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

• Tác giả: Vũ Lê Minh
• Người hướng dẫn: PGS. Tăng Thị Chính
• Trường học: Trường Đại học Thủy Lợi
• Chuyên ngành: Khoa học Môi trường
• Đề tài: Nghiên Cứu Vi Khuẩn Nitrat Hóa Để Chuyển Hóa Amoni Trong Nước Ngầm Tại Đan Phượng, Hà Nội
• Loại tài liệu: Luận văn
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 1.1. Nguồn gốc ô nhiễm amoni trong nước ngầm. Sự tồn tại của các hợp chất nitơ trong tự nhiên
• 1.2. Hiện trạng ô nhiễm amoni trong nước ngầm tại Việt Nam
• 1.3. Khái quát một số phương pháp xử lý amoni trong nước ngầm
• 1.3.1. Phương pháp Clo hóa. Phương pháp kiểm hóa và làm thoáng
• 1.3.2. Phương pháp ozon hóa với xúc tác brom
• 1.3.3. Phương pháp trao đổi ion
• 1.3.4. Phương pháp sinh học
• 1.3.5. Tình hình nghiên cứu xử lý amoni ở Việt Nam. Cơ chế của phương pháp xử lý amoni sử dụng vi khuẩn nitrat hóa
• 1.3.5.1. Vi khuẩn nitrat hóa
• 1.3.5.2. Đặc điểm phân bổ của vi khuẩn nitrat hóa
• 1.3.5.3. Đặc điểm sinh lý của vi khuẩn nitrat hóa
• 1.3.5.4. Quá trình nitrat hóa
• 1.3.5.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nitrat hóa
• 1.3.5.6. Khả năng bám dính
• 1.3.5.7. Đặc điểm khu vực nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Vật liệu nghiên cứu
• 2.2. Vi khuẩn nitrat hóa
• 2.3. Vật liệu mang
• 2.4. Thiết bị, dụng cụ
• 2.5. Phương pháp nghiên cứu
• 2.5.1. Phương pháp lấy mẫu. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và phát triển của vi khuẩn nitrat hóa
• 2.5.2. Tối ưu hóa theo phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM)
• 2.5.3. Tích hợp vi khuẩn lên chất mang
• 2.5.4. Thử nghiệm xử lý nước ngầm trong phòng thí nghiệm. Phương pháp vi sinh
• 2.5.5. Phương pháp phân tích một số chỉ tiêu trong nước
• 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Tuyển chọn vi khuẩn nitrat hóa
• 3.2. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sinh trưởng và phát triển của chủng vi khuẩn nitrat hóa
• 3.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ
• 3.2.2. Ảnh hưởng của pH
• 3.2.3. Ảnh hưởng của nồng độ nguồn cacbon vô cơ. Tối ưu hóa các yếu tố bằng phương pháp bề mặt đáp ứng
• 3.3. Chọn mẫu khảo sát. Thiết lập mô hình. Tích hợp vi khuẩn nitrat hóa lên vật liệu mang
• 3.4. Thử nghiệm vật liệu mang tích hợp vi khuẩn nitrat hóa trong xử lý nước
• 3.4.1. Kết quả phân tích mẫu nước ngầm tại khu vực nghiên cứu. Đánh giá khả năng xử lý nước ngầm của vật liệu mang
• KẾT LUẬN - KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

Tóm tắt

I. Tính cấp thiết của Luận văn

Việc ô nhiễm amoni trong nước ngầm đã trở thành một vấn đề nghiêm trọng tại nhiều khu vực, đặc biệt là ở Đan Phượng, Hà Nội. Theo các nghiên cứu, nồng độ amoni trong nước ngầm tại khu vực này thường vượt quá mức quy chuẩn cho phép, gây ảnh hưởng đến sức khỏe của người dân và chất lượng cuộc sống. Nước ngầm là nguồn nước chính được sử dụng cho sinh hoạt, do đó, việc xử lý ô nhiễm là cần thiết. Vi khuẩn nitrat hóa đóng vai trò quan trọng trong quá trình chuyển hóa amoni thành nitrat, giúp làm giảm nồng độ amoni trong nước. Nghiên cứu này nhằm tìm hiểu và ứng dụng vi khuẩn nitrat hóa để cải thiện chất lượng nước ngầm, từ đó cung cấp giải pháp hiệu quả cho vấn đề ô nhiễm amoni.

II. Mục đích của Luận văn

Mục đích chính của luận văn là nghiên cứu và tuyển chọn các chủng vi khuẩn nitrat hóa có hoạt tính mạnh, từ đó tìm ra điều kiện tối ưu cho sự sinh trưởng và phát triển của chúng trên vật liệu mang. Nghiên cứu cũng sẽ đánh giá hiệu quả chuyển hóa amoni trong nước ngầm bằng cách sử dụng vật liệu mang tích hợp vi khuẩn nitrat hóa. Việc này không chỉ giúp cải thiện chất lượng nước mà còn cung cấp thông tin quý giá cho các nghiên cứu tiếp theo về xử lý ô nhiễm amoni trong nước ngầm. Kết quả nghiên cứu sẽ hỗ trợ cho các nhà quản lý trong việc đưa ra các chính sách và biện pháp bảo vệ nguồn nước.

III. Tình hình ô nhiễm amoni trong nước ngầm tại Việt Nam

Ô nhiễm amoni trong nước ngầm ở Việt Nam đang ở mức báo động, đặc biệt là tại các khu vực nông thôn và thành phố lớn như Hà Nội. Theo báo cáo của Trung tâm Quan trắc và Dự báo tài nguyên nước, nồng độ amoni trong nước ngầm tại nhiều địa phương đã vượt quy chuẩn cho phép từ 70% đến 80%. Tại Đan Phượng, nồng độ amoni được phát hiện lên đến 23.3 mg/L, cho thấy sự cần thiết phải có các biện pháp xử lý hiệu quả. Nguồn gốc ô nhiễm chủ yếu đến từ việc sử dụng phân bón hóa học, nước thải sinh hoạt và các hoạt động nông nghiệp. Việc xử lý amoni không chỉ là một thách thức mà còn là một yêu cầu cấp bách để bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

IV. Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng các phương pháp nghiên cứu hiện đại để thu thập và phân tích dữ liệu. Phương pháp thu thập mẫu nước ngầm từ khu vực Đan Phượng sẽ được thực hiện để đánh giá nồng độ amoni. Các phương pháp sinh học sẽ được áp dụng để nghiên cứu khả năng chuyển hóa amoni của các chủng vi khuẩn nitrat hóa. Đồng thời, phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) sẽ được sử dụng để tối ưu hóa các yếu tố ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của vi khuẩn. Việc phân tích mẫu nước sẽ được thực hiện theo tiêu chuẩn quốc gia và quốc tế, đảm bảo tính chính xác và đáng tin cậy của kết quả.

V. Kết quả đạt được

Kết quả nghiên cứu cho thấy có thể tuyển chọn được các chủng vi khuẩn nitrat hóa với hoạt tính mạnh, có khả năng chuyển hóa amoni hiệu quả trong nước ngầm. Các điều kiện tối ưu cho sự sinh trưởng của vi khuẩn đã được xác định, từ đó giúp cải thiện hiệu quả xử lý amoni. Thí nghiệm cho thấy rằng việc tích hợp vi khuẩn lên vật liệu mang đã gia tăng khả năng xử lý, mở ra hướng đi mới cho các nghiên cứu và ứng dụng trong xử lý nước ô nhiễm. Kết quả này không chỉ có giá trị khoa học mà còn có ý nghĩa thực tiễn trong việc bảo vệ nguồn nước ngầm tại khu vực Đan Phượng, Hà Nội.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm amoni trong nước ngầm là một vấn đề môi trường nghiêm trọng tại nhiều vùng ở Việt Nam, đặc biệt là khu vực đồng bằng Bắc Bộ. Theo báo cáo của Trung tâm Quan trắc và Dự báo tài nguyên nước (Bộ Tài nguyên và Môi trường), tại xã Tân Lập, huyện Đan Phượng, Hà Nội, hàm lượng amoni trong nước ngầm được phát hiện lên đến 23,3 mg/L, vượt gần 233 lần so với quy chuẩn cho phép (QCVN 09:2008/BTNMT). Nguồn nước ngầm tại đây được sử dụng chủ yếu cho sinh hoạt, do đó ô nhiễm amoni ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe cộng đồng và chất lượng cuộc sống. Amoni tuy không gây độc trực tiếp nhưng các sản phẩm chuyển hóa như nitrit và nitrat lại có khả năng gây bệnh nghiêm trọng, đặc biệt là ung thư và các bệnh về hô hấp.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là tuyển chọn chủng vi khuẩn nitrat hóa có hoạt tính mạnh, nghiên cứu điều kiện tối ưu cho sự sinh trưởng và tích hợp vi khuẩn trên vật liệu mang, đồng thời đánh giá hiệu quả chuyển hóa amoni trong nước ngầm tại xã Tân Lập. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào vi khuẩn nitrat hóa phân lập từ nguồn nước thải nhiễm amoni và mẫu nước ngầm tại xã Tân Lập, huyện Đan Phượng, Hà Nội trong khoảng thời gian từ năm 2013 đến 2015.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ xử lý amoni bằng phương pháp sinh học, góp phần cải thiện chất lượng nước ngầm, bảo vệ sức khỏe người dân và hỗ trợ các chương trình phát triển nông thôn mới tại địa phương.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về quá trình nitrat hóa trong môi trường nước, bao gồm:

• Quá trình nitrat hóa (Nitrification): Quá trình oxy hóa amoni thành nitrit và sau đó thành nitrat do hai nhóm vi khuẩn nitrat hóa tự dưỡng là Nitrosomonas sp. (oxy hóa amoni thành nitrit) và Nitrobacter sp. (oxy hóa nitrit thành nitrat). Quá trình này cần oxy và diễn ra hiệu quả trong điều kiện pH từ 7,5 đến 8,5 và nhiệt độ từ 25 đến 30°C.

• Mô hình bề mặt đáp ứng (Response Surface Methodology - RSM): Phương pháp thiết kế thí nghiệm Box-Behnken được sử dụng để tối ưu hóa các yếu tố ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của vi khuẩn nitrat hóa, gồm nhiệt độ, pH và nồng độ NaHCO₃.

• Khái niệm vật liệu mang (Carrier Material): Vật liệu xốp polyurethane có diện tích bề mặt lớn (6.000 - 12.000 m²/m³) được sử dụng làm giá thể để tích hợp vi khuẩn nitrat hóa, tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển và bám dính của vi sinh vật, tương tự như màng sinh học cố định.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Mẫu nước ngầm được lấy từ các giếng khoan tại xã Tân Lập, huyện Đan Phượng, Hà Nội vào tháng 6 và 7 năm 2015. Vi khuẩn nitrat hóa được tuyển chọn từ bộ chủng giống của Phòng Vi sinh vật môi trường, Viện Công nghệ môi trường, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

• Phương pháp lấy mẫu: Tuân thủ tiêu chuẩn quốc gia TCVN 6000:1995 và TCVN 5993:1995 về lấy mẫu và bảo quản mẫu nước ngầm.

• Phân tích vi sinh: Mật độ vi khuẩn được xác định gián tiếp qua độ đục quang học (OD600 nm). Vi khuẩn được nuôi cấy trong môi trường Winogradsky 1 và 2, ở nhiệt độ 28-30°C, pH 7, trong 7 ngày.

• Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng: Nhiệt độ (20, 30, 37, 40°C), pH (6, 7, 8, 9), nồng độ NaHCO₃ (1-4 g/L) được khảo sát ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của vi khuẩn.

• Tối ưu hóa bằng RSM: Thiết kế Box-Behnken với 15 thí nghiệm để xác định điều kiện tối ưu cho sự phát triển của vi khuẩn nitrat hóa.

• Tích hợp vi khuẩn lên vật liệu mang: Vi khuẩn được nhân giống và tích hợp lên vật liệu xốp polyurethane trong môi trường tối ưu, nuôi lắc 200 rpm, khảo sát mật độ tế bào trên vật liệu theo thời gian (24-168 giờ).

• Thí nghiệm xử lý nước ngầm: Thí nghiệm trên quy mô bình Jartest với 2 lít mẫu nước ngầm, bổ sung vật liệu mang tích hợp vi khuẩn, khuấy 200 rpm, lấy mẫu sau 24 giờ để xác định hàm lượng amoni, nitrit, nitrat.

• Phân tích hóa học: Xác định hàm lượng amoni theo phương pháp so màu với thuốc thử Nessler, nitrit theo phương pháp Griss, nitrat theo phương pháp natri salicylate, tuân thủ tiêu chuẩn quốc gia.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Tuyển chọn vi khuẩn nitrat hóa: Năm chủng vi khuẩn nitrat hóa được phân lập, trong đó ba chủng Nitrosomonas sp. (NS1, NS2, NS3) có hoạt tính oxy hóa amoni mạnh, hai chủng Nitrobacter sp. (NB1, NB2) oxy hóa nitrit hiệu quả. Chủng NS1 sau 7 ngày nuôi cấy đã chuyển hóa 44,43% amoni từ 10 mg/L xuống còn khoảng 5,57 mg/L.

2. Ảnh hưởng của các yếu tố môi trường: Nhiệt độ tối ưu cho sự sinh trưởng của vi khuẩn nitrat hóa là 30°C, pH tối ưu là 8, và nồng độ NaHCO₃ tối ưu là 3 g/L. Mô hình RSM cho thấy sự tương tác giữa các yếu tố này ảnh hưởng đáng kể đến mật độ quang (OD600) của vi khuẩn, với giá trị OD cao nhất đạt được trong điều kiện tối ưu.

3. Tích hợp vi khuẩn trên vật liệu mang: Vật liệu xốp polyurethane cho phép mật độ vi khuẩn nitrat hóa tích hợp đạt khoảng 1,14 g/cm³ khối lượng riêng, tạo màng sinh học ổn định. Sau 120 giờ tích hợp, mật độ tế bào trên vật liệu đạt mức cao nhất, hỗ trợ hiệu quả quá trình nitrat hóa.

4. Hiệu quả xử lý nước ngầm: Thí nghiệm xử lý nước ngầm có nồng độ amoni ban đầu 23,3 mg/L cho thấy sau 24 giờ xử lý bằng vật liệu mang tích hợp vi khuẩn, hàm lượng amoni giảm đáng kể, đạt hiệu suất chuyển hóa trên 40%. Nồng độ nitrit và nitrat tăng lên tương ứng, chứng tỏ quá trình nitrat hóa diễn ra hiệu quả.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu phù hợp với các nghiên cứu trước đây về điều kiện sinh trưởng của vi khuẩn nitrat hóa, đặc biệt là nhiệt độ và pH tối ưu. Việc sử dụng vật liệu mang xốp polyurethane giúp tăng diện tích bề mặt tiếp xúc, tạo môi trường thuận lợi cho vi khuẩn phát triển và bám dính, từ đó nâng cao hiệu quả xử lý amoni trong nước ngầm.

So sánh với các phương pháp xử lý amoni khác như clo hóa, trao đổi ion hay ozon hóa, phương pháp sinh học sử dụng vi khuẩn nitrat hóa có ưu điểm về chi phí vận hành thấp, thân thiện môi trường và không sinh ra chất độc hại. Tuy nhiên, quá trình này cần kiểm soát chặt chẽ các yếu tố môi trường để duy trì hoạt tính vi sinh.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện sự thay đổi nồng độ amoni, nitrit và nitrat theo thời gian xử lý, cũng như bảng phân tích ANOVA mô hình RSM để minh họa mức độ ảnh hưởng của các yếu tố đến sự sinh trưởng vi khuẩn.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Ứng dụng vật liệu mang xốp polyurethane tích hợp vi khuẩn nitrat hóa trong hệ thống xử lý nước ngầm: Đề xuất triển khai thí điểm tại các khu vực có nước ngầm ô nhiễm amoni cao, nhằm giảm nồng độ amoni xuống dưới mức quy chuẩn trong vòng 6-12 tháng.

2. Kiểm soát và duy trì điều kiện môi trường tối ưu: Định kỳ kiểm tra và điều chỉnh nhiệt độ, pH và nồng độ NaHCO₃ trong hệ thống xử lý để đảm bảo hoạt tính vi khuẩn nitrat hóa đạt hiệu quả cao nhất.

3. Đào tạo và nâng cao năng lực cho cán bộ kỹ thuật: Tổ chức các khóa đào tạo về kỹ thuật nuôi cấy, tích hợp vi khuẩn và vận hành hệ thống xử lý sinh học cho các đơn vị quản lý nước và môi trường địa phương trong vòng 3-6 tháng.

4. Mở rộng nghiên cứu và phát triển công nghệ: Khuyến khích các viện nghiên cứu và doanh nghiệp hợp tác phát triển các vật liệu mang mới có khả năng bám dính vi khuẩn cao hơn, đồng thời nghiên cứu kết hợp xử lý amoni với các công nghệ xử lý khác để nâng cao hiệu quả tổng thể.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành môi trường: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp thực nghiệm chi tiết về xử lý amoni bằng vi sinh, hỗ trợ nghiên cứu sâu hơn trong lĩnh vực xử lý nước.

2. Cơ quan quản lý tài nguyên nước và môi trường: Thông tin về mức độ ô nhiễm amoni và giải pháp xử lý sinh học giúp hoạch định chính sách và kế hoạch quản lý nguồn nước bền vững.

3. Doanh nghiệp và nhà máy xử lý nước: Áp dụng công nghệ tích hợp vi khuẩn nitrat hóa trên vật liệu mang để cải thiện chất lượng nước cấp, giảm chi phí vận hành và đáp ứng tiêu chuẩn môi trường.

4. Cộng đồng dân cư tại các vùng có nước ngầm ô nhiễm: Nâng cao nhận thức về tác hại của amoni trong nước ngầm và các biện pháp xử lý hiệu quả, góp phần bảo vệ sức khỏe và cải thiện điều kiện sống.

Câu hỏi thường gặp

1. Vi khuẩn nitrat hóa là gì và vai trò của chúng trong xử lý nước?
   Vi khuẩn nitrat hóa là nhóm vi sinh vật tự dưỡng có khả năng oxy hóa amoni thành nitrit và nitrat, giúp loại bỏ amoni độc hại trong nước. Chúng đóng vai trò then chốt trong quá trình xử lý sinh học nước ô nhiễm amoni.

2. Tại sao vật liệu mang lại quan trọng trong quá trình tích hợp vi khuẩn?
   Vật liệu mang cung cấp bề mặt rộng lớn để vi khuẩn bám dính và phát triển, tạo màng sinh học ổn định, từ đó nâng cao hiệu quả chuyển hóa amoni trong hệ thống xử lý.

3. Điều kiện môi trường nào ảnh hưởng đến hoạt động của vi khuẩn nitrat hóa?
   Nhiệt độ (25-30°C), pH (7,5-8,5), nồng độ oxy hòa tan và nguồn cacbon vô cơ là các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và hoạt động của vi khuẩn nitrat hóa.

4. Phương pháp sinh học xử lý amoni có ưu điểm gì so với các phương pháp khác?
   Phương pháp sinh học tiết kiệm chi phí, thân thiện môi trường, không sinh ra chất độc hại hay dư lượng hóa chất, đồng thời có khả năng xử lý hiệu quả amoni ở nồng độ thấp đến trung bình.

5. Làm thế nào để đánh giá hiệu quả xử lý amoni trong nước ngầm?
   Hiệu quả được đánh giá qua việc đo giảm nồng độ amoni và tăng nồng độ nitrit, nitrat trong mẫu nước sau xử lý, sử dụng các phương pháp phân tích chuẩn quốc gia như so màu với thuốc thử Nessler.

Kết luận

• Đã tuyển chọn thành công các chủng vi khuẩn nitrat hóa có hoạt tính oxy hóa amoni mạnh, đặc biệt là chủng Nitrosomonas sp. NS1 với hiệu suất chuyển hóa amoni đạt 44,43% sau 7 ngày.
• Xác định được điều kiện tối ưu cho sự sinh trưởng của vi khuẩn nitrat hóa gồm nhiệt độ 30°C, pH 8 và nồng độ NaHCO₃ 3 g/L thông qua mô hình bề mặt đáp ứng.
• Vật liệu xốp polyurethane là vật liệu mang hiệu quả, tạo môi trường thuận lợi cho vi khuẩn bám dính và phát triển, nâng cao hiệu quả xử lý amoni trong nước ngầm.
• Thí nghiệm xử lý nước ngầm tại xã Tân Lập cho thấy hiệu suất chuyển hóa amoni trên 40% sau 24 giờ xử lý, chứng minh tính khả thi của công nghệ sinh học này.
• Đề xuất triển khai ứng dụng thực tiễn và mở rộng nghiên cứu để phát triển công nghệ xử lý amoni bền vững, góp phần cải thiện chất lượng nguồn nước và sức khỏe cộng đồng.

Hành động tiếp theo là phối hợp với các cơ quan quản lý và doanh nghiệp để triển khai thí điểm công nghệ xử lý nước ngầm ô nhiễm amoni tại các khu vực có nhu cầu cấp thiết, đồng thời đào tạo nhân lực vận hành và bảo trì hệ thống.