đề tài đã phân lập, định danh và tạo thành công chế phẩm từ 3 chủng vi khuẩn bản địa thuộc chi Bacillus (B. subtilis NT1, B. methylotrophicus Ba1, B. amyloliquefaciens H12) có năng lực xử lý chất hữu cơ cao và tạo bùn kết lắng thuận lợi. Ứng dụng chế phẩm vào hệ thống bể xử lý sinh học hiếu khí tích hợp 5 chức năng quy mô $33,\text{m}^3$ tại hiện trường giúp nước thải đạt quy chuẩn xả thải Cột A (QCVN 40:2011/BTNMT), đồng thời mở ra giải pháp tách thu bùn hoạt tính và tận thu bã dong nuôi trồng nấm sò trắng đạt năng suất sinh học $49{,}52%$, mang lại hiệu quả môi trường và kinh tế thiết thực cho các vùng nông thôn.