Nghiên cứu phân lập và tuyển chọn vi sinh vật ứng dụng trong xử lý nước thải giàu nitơ, photpho

Nghiên cứu phân lập và tuyển chọn vi sinh vật xử lý nước thải giàu nitơ, photpho, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.

• Tác giả: Ngô Thị Kim Toán
• Người hướng dẫn: Ts. Nguyễn Quang Huy
• Trường học: Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
• Chuyên ngành: Sinh học thực nghiệm
• Đề tài: Nghiên cứu phân lập tuyển chọn các chủng vi sinh vật ứng dụng xử lý nước thải giàu Nitơ, Photpho
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 1.1. Tình trạng ô nhiễm môi trường nước hiện nay ở Việt Nam và thế giới
• 1.2. Các phương pháp xử lý ô nhiễm nước thải có chứa hợp chất nitơ, photpho hiện nay
• 1.2.1. Phương pháp hóa học
• 1.2.1.1. Xử lý các hợp chất chứa nitơ bằng phương pháp hóa học
• 1.2.1.2. Xử lý các hợp chất photpho bằng phương pháp hóa học
• 1.2.2. Phương pháp sinh học
• 1.2.2.1. Các vi sinh vật có khả năng chuyển hóa các hợp chất chứa nitơ, photpho trong xử lý ô nhiễm nước thải
• 1.2.2.1.1. Vi sinh vật có khả năng chuyển hóa các hợp chất chứa nitơ
• 1.2.2.1.2. Vi sinh vật có khả năng tích lũy photpho
• 1.2.3. Màng sinh học và ứng dụng của màng sinh học trong việc xử lý ô nhiễm nước thải giàu nitơ, photpho
• 1.2.3.1. Màng sinh học
• 1.2.3.1.1. Định nghĩa về màng sinh học
• 1.2.3.1.2. Thành phần và quá trình hình thành màng sinh học
• 1.2.3.1.3. Vai trò và ứng dụng của sự hình thành màng sinh học
• 1.2.3.1.3.1. Vai trò của sự hình thành màng sinh học
• 1.2.3.1.3.2. Ứng dụng của màng sinh học trong xử lý ô nhiễm
• 2. CHƯƠNG 2: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Hóa chất, thiết bị
• 2.2. Môi trường nuôi cấy
• 2.3. Phương pháp nghiên cứu
• 2.3.1. Phương pháp phân lập vi khuẩn
• 2.3.2. Phương pháp đánh giá khả năng hình thành biofilm
• 2.3.2.1. Quan sát cấu trúc biofilm bằng chụp ảnh trên kính hiển vi điện tử quét (SEM)
• 2.3.3. Ảnh hưởng của các điều kiện môi trường nuôi cấy lên sự hình thành màng sinh học
• 2.3.3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường nuôi cấy
• 2.3.3.2. Ảnh hưởng của pH môi trường nuôi cấy
• 2.3.4. Phương pháp nhuộm Gram
• 2.3.5. Phương pháp sử dụng kit APi
• 2.3.6. Phương pháp đánh giá khả năng chuyển hóa các hợp chất nitơ
• 2.3.6.1. Phương pháp phân tích nitơ tổng số
• 2.3.6.2. Phương pháp phân tích hàm lượng amoni (NH4+)
• 2.3.6.3. Phương pháp thử khả năng chuyển hóa nitrite
• 2.3.7. Phương pháp đánh giá khả năng tích lũy photpho
• 2.3.7.1. Phương pháp phân tích photpho tổng
• 2.3.7.2. Phương pháp phân tích hàm lượng Ortho photphate (PO43-)
• 2.3.8. Phương pháp phân loại vi sinh vật dựa trên gen 16S rRNA
• 2.3.9. Phương pháp thống kê sinh học
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Nghiên cứu các chủng vi sinh vật có khả năng chuyển hóa nitơ
• 3.1.1. Phân lập chủng vi sinh vật có khả năng chuyển hóa nitơ và có khả năng hình thành màng sinh học
• 3.1.2. Phân lập các chủng vi sinh vật có khả năng chuyển hóa nitơ
• 3.1.3. Khả năng hình thành màng sinh học của các chủng phân lập
• 3.1.4. Khả năng chuyển hóa nitơ
• 3.1.4.1. Khả năng chuyển hóa amoni
• 3.1.4.2. Khả năng chuyển hóa nitrite
• 3.2. Nghiên cứu các chủng vi sinh vật có khả năng tích lũy photpho
• 3.2.1. Phân lập chủng vi sinh vật có khả năng tích lũy photpho và có khả năng hình thành màng sinh học
• 3.2.2. Phân lập các chủng vi sinh vật có khả năng tích lũy photpho
• 3.2.3. Khả năng hình thành màng sinh học của các chủng phân lập
• 3.2.4. Khả năng xử lý photpho của các chủng nghiên cứu
• 3.2.5. Các đặc điểm hình thái, sinh lý, sinh hóa của các chủng nghiên cứu
• 3.2.5.1. Khả năng tạo hình thành màng sinh học trên một số giá thể
• 3.2.5.2. Đặc điểm hình thái của các chủng nghiên cứu
• 3.2.5.3. Ảnh hưởng của một số yếu tố môi trường lên sự hình thành màng sinh học
• 3.2.5.4. Khả năng chuyển hóa một số chất trong bộ kit APi
• 3.2.6. Trình tự 16S rRNA và cây phát sinh chủng loại
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu vi sinh vật xử lý nước thải giàu nitơ và photpho

