Luận án tiến sĩ sinh học nghiên cứu vi sinh vật học của quá trình feammox và bước đầu ứng dụng để xử lý nước thải nhiễm amoni

Luận án tiến sĩ sinh học nghiên cứu quá trình feammox và ứng dụng xử lý nước thải nhiễm amoni, mở ra hướng tiếp cận hiệu quả trong xử lý môi trường.

Trường đại học

Đại học Quốc gia Hà Nội

Chuyên ngành

Vi sinh vật học

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

luận án

2022

108
4
0

Phí lưu trữ

35 Point

Mục lục chi tiết

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1. ẢNH HƯỞNG CỦA DƯ LƯỢNG NITƠ TRONG NƯỚC THẢI TỚI HỆ SINH THÁI

2. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1. ĐỐI TƯỢNG VÀ VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU

2.2. HÓA CHẤT, THIẾT BỊ

2.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. LÀM GIÀU VSV FEAMMOX TRONG MÔ HÌNH PHÒNG THÍ NGHIỆM

3.2. NGHIÊN CỨU HỆ VSV ĐƯỢC LÀM GIÀU TRONG MÔ HÌNH

3.3. XÁC ĐỊNH ẢNH HƯỞNG CỦA CARBON HỮU CƠ TỚI QUÁ TRÌNH OXY HÓA NH4+ TRONG MÔ HÌNH - THÍ NGHIỆM THEO MÔ HÌNH

3.4. THỬ NGHIỆM XỬ LÝ NH4+ TRONG MÔ HÌNH FEAMMOX THEO CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH LIÊN TỤC

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu vi sinh vật học quá trình Feammox

Quá trình Feammox là một trong những phương pháp mới nổi bật trong xử lý nước thải nhiễm amoni. Nghiên cứu này tập trung vào việc tìm hiểu các vi sinh vật tham gia vào quá trình này và cách chúng có thể được ứng dụng trong xử lý nước thải. Việc hiểu rõ về quá trình này không chỉ giúp cải thiện hiệu quả xử lý mà còn giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường.

1.1. Khái niệm và tầm quan trọng của quá trình Feammox

Quá trình Feammox là sự oxy hóa amoni kết hợp với khử sắt trong điều kiện không có oxy. Quá trình này đóng vai trò quan trọng trong chu trình nitơ và giúp giảm thiểu ô nhiễm nước.

1.2. Các vi sinh vật tham gia vào quá trình Feammox

Các vi sinh vật thuộc lớp y-Proteobacteria là những tác nhân chính trong quá trình Feammox. Chúng có khả năng oxy hóa NH4+ thành N2, giúp giảm thiểu nồng độ amoni trong nước thải.

II. Vấn đề và thách thức trong xử lý nước thải nhiễm amoni

Nước thải nhiễm amoni gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng cho hệ sinh thái và sức khỏe con người. Việc xử lý amoni trong nước thải là một thách thức lớn, đặc biệt là trong các quy trình truyền thống. Các phương pháp hiện tại thường yêu cầu nhiều năng lượng và chi phí cao.

2.1. Tác động của amoni đến môi trường

Amoni trong nước thải có thể dẫn đến hiện tượng phú dưỡng, gây hại cho hệ sinh thái nước. Nồng độ cao của amoni có thể làm giảm oxy hòa tan, ảnh hưởng đến sự sống của các loài thủy sinh.

2.2. Những hạn chế của các phương pháp xử lý hiện tại

Các phương pháp xử lý nước thải truyền thống như nitrate hóa và khử nitrate thường yêu cầu nhiều năng lượng và chi phí cao. Điều này làm cho việc áp dụng chúng trở nên khó khăn trong thực tế.

III. Phương pháp nghiên cứu quá trình Feammox hiệu quả

Nghiên cứu này áp dụng các phương pháp hiện đại để làm giàu vi sinh vật Feammox trong mô hình phòng thí nghiệm. Các phương pháp như PCR-DGGE và FISH được sử dụng để phân tích cấu trúc quần xã vi sinh vật.

3.1. Thiết kế mô hình thí nghiệm Feammox

Mô hình thí nghiệm được thiết kế để nghiên cứu quá trình Feammox trong điều kiện pH trung tính và dị dưỡng. Điều này giúp tối ưu hóa điều kiện cho vi sinh vật phát triển.

3.2. Phân tích cấu trúc quần xã vi sinh vật

Sử dụng phương pháp PCR-DGGE và FISH để phân tích cấu trúc quần xã vi sinh vật trong mô hình. Điều này giúp xác định các loài vi sinh vật chủ yếu tham gia vào quá trình Feammox.

IV. Ứng dụng thực tiễn của quá trình Feammox trong xử lý nước thải

Quá trình Feammox đã cho thấy tiềm năng lớn trong việc xử lý nước thải nhiễm amoni. Nghiên cứu cho thấy hiệu quả loại bỏ amoni và COD đạt được là rất cao, mở ra hướng đi mới cho công nghệ xử lý nước thải.

4.1. Hiệu quả xử lý nước thải bằng Feammox

Nghiên cứu cho thấy quá trình Feammox có thể loại bỏ tới 91% amoni và 60% COD trong nước thải. Điều này cho thấy tính khả thi của công nghệ này trong thực tế.

4.2. Tiềm năng ứng dụng công nghệ Feammox

Công nghệ Feammox có thể được áp dụng cho nhiều loại nước thải khác nhau, giúp giảm thiểu chi phí và năng lượng trong quá trình xử lý.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu Feammox

Nghiên cứu về quá trình Feammox và các vi sinh vật tham gia là rất cần thiết để phát triển các công nghệ xử lý nước thải hiệu quả hơn. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều giải pháp mới cho vấn đề ô nhiễm nước.

5.1. Tầm quan trọng của nghiên cứu Feammox

Nghiên cứu Feammox không chỉ giúp cải thiện hiệu quả xử lý nước thải mà còn góp phần bảo vệ môi trường. Việc phát triển công nghệ này sẽ mang lại lợi ích lớn cho cộng đồng.

5.2. Hướng đi tương lai cho nghiên cứu và ứng dụng

Cần tiếp tục nghiên cứu sâu hơn về các vi sinh vật tham gia vào quá trình Feammox và tối ưu hóa điều kiện xử lý để nâng cao hiệu quả. Điều này sẽ mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực xử lý nước thải.

21/02/2025
Luận án tiến sĩ sinh học nghiên cứu vi sinh vật học của quá trình feammox và bước đầu ứng dụng để xử lý nước thải nhiễm amoni

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. TỎNG QUAN TÀI LIỆU 1. ANH HƯỚNG CUA DƯ LƯỢNG NITƠ TRONG NƯỚC THAI TỚI HỆ SINH THÁI Mặc dù nito được xem là nguyên tố cơ bản của sự sông, nhiều dạng hợp chất nitơ khi có mặt trong môi trường nước ở nồng độ cao sẽ trở thành mối nguy hại cho hệ sinh thái, do vậy cần được kiểm soát ở đưới ngưỡng quy định (Bảng 1. Ngưỡng giới hạn cho phép của nitơ trong một số nguồn nước (mg/L) Chỉ tiêu Nước sạch Nước mặt Nước ao nuôi tôm [Bộ Y tê, 2018] [Bộ TN&MT, 2015] [Bộ NN&PTNT, Cột A Cột B 2014] NH; 0,3 — — 0,3 NH,* 0,3 0,3 0,9 - NO, 0,05 0,05 0,05 — NO; 2 2 10 — Chú thích: Ngưỡng nitơ trong nước sạch dựa theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước sạch sử dụng cho mục đích sinh hoạt, QCVN 01-1:2018/BYT.

Nước ao nuôi tôm dựa theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về cơ sở nuôi tôm nước lợ - Điều kiện bảo đảm vệ sinh thú y, bảo vệ môi trường và an toàn thực phâm, QCVN 02 - 19 : 2014/BNNPTNT. Ngưỡng nitơ trong nước mặt theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước mặt, QCVN 08-MT: 2015/BTNMT. Cột A là nước sử dụng cho mục đích cấp nước sinh hoạt (nước cấp) sau khi xử lý thông thường; Cột B là nước sử dụng cho tưới tiêu, thủy lợi và các mục đích khác; (—) là không được quy định. Ảnh hướng đối với hệ sinh thái nước Hợp chất amoni (NH,") khi có mặt ở hàm lượng quá cao trong các thủy vực sẽ dẫn đến hiện tượng phú dưỡng của nước (eutrophication), do thúc đây sự phát triển ồ ạt của các loài tảo.

Sự phân hủy sinh học sinh khối tảo sau đó dẫn đến giảm oxy trong nước, làm chết các động thực vật thủy sinh (Hình 1. Trong môi trường nước, sản phẩm khoáng hóa hợp chat nitơ hữu cơ sẽ ton tại ở dạng NH¿” khi pH <9,5 hay ở dạng khí ammoniac (NH3) khi pH >9,5; ở pH 9,5 thi ty lệ [NH3]/[NH,"] = 1 [Lê Văn Cát, 2007]. Khí NH; hòa tan rất độc đối với các loài thủy sinh, đặc biệt là cá. Với nồng độ 0,01 mg/L, NH; đã có thể gây độc cho cá qua đường máu, nồng độ 0,2 — 0,5 mg/L đã gây độc cấp tính [Lương Đức Phẩm, 12 2008].

Hợp chất NH,* không độc nhưng là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng phú dưỡng, hoặc có thé bị chuyển hóa thành nitrite (NO;) độc hại đối với nhiều loài sinh vat và con người [Galloway et al. oe O, trong khi quyén Nước thải Riva trôi từ đất nông nghiệp & sp JẾ @a 9. 5e Phúi dưỡng #a+ w% Quang hợp Oxy hòa tan cao N —— Se ae =——» ees trong nước mat ot (Sinh O;) - at« Tao nở hoa Tảo chết và Tăng độ đục, bị phân hủy ngăn cản thực vật CÔ0 - Hình 1. Quá trình phú dưỡng (Eutrophication) trong các thủy vực [Galloway et al., 2008] Hàm lượng nitrate cao trong nước tưới va đất canh tac nông nghiệp không chỉ ảnh hưởng đến các loài sinh vật nước mà còn là nguyên nhân dẫn đến tích lũy chất này trong các sản phẩm rau xanh, hệ lụy là ảnh hưởng đến sức khỏe con người [Santamaria, 2006; Savino et al.

Anh hưởng đối với sức khỏe con người Nitrite có tính độc cao, rất có hai cho cơ thé con người. Nitrite gây ra chứng thiếu vitamin, và có thé kết hợp với các amin để tạo thành các hợp chất nitrosamines gây ton thương di truyền tế bao, là một trong những nguyên nhân dan đến ung thư thực quản, ung thư da dày, ung thư ruột kết và các khối u khác [Park et al., 2015; Bedale et al. Nitrate va nitrite đều có khả năng oxy hóa Fe”' trong hemoglobin thành Fe””, khiến hemoglobin chuyén thành dang methemoglobin, không thé thuc hién duoc 13 chức năng liên kết và vận chuyển oxy [Savino er al. Hội chứng trẻ đa xanh (thiếu máu) do methemoglobin thường gặp ở trẻ đưới 6 tháng tuổi do có hàm lượng enzyme NADH-cytochrome b; reductase (là enzyme khử methemoglobin thành hemoglobin) thấp, chi bằng một nửa của người trưởng thành [Savino et al.

Ảnh hướng đến môi trường nước nuôi trồng thủy sản Chất lượng nước ao nuôi là yếu tố quan trọng hàng đầu trong nuôi trồng thủy sản, trong đó tong hàm lượng ammonia (Total Ammonia Nitrogen, TAN) trong nước là một trong các chỉ số được quan tâm nhất, thường được giới hạn ở mức < 0,5 mg/L [Hari et ai. Trong hai dang ammonia thì NH; có tính độc cao hơn gap 100 lần so với NH,* [Francis-Floyd et al. Hàm lượng NH; = 0,1 mg/L có thé làm ức chế sinh sản, sinh trưởng cho cá, hàm lượng 1 — 3 mg/L gây chết cá va nhiều loài thủy sản khác. Tôm thậm chí còn nhạy cảm hơn, có thé chết hàng loạt khi nồng độ NH; trong nước ở mức 0,7 — 1,2 mg/L [Boyd, 2018].

Ammonia trong ao nuôi trồng thủy sản có nguồn gốc từ thức ăn thừa và các chất thai của tôm, cá [Francis-Floyd et ai., 2010; Wei et al. Ở điều kiện thích hợp, nito ammonia có thể được loại khỏi nước ở dạng N; nhờ quá trình nitrate hóa-khử nitrate do VSV (Hình 1.2) [Linbo, 2009; Francis-Floyd et al. we a Thức an thừa va chat thai Ammonia (NH) + H†—>Ammonium (NH¿!) == Nitrosomonas HỶ Nước có nitrate cao Nitrate (NO {NO3) Nitrite (NO2) 2" Nitrobacter Ht Hình 1. Quá trình chuyên hóa nito trong ao nuôi thủy sản [Linbo, 2009] So với NH; thì các hợp chất NO, và NO; có tính độc thấp hon.

Nitrite ở hàm lượng > 0,1 mg/L có thé ngắm qua mang và da dé đi vào máu, gây thiếu oxy, 14 làm cá chậm lớn và dé bị bệnh [Lương Đức Pham, 2008]. Nitrate ít nguy hiểm đối với động vật thủy sinh, tuy nhiên khi ở hàm lượng > 250 mg/L có thể bị khử không hoan toàn, tạo ra nitrite và gây độc [Francis-Floyd et al. Ảnh hướng đến quy trình xử lý nước cấp Các hợp chất NH,* va NH; hòa tan trong nước cấp có thé phản ứng với chlorine tạo thành chloramine, làm giảm hiệu quả diệt khuẩn của chlorine hon 100 lần. Hơn nữa, NH," có thé là nguồn điện tử cho một số vi sinh vật, gây hiện tượng “không ôn định sinh học”, làm cho nước bị đục, đóng cặn trong bề chứa và ống dẫn.

Ngoài ra, NH,* ở nồng độ > 1 mg/L có thé gây ăn mòn cho các đường ống dẫn nước và các công trình kim loại dưới nước [Bitton, 2005]. VI SINH VAT THAM GIA CHU TRÌNH CHUYEN HÓA NITƠ Khí nitơ (N;) chiếm ~ 79% khí quyên trên trái đất, có cấu trúc phân tử bền vững (N=N), chỉ tham gia các phản ứng hóa học khí có các yếu tố xúc tác mạnh (sắm sét/nhiệt độ và áp suất cao), hoặc nhờ enzyme nitrogenase ở một số vi sinh vật, được chuyên hóa thành NH,’ và bắt đầu đi vào chu trình tuần hoàn nito [Bitton, 2005]. Vi sinh vật (VSV) đóng vai trò vô cùng quan trọng trong chu trình nitơ, dam nhiệm hoàn toàn một số mắt xích quan trọng (Hình 1. On = Planctomypoevtes Ũ at — Nitrosomonas Virrosocecen Hinh 1.

Chu trinh nito va sy tham gia cua VSV (1) Cé dinh nito, (2) Khoáng hóa nito, (3) Nitrate hóa, (4) Khử nitrate đồng hóa, (5) Khử nitate di hóa [de-Sousa, Bhosle, 2012] 15 1. Cố định nito (nitrogen fixation) Cố định nito sinh học là mắt xích đầu tiên, chuyên nito phân tử N; trong khí quyên thành nitơ hữu cơ, duy trì khoảng 2 x 10° tan nitơ/năm trong môi trường trên toàn trái đất. VSV có định nitơ có thé sinh trưởng tự do (như Azotobacter spp., Cyanobacteria phố biến trong môi trường nước và đất) hoặc cộng sinh (như Rhizobium spp. trên cây họ đậu) [Marks et al.

Quá trình cố định nito (phản ứng 1.1) được thực hiện nhờ enzyme nitrogenase, chứa ion lưu huỳnh va sắt-molybden, là các thành phần nhạy cảm với với oxy [Gutschick, 1982].1) VSV có những công cụ dé bảo vệ nitrogenase khỏi anh hưởng của oxy, ví du như sinh polysaccharide để khử oxy hòa tan (ở vi khuẩn Azotobacter), hay hình thành lớp vỏ alginate ngăn can sự khuếch tán oxy vào trong tế bào (ở A. Khoáng hóa nito (ammonification) Khoáng hóa nitơ là quá trình phân giải các hợp chất nitơ hữu cơ (protein, nucleic acid), được thực hiện bởi nhiều loại VSV di dưỡng nhờ các enzyme protease, peptidase, nuclease, nhóm amine NH; sau đó được chuyên hóa thành sản phẩm cuối cùng là NH,* (phản ứng 1. R-NH; + HOH -> R-OH + NH¿ + OH” (1. Nitrate hóa (nitrification) Nitrate hóa là quá trình oxy hóa NH,’ thành nitrate bởi VSV, diễn ra theo hai bước: NH,* > NO; — NO; (phản ứng 1.4) Phương trình tổng quát của quá trình nitrate hóa như sau (phản ứng 1.5): NH¿” + 2O; — NO; + HạO + 2H” (1.5) 16 Bước oxy hóa NH¿ thành NO, được thực hiện bởi vi khuẩn oxy hóa NH,* (Ammonium Oxidizing Bacteria - AOB), là nhóm hiểu khí tự dưỡng vô cơ, các chi thường gặp gồm có Nitrosomonas, Nitrosospira, Nitrosococcus, Nitrosolobus, và Nitrosovibrio.

Trong bước tiếp theo, NO, được chuyền hóa thành NO; nhờ các vi khuan oxy hóa nitrite (Nitrite Oxidizing Bacteria - NOB) như Nitrobacter, Nitrospina, Nitrospira va Nitrococcus [Wolfe, Lieu, 2002; Moir, 2011]. Nitrate hóa là quá trình tự dưỡng vô co, năng lượng thu được rất thấp (57 kcal/mol cho phản ứng NH,* + NO, và 74 kcal/mol cho phản ứng NO, — NO; ), mặc dù mức tiêu tốn oxy lại rất cao, kém hiệu qua so với các phản ứng oxy hóa chat hữu cơ bằng oxy (ví dụ năng lượng thu được từ phản ứng oxy hóa acid acetic là 207 kcal/mol) [Bitton, 2005]. Các vi khuẩn nitrate hóa AOB và NOB có tốc độ sinh trưởng chậm hơn so với các loài di dưỡng và tao it sinh khối [Schmidt et al. Do đó, nhược điểm chung của nhóm vi khuẩn nitrate hóa là (i) có nhu cầu về oxy rat lớn, (ii) khó cạnh tranh với các loài di dưỡng trong hệ sinh thái (bao gồm cả môi trường nước thải) khi có mặt carbon hữu cơ [Bitton, 2005].

Mỗi tương quan giữa tốc độ oxy hóa NH,* do AOB hoặc nitrite do NOB (biéu dién là giá trị g mg N/L/ngày) và hệ số sinh trưởng của vi khuan (biểu diễn là u = số gram sinh khối hình thành/ngày) được biéu diễn bằng phương trình: 1g—~y Trong đó: Y là hệ số năng suất sinh trưởng của AOB hoặc NOB tính bằng lượng sinh khối (g) tạo ra từ 1 gram NH¿ hoặc nitrite bị oxy hóa. Theo tính toán và thực nghiệm, hệ số sinh trưởng p của vi khuẩn nitrate hóa trong khoảng 0,006 — 0,0035, thấp hơn nhiều so với của vi khuẩn dị dưỡng sinh trưởng trên nguồn carbon hữu co, vi dụ như sử dụng glucose là 0,18 — 0,38 [Sedlak, 1991]. Ngoài ra, năng suất sinh trưởng (Y) của vi khuẩn nitrate hóa cũng rất thấp, cụ thé ở AOB (như Nitrosomonas spp.) là 0,04 — 0,13, và ở NOB (như Nitrobacter spp.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Tài liệu "Nghiên cứu vi sinh vật học quá trình Feammox và ứng dụng xử lý nước thải nhiễm amoni" cung cấp cái nhìn sâu sắc về quá trình vi sinh vật học trong việc xử lý nước thải có chứa amoni, một vấn đề môi trường ngày càng nghiêm trọng. Nghiên cứu này không chỉ làm rõ cơ chế hoạt động của quá trình Feammox mà còn chỉ ra những ứng dụng thực tiễn trong việc cải thiện chất lượng nước thải, từ đó giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Độc giả sẽ tìm thấy những thông tin quý giá về cách thức áp dụng công nghệ này trong thực tiễn, cũng như những lợi ích mà nó mang lại cho việc xử lý nước thải.

Để mở rộng kiến thức về lĩnh vực này, bạn có thể tham khảo thêm tài liệu Luận văn tính toán và thiết kế hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt cho phường 7 8 thành phố Mỹ Tho, tỉnh Tiền Giang, nơi trình bày các phương pháp thiết kế hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt. Ngoài ra, tài liệu Luận văn nghiên cứu hiệu quả xử lý nước thải thủy sản bằng mô hình lọc sinh học hiếu khí sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về các phương pháp xử lý nước thải trong ngành thủy sản. Cuối cùng, tài liệu Luận văn thạc sĩ quản lý môi trường nghiên cứu tiềm năng phát triển chứng chỉ giảm phát thải CERS từ xử lý nước thải chế biến thủy sản sẽ cung cấp cái nhìn về các chứng chỉ môi trường và cách chúng có thể được áp dụng trong xử lý nước thải. Những tài liệu này sẽ giúp bạn có cái nhìn toàn diện hơn về các giải pháp xử lý nước thải hiện nay.