Nước thải giàu nitơ và photpho đang trở thành một vấn đề nghiêm trọng trong quản lý môi trường. Việc xử lý nước thải này không chỉ giúp bảo vệ sức khỏe con người mà còn bảo vệ hệ sinh thái. Nghiên cứu về vi sinh vật xử lý nước thải là một trong những giải pháp bền vững và hiệu quả. Các vi sinh vật có khả năng chuyển hóa các hợp chất nitơ và photpho thành các chất không độc hại, từ đó giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

1.1. Tình trạng ô nhiễm nước thải giàu nitơ và photpho

Ô nhiễm nước thải do các hợp chất nitơ và photpho đang gia tăng, đặc biệt ở các khu vực đô thị. Theo báo cáo của Bộ Tài nguyên và Môi trường, hàm lượng nitơ và photpho trong nước thải vượt quá tiêu chuẩn cho phép, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe cộng đồng và đa dạng sinh học.

1.2. Vai trò của vi sinh vật trong xử lý nước thải

Vi sinh vật đóng vai trò quan trọng trong quá trình xử lý nước thải. Chúng có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ, nitơ và photpho, giúp giảm thiểu ô nhiễm. Nghiên cứu cho thấy, các chủng vi sinh vật có khả năng hình thành màng sinh học có hiệu quả cao trong việc xử lý nước thải.

II. Vấn đề và thách thức trong xử lý nước thải giàu nitơ và photpho

Xử lý nước thải giàu nitơ và photpho gặp nhiều thách thức. Các phương pháp hiện tại như hóa học và vật lý thường tốn kém và không bền vững. Việc tìm kiếm các giải pháp sinh học hiệu quả là cần thiết để giảm thiểu ô nhiễm. Các thách thức bao gồm việc lựa chọn chủng vi sinh vật phù hợp và tối ưu hóa điều kiện nuôi cấy.

2.1. Thách thức trong việc lựa chọn vi sinh vật

Việc lựa chọn các chủng vi sinh vật có khả năng chuyển hóa nitơ và photpho là một thách thức lớn. Các nghiên cứu cần phải xác định được các chủng vi sinh vật có khả năng hoạt động hiệu quả trong điều kiện môi trường khác nhau.

2.2. Chi phí và hiệu quả của các phương pháp xử lý

Chi phí xử lý nước thải bằng phương pháp hóa học và vật lý thường cao. Do đó, việc phát triển các phương pháp sinh học sử dụng vi sinh vật là cần thiết để giảm chi phí và tăng hiệu quả xử lý.

III. Phương pháp sinh học trong xử lý nước thải giàu nitơ và photpho

Phương pháp sinh học sử dụng vi sinh vật để xử lý nước thải là một giải pháp bền vững. Các vi sinh vật có khả năng chuyển hóa nitơ và photpho thành các chất không độc hại. Nghiên cứu cho thấy, việc sử dụng màng sinh học có thể tăng cường hiệu quả xử lý nước thải.

3.1. Các loại vi sinh vật có khả năng xử lý nitơ

Nhiều loại vi sinh vật như vi khuẩn nitrat hóa và vi khuẩn khử nitrat có khả năng chuyển hóa nitơ trong nước thải. Chúng có thể chuyển đổi amoni thành nitrat và sau đó thành nitơ phân tử, giúp giảm thiểu ô nhiễm.

3.2. Vi sinh vật tích lũy photpho

Các vi sinh vật như vi khuẩn photpho có khả năng tích lũy photpho trong quá trình xử lý nước thải. Chúng có thể chuyển hóa photpho thành dạng không hòa tan, giúp loại bỏ photpho khỏi nước thải.

IV. Ứng dụng thực tiễn của vi sinh vật trong xử lý nước thải

Việc ứng dụng vi sinh vật trong xử lý nước thải đã được triển khai tại nhiều cơ sở. Các nghiên cứu cho thấy, việc sử dụng vi sinh vật có thể giảm thiểu ô nhiễm hiệu quả. Các hệ thống xử lý nước thải sinh học đang được áp dụng rộng rãi tại các nhà máy xử lý nước thải.

4.1. Kết quả nghiên cứu về vi sinh vật xử lý nước thải

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, các chủng vi sinh vật có khả năng xử lý nitơ và photpho hiệu quả. Các thử nghiệm cho thấy, việc sử dụng vi sinh vật có thể giảm hàm lượng nitơ và photpho trong nước thải xuống mức cho phép.

4.2. Ứng dụng màng sinh học trong xử lý nước thải

Màng sinh học được sử dụng để tăng cường hiệu quả xử lý nước thải. Các nghiên cứu cho thấy, màng sinh học giúp tăng cường khả năng chuyển hóa các hợp chất nitơ và photpho, từ đó giảm thiểu ô nhiễm.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu vi sinh vật trong xử lý nước thải

Nghiên cứu về vi sinh vật trong xử lý nước thải giàu nitơ và photpho đang mở ra nhiều triển vọng mới. Việc phát triển các phương pháp sinh học bền vững sẽ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Tương lai của nghiên cứu này cần tập trung vào việc tối ưu hóa các điều kiện nuôi cấy và phát triển các chủng vi sinh vật mới.

5.1. Tương lai của nghiên cứu vi sinh vật

Nghiên cứu cần tiếp tục phát triển các chủng vi sinh vật mới có khả năng xử lý hiệu quả hơn. Việc ứng dụng công nghệ sinh học trong xử lý nước thải sẽ là xu hướng trong tương lai.

5.2. Định hướng phát triển bền vững

Định hướng phát triển bền vững trong xử lý nước thải cần được chú trọng. Việc kết hợp giữa các phương pháp sinh học và công nghệ hiện đại sẽ giúp nâng cao hiệu quả xử lý và bảo vệ môi trường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Tình trạng ô nhiễm nguồn nước mặt và nước ngầm do các hợp chất nitơ và photpho đang là thách thức sinh thái nghiêm trọng tại nhiều đô thị và vùng nông thôn Việt Nam. Theo quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 08:2008/BTNMT, nồng độ ion amoni tối đa cho phép trong nước mặt phục vụ bảo tồn thủy sinh chỉ ở mức 0,2 mg/l. Tuy nhiên, các khảo sát môi trường cho thấy hàm lượng amoni tại sông Nhuệ đo tại Cự Đà vượt quá tiêu chuẩn 50 lần khi đạt trên 10 mg/l, và tại sông Cầu thuộc khu vực Thái Nguyên vượt chuẩn tới 110 lần khi chạm ngưỡng 22 mg/l. Nguồn phát thải chính bắt nguồn từ nước thải chăn nuôi với hàm lượng nitơ tổng từ 512 đến 594 mg/l, photpho tổng từ 13,8 đến 62 mg/l, cùng dòng nước rỉ rác có tổng nitơ dao động mạnh từ 200 đến 2000 mg/l.

Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là phân lập và tuyển chọn các chủng vi sinh vật bản địa có hoạt tính phân giải amoni, nitrite và tích lũy photpho cao, đồng thời sở hữu năng lực hình thành màng sinh học (biofilm) vượt trội. Phạm vi khảo sát được triển khai trên 5 vị trí thu mẫu nước thải thực tế từ các bể ủ biogas tại Thanh Hóa và trạm xử lý rác thải Vạn Phúc tại Hà Nội trong giai đoạn năm 2012. Ý nghĩa của đề tài nằm ở việc cung cấp nguồn giống vi sinh vật tạo màng có khả năng xử lý đồng thời cả hai chất ô nhiễm, giúp nâng cao hiệu suất xử lý sinh học lên trên 85%, giảm thiểu 30% chi phí hóa chất keo tụ và tạo nền tảng phát triển công nghệ xử lý nước thải thân thiện với hệ sinh thái.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên hai trục lý thuyết sinh học môi trường và động học vi sinh vật:

Lý thuyết chu trình chuyển hóa nitơ sinh học mô tả quá trình oxy hóa amoni thành nitrite nhờ nhóm vi khuẩn nitrit hóa (điển hình như Nitrosomonas), sau đó nitrite tiếp tục được chuyển hóa thành nitrate nhờ nhóm vi khuẩn nitrat hóa (như Nitrobacter). Giai đoạn cuối cùng là quá trình khử nitrate thành khí nitơ phân tử trả lại khí quyển trong điều kiện kỵ khí.

Lý thuyết tích lũy photpho sinh học tăng cường (EBPR) dựa trên đặc tính của nhóm vi sinh vật bio-P (chủ yếu thuộc chi Acinetobacter và Pseudomonas). Trong điều kiện hiếu khí, nhóm này hấp thụ photphate đơn và tích lũy polyphotphate trong tế bào với tỷ lệ chiếm từ 6% đến 12% khối lượng khô, cao hơn nhiều so với mức 1,5% đến 2,5% ở các loài vi sinh vật thông thường.

Khái niệm màng sinh học (biofilm) được định nghĩa là tập hợp các tế bào vi sinh vật gắn kết trên giá thể và được bao bọc bởi mạng lưới chất ngoại bào (EPS). Lớp EPS chiếm 50% đến 90% tổng lượng carbon hữu cơ, đóng vai trò kiến tạo vi môi trường bảo vệ, giúp vi khuẩn tăng khả năng chống chịu độc chất và sốc tải trọng cao gấp 1000 lần so với tế bào sống tự do.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng cỡ mẫu gồm 5 mẫu nước thải đại diện. Phương pháp chọn mẫu là lấy mẫu phân tầng có chủ đích, gồm 3 mẫu thu tại tầng giữa, tầng đáy và cửa xả của bể biogas ở Thanh Hóa, cùng 2 mẫu nước rỉ rác lấy tại khu vực bên trong và bên ngoài bãi chôn lấp rác Vạn Phúc, Hà Đông. Cách tiếp cận này đảm bảo thu nhận được các chủng vi sinh vật bản địa đã thích nghi tự nhiên với nồng độ ô nhiễm cao.

Quy trình phân lập sử dụng môi trường khoáng chọn lọc Winogradsky 1 để thu nhận vi khuẩn oxy hóa amoni, môi trường Winogradsky 2 cho vi khuẩn oxy hóa nitrite, và môi trường AMM (Acetate Mineral Medium) cho vi khuẩn tích lũy photpho. Mẫu được nuôi cấy trong tủ ấm ở nhiệt độ 37 độ C trong thời gian từ 3 đến 5 ngày.

Khả năng tạo màng sinh học được đánh giá qua phương pháp nhuộm tím tinh thể 1% và đo độ hấp thụ quang phổ ở bước sóng 570 nm, kết hợp chụp ảnh kính hiển vi điện tử quét SEM để kiểm tra vi cấu trúc không gian 3D.

Nồng độ amoni được phân tích bằng phản ứng tạo màu indophenol blue ở bước sóng 640 nm. Nồng độ nitrite được xác định qua phản ứng Griess tại bước sóng 540 nm, và hàm lượng photpho tổng được đo quang bằng phức chất amonium molydat ở bước sóng 710 nm trên máy quang phổ UV-VIS. Việc định danh chủng tối ưu được thực hiện qua bộ kít sinh hóa API 20NE và giải trình tự gen 16S rRNA trên máy tự động ABI PRISM 3100 Avant.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã ghi nhận các kết quả thực nghiệm nổi bật sau quá trình sàng lọc:

Từ 5 mẫu nước thải ban đầu có nồng độ nitơ tổng dao động từ 71,60 mg/l đến 140,74 mg/l và photpho tổng từ 10,68 mg/l đến 46,05 mg/l, nghiên cứu đã phân lập được 65 chủng vi sinh vật nitrate hóa (gồm 41 chủng trên môi trường Winogradsky 1 và 24 chủng trên Winogradsky 2) cùng 21 chủng vi sinh vật có khả năng tích lũy photpho trên môi trường AMM.

Khả năng tạo màng sinh học của các chủng phân lập có sự khác biệt rõ rệt. Chủng VP1.1 thu được từ nước rỉ rác có khả năng tạo màng mạnh nhất với giá trị mật độ quang học OD570 đạt 4,65; chủng VP2.11 đạt 3,24; trong khi các chủng từ bể biogas như B11.1 đạt giá trị OD570 là 2,775.

Về hiệu suất chuyển hóa amoni từ nồng độ khởi điểm 450 mg/l, chủng B11.11 thể hiện hoạt tính vượt trội khi làm giảm 58,93% hàm lượng amoni sau 5 ngày và đạt hiệu suất phân giải lên tới 85,21% sau 20 ngày nuôi cấy.

Đối với quá trình chuyển hóa nitrite ở nồng độ ban đầu 80 mg/l, hai chủng B21.1 và B21.2 đã chuyển hóa trên 97% lượng nitrite thành nitrate sau chu kỳ 20 ngày, trong khi các chủng còn lại chỉ chuyển hóa khoảng 75%.

Thảo luận kết quả

Diễn biến động học của quá trình chuyển hóa amoni và nitrite có thể được minh họa trực quan qua biểu đồ đường suy giảm nồng độ theo các mốc thời gian 0, 5, 10, 15 và 20 ngày. Dữ liệu này khi kết hợp cùng bảng so sánh chỉ số mật độ quang OD570 giữa các chủng đã phản ánh mối tương quan thuận giữa mật độ tế bào trong màng sinh học và tốc độ làm sạch chất ô nhiễm.

Nguyên nhân giúp chủng B11.11 và B21.2 duy trì hiệu suất xử lý cao ở nồng độ chất ô nhiễm lên tới 450 mg/l là nhờ sự hình thành lớp chất nền ngoại bào EPS dày từ 0,2 đến 1 µm. Mạng lưới này thiết lập các kênh vận chuyển nước và dưỡng chất vi mô, giúp các enzyme trao đổi chất hoạt động ổn định và bảo vệ tế bào khỏi hiện tượng ức chế cơ chất.

So sánh với các nghiên cứu vi sinh vật dạng trôi nổi tự do thường bị giảm hoạt tính khi nồng độ amoni vượt quá 200 mg/l, các chủng vi khuẩn tạo màng sinh học trong đề tài này đã chứng minh tính bền vững sinh học cao hơn rõ rệt. Kết quả nghiên cứu tạo tiền đề vững chắc cho việc ứng dụng công nghệ giá thể bám dính trong các trạm xử lý nước thải công nghiệp.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm chuyển giao và nhân rộng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn xử lý nước thải tại Việt Nam, bốn giải pháp trọng tâm được đề xuất như sau:

Thứ nhất, các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ sinh học cần phối hợp sản xuất chế phẩm vi sinh tạo màng dạng hỗn hợp từ chủng B11.11 và B21.2 trong thời gian 6 đến 12 tháng. Mục tiêu đặt ra là đạt mật độ tế bào sống trên 10^9 CFU/ml, đảm bảo tỷ lệ bao phủ màng sinh học trên giá thể đạt 80% sau 48 giờ vận hành thử nghiệm.

Thứ hai, các trang trại chăn nuôi quy mô lớn cần triển khai mô hình bể phản ứng màng sinh học chuyển động (MBBR) từ quý 2 đến quý 4 năm tới. Hệ thống này hướng tới mục tiêu hạ nồng độ amoni trong nước thải sau biogas từ mức 70 mg/l xuống dưới 5 mg/l và photpho tổng xuống dưới 2 mg/l trước khi xả ra môi trường tiếp nhận.

Thứ ba, các đơn vị vận hành trạm xử lý nước rỉ rác cần tối ưu hóa các thông số vận hành kỹ thuật. Cụ thể, duy trì nhiệt độ nước thải trong khoảng 30 đến 37 độ C, kiểm soát độ pH ổn định ở mức 7,2 đến 7,8 và cung cấp đầy đủ oxy hòa tan để đảm bảo hiệu suất khử nitơ tổng đạt trên 85% trong chu kỳ xử lý liên tục.

Thứ tư, Sở Tài nguyên và Môi trường tại các địa phương cần xây dựng và ban hành tài liệu hướng dẫn kỹ thuật áp dụng công nghệ màng sinh học trong vòng 18 tháng tới. Chính sách này sẽ hỗ trợ các khu xử lý rác thải thay thế dần phương pháp keo tụ hóa học truyền thống, giúp tiết kiệm ít nhất 25% ngân sách xử lý ô nhiễm hàng năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn cung cấp nhiều giá trị thực tiễn và học thuật cho các nhóm đối tượng chuyên môn sau:

Kỹ sư thiết kế và vận hành công trình môi trường: Tiếp cận phương pháp tính toán tải trọng sinh học và lựa chọn giá thể bám dính phù hợp cho các bể xử lý nước thải có nồng độ amoni cao từ 65 đến 450 mg/l.

Chủ doanh nghiệp và ban quản lý trang trại chăn nuôi: Tham khảo giải pháp xử lý dòng thải sau hầm biogas chứa hàm lượng photpho cao tới 46 mg/l với mức chi phí đầu tư ban đầu hợp lý và quy trình vận hành đơn giản.

Học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành công nghệ sinh học: Khai thác quy trình chuẩn về phân lập vi khuẩn trên môi trường Winogradsky, phương pháp định lượng biofilm bằng tím kết tinh và kỹ thuật định danh sinh học phân tử qua gen 16S rRNA.

Cán bộ quản lý nhà nước tại các chi cục bảo vệ môi trường: Bổ sung nguồn số liệu thực nghiệm về mức độ ô nhiễm tại các bãi rác và trang trại để làm căn cứ đánh giá tác động môi trường và xây dựng quy chuẩn kỹ thuật địa phương.

Câu hỏi thường gặp

Xử lý nước thải bằng màng sinh học có ưu điểm gì vượt trội so với phương pháp hóa học? Phương pháp hóa học đòi hỏi lượng lớn hóa chất keo tụ và tạo ra nhiều bùn thải độc hại cần xử lý tiếp. Ngược lại, công nghệ màng sinh học sử dụng vi khuẩn tự nhiên để phân giải triệt để amoni thành khí nitơ, giúp tiết kiệm hơn 30% chi phí vận hành và thích ứng tốt với tình trạng nồng độ ô nhiễm biến động.

Chủng vi sinh vật nào trong luận văn có khả năng xử lý amoni tốt nhất? Chủng B11.11 phân lập từ bể biogas đạt hiệu suất xử lý amoni cao nhất. Chủng này đã phân giải 58,93% lượng amoni sau 5 ngày và đạt tỷ lệ loại bỏ 85,21% sau 20 ngày nuôi cấy trong môi trường có nồng độ amoni ban đầu lên tới 450 mg/l.

Mạng lưới chất ngoại bào EPS có vai trò cụ thể như thế nào đối với vi khuẩn tạo màng? Lớp EPS chiếm từ 50% đến 90% tổng lượng carbon hữu cơ trong màng sinh học. Mạng lưới này đóng vai trò gắn kết các khuẩn lạc, tạo kênh dẫn truyền chất dinh dưỡng và tăng khả năng chịu đựng của vi khuẩn trước các yếu tố bất lợi như nhiệt độ, pH và độc chất cao gấp 1000 lần so với vi khuẩn tự do.

Nước thải rỉ rác và nước thải biogas có sự khác biệt ra sao về thành phần dinh dưỡng ô nhiễm? Nước thải biogas chứa hàm lượng photpho tổng rất cao, đạt mức 46,05 mg/l và amoni ở mức 71,58 mg/l. Trong khi đó, nước rỉ rác có hàm lượng amoni dao động từ 65,14 đến 75,10 mg/l nhưng đi kèm tải lượng chất hữu cơ phức tạp và nhiều tạp chất ức chế sinh học.

Phương pháp nào được sử dụng để định lượng khả năng hình thành màng sinh học của các chủng? Nghiên cứu áp dụng phương pháp nhuộm tế bào bám dính trên thành ống nghiệm bằng dung dịch tím kết tinh 1%. Sau đó, lượng màu bám được hòa tan trong cồn 70% và đo mật độ quang phổ OD ở bước sóng 570 nm để xác định chính xác sinh khối màng.

Kết luận

Các kết quả và đóng góp trọng tâm của luận văn được tổng hợp qua các điểm chính sau:

• Phân lập thành công 65 chủng vi sinh vật chuyển hóa nitơ và 21 chủng vi sinh vật tích lũy photpho từ 5 nguồn nước thải ô nhiễm nặng tại Thanh Hóa và Hà Nội.
• Tuyển chọn được chủng vi khuẩn ưu tú B11.11 đạt hiệu suất khử amoni 85,21% và hai chủng B21.1, B21.2 có khả năng oxy hóa trên 97% nitrite sau 20 ngày.
• Đánh giá định lượng sinh khối màng sinh học với các chỉ số mật độ quang OD570 vượt trội, đạt từ 2,775 đến 4,65 trên bề mặt giá thể nhựa.
• Cung cấp bộ chủng giống vi sinh vật bản địa có hoạt lực cao, đóng góp cơ sở dữ liệu khoa học cho sự phát triển của công nghệ xử lý nước thải giàu chất dinh dưỡng tại Việt Nam.
• Lộ trình 6 đến 18 tháng tới sẽ tập trung thử nghiệm tổ hợp vi sinh vật trên mô hình pilot quy mô 5 m3/ngày nhằm hoàn thiện quy trình ứng dụng công nghiệp.

Các đơn vị quản lý môi trường và doanh nghiệp sản xuất nên chủ động liên hệ hợp tác để thử nghiệm và ứng dụng bộ chủng vi sinh vật tiềm năng này vào hệ thống xử lý nước thải thực tế, hướng tới mục tiêu phát triển bền vững và bảo vệ nguồn tài nguyên nước.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Tình trạng ô nhiễm môi trường nước hiện nay ở Việt Nam và thế giới Hiện nay, ô nhiễm môi trường là vấn đề đang được quan tâm không chỉ ở Việt Nam mà còn ở nhiều quốc gia trên thế giới. Nước thải là một trong những nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường hiện nay. Ô nhiễm nguồn nước không chỉ ảnh hưởng đến môi trường sống của con người, mà còn ảnh hưởng đến đa dạng sinh học, đến môi trường sống của các loài động, thực vật trên trái đất.

Theo báo cáo môi trường Quốc gia năm 2010 của Bộ Tài Nguyên và Môi Trường, từ năm 2007 đến năm 2009, ô nhiễm môi trường nước mặt ở tất cả các chỉ số đều vượt quá tiêu chuẩn cho phép theo QCVN 08:2008. Các chỉ số COD, BOD đều vượt quá tiêu chuẩn từ 5 đến 10 lần. Hàm lượng NH4+ trong môi trường nước mặt của sông Nhuệ, sông Đáy và sông Cầu đều vượt quy chuẩn cho phép QCVN 08:2008/BTNMT cho nước mặt phù hợp với việc bảo tồn động thực vật thủy sinh là là 0,2 mg/l. Năm 2009, hàm lượng NH4+ trong nước sông Nhuệ đo tại Cự Đà trên 10 mg/l vượt quá tiêu chuẩn 50 lần, sông Đáy đo tại Cầu Hoàng 3 mg/l vượt quá tiêu chuẩn 15 lần, sông Cầu đo tại Thái Nguyên trên 22 mg/l vượt quá tiêu chuẩn 110 lần [2].

Theo Mulder, lượng hợp chất nitơ trong chuỗi thức ăn là 15 kg/người/năm, một phần trong đó được con người tiêu thụ, phần lớn được thải ra ngoài môi trường. Tính theo đầu người, mỗi người thải ra 4,75 kg nitơ một năm. Lượng nitơ trong nước thải chiếm 30% lượng nitơ tiêu thụ [41]. Nước thải ở các đô thị chủ yếu ở dạng nitơ hữu cơ và amoni, trong đó 60% ở dạng hữu cơ và 40% ở trạng thái amoni.

Ở Mỹ, hàm lượng nitơ có trong nước thải phụ thuộc vào số dân và lưu lượng nước thải hằng ngày. Lượng nitơ thải vào nguồn nước trung bình là 16 g/người/ngày. Hàm lượng và các loại hợp chất chứa nitơ thay đổi trong từng loại nước thải khác nhau. Hàm lượng nitơ trong nước thải thường dao động trong khoảng 20 đến 85 mg/l trong đó nitơ ở dạng hợp chất hữu cơ trung bình từ 8 đến 35 mg/l, hàm lượng N-NH3 từ 12 đến 50 mg/l [56].

Ngô Thị Kim Toán 3 K19 – Sinh học thực nghiệm LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn thạc sĩ Photpho là yếu tố quan trọng trong quá trình trao đổi chất và năng lượng của sinh vật, khi nồng độ photpho quá cao trong môi trường làm tăng sinh của các loại tảo gây hiện tượng phú dưỡng. Nồng độ photpho trong nước thải trung bình từ 6 đến 20 mg/l. Việc sử dụng các chất tẩy rửa trong sinh hoạt và sản xuất là một trong số các nguyên nhân làm tăng hàm lượng photpho trong nước thải. Trong môi trường nước mặt, nitrate, photphate là hai hợp chất của nitơ và photpho cần thiết cho sự phát triển của rong, tảo.

Hàm lượng photphate trong nguồn nước không ô nhiễm nhỏ hơn 0,01 mg/l. Giá trị này ở sông Mêkông là nhỏ hơn 0,05 mg/l nhưng ở những kênh rạch bị ô nhiễm nước thải do sinh hoạt và công nghiệp hàm lượng photphate có thể lên tới 5 mg/l. Photphate là chất có nhiều trong phân, sản xuất phân lân, thực phẩm, nước thải của các nhà máy chế biến phân lân, chế biến thủy sản. Theo quy định của Hà Lan cũng như tiêu chuẩn của Việt Nam, hàm lượng photphate trong nước uống không được vượt quá 6 mg/l.

Theo tiêu chuẩn của cộng đồng chung châu Âu, trong nước sinh hoạt, hàm lượng photphate không được vượt quá 2,18 mg/l [4]. Nước thải chăn nuôi là một trong những nguyên nhân gây ô nhiễm nguồn nước. Ô nhiễm nước thải chăn nuôi đặc trưng là ô nhiễm hữu cơ, hàm lượng nitơ, photpho cao và vi sinh vật gây bệnh, hàm lượng nitơ tổng số nằm trong khoảng từ 512 đến 594 mg/l, trong đó N-NH3 trong nước thải từ 304 đến 471 mg/l, hàm lượng photpho tổng số dao động trong khoảng từ 13,8 đến 62 mg/l [6]. Ngày nay, cùng với sự phát triển của dân số, rác thải sinh hoạt ngày một gia tăng.

Ở Việt Nam, phương pháp xử lý rác thải chính vẫn là sử dụng các hố chôn lấp. Nước rỉ rác từ các hố chôn lấp tại khu xử lý rác thải gây ảnh hưởng rất lớn đến đời sống của người dân xung quanh, gây ô nhiễm nguồn nước mặt và nước ngầm quanh khu vực. Trong nước thải rỉ rác chứa rất nhiều thành phần độc hại khác nhau trong đó đặc biệt là hàm lượng chất hữu cơ cao. Tổng hàm lượng nitơ trong nước thải rỉ rác dao động trong khoảng từ 200 đến 2000 mg/l, hàm lượng amoni cao, trung bình 200 mg/l, trong khi đó tiêu chuẩn cho phép là 0,2 mg/l[6].

Ngô Thị Kim Toán 4 K19 – Sinh học thực nghiệm LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn thạc sĩ 1. Các phương pháp xử lý ô nhiễm nước thải có chứa hợp chất nitơ, photpho hiện nay Hiện nay có nhiều phương pháp xử lý nước thải được áp dụng như phương pháp cơ học, phương pháp vật lý, phương pháp hóa học, phương pháp sinh học. Tất cả các phương pháp xử lý hiện nay đều có những ưu, nhược điểm. Trong thực tế, quá trình xử lý nước thải cần có sự kết hợp của nhiều phương pháp nhằm nâng cao hiệu quả và giảm thời gian xử lý.

Ví dụ, có thể sử dụng phương pháp cơ học giúp loại bỏ các chất thải có kích thước lớn ban đầu, sau đó có thể áp dụng các phương pháp hóa học, sinh học nhằm loại bỏ các chất độc bảo đảm tính bền vững cho môi trường. Phương pháp hóa học Cơ sở của phương pháp hóa học là dựa trên các phản ứng hóa học. Các phản ứng hóa học được ứng dụng trong xử lý nước thải như phản ứng oxy hóa, phản ứng trung hòa, phản ứng keo tụ… giữa chất ô nhiễm và các hóa chất bổ sung. Xử lý các hợp chất chứa nitơ bằng phương pháp hóa học Quá trình xử lý nước thải chứa nitơ dựa trên nguyên tắc hóa học, nước thải được đưa đến pH trong khoảng từ 10 đến 11 bằng cách thêm vào Ca(OH)2 để tạo thành NH4OH, khi đó amoni chuyển từ trạng thái lỏng sang khí và sau đó được đưa ra ngoài không khí qua các tháp làm lạnh [56].

Cheung và cộng sự đã sử dụng Ca(OH)2 với nồng độ là 10 g/l, sau thời gian xử lý là 24 giờ và ở nhiệt độ từ 20 đến 23oC. Kết quả cho thấy, đã xử lý 65 – 75% NH4+ khi lưu lượng không khí bằng với môi trường, và 86 – 93% NH4+ khi lưu lượng không khí là 5l/ phút [16]. Ozturk và cộng sự đã áp dụng phương pháp này, sau 2 giờ, đã xử lý được 72 – 85% lượng amoni trong nước thải rỉ rác khi bổ sung Ca(OH)2 với hàm lượng là 8 g/l và lưu lượng không khí là 7,6 l/phút. Tuy nhiên phương pháp này có chi phí xử lý cao vì đòi hỏi lượng không khí lớn và lượng Ca(OH)2 sau đó phải được xử lý với H2SO4 trước khi thải ra môi trường [48].

Li và cộng sự đã thử nghiệm một phương pháp để loại bỏ amoni trong nước thải thông qua việc kết tủa amoni dưới dạng (NH4)MgPO4.6H2O khi thêm MgCl2 và Ngô Thị Kim Toán 5 K19 – Sinh học thực nghiệm LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn thạc sĩ Na2HPO4 trong quá trình xử lý. Bằng phương pháp này, với tỷ lệ Mg:NH4:PO4=1:1:1 và pH trong nước từ 8,5 đến 9, nồng độ amoni trong nước thải rỉ rác giảm từ 5.600 mg/l xuống chỉ còn 110 mg/l trong 15 phút [38]. Phương pháp này cũng đã được Yangin và cộng sự áp dụng đối với nước thải sinh hoạt, kết quả đã loại bỏ được 66% lượng amoni trong nước thải và phương pháp này còn có thể ứng dụng cho việc loại bỏ hợp chất chứa photpho trong nước thải [66]. Một phương pháp để xử lý nitơ khác là bổ sung thêm clo vào nước thải trong quá trình xử lý.

Khi cho clo vào nước thải, NH3 sẽ phản ứng với clo dưới dạng HOCl để tạo ra các sản phẩm trung gian là NH2Cl, NHCl2, NCl3. Quá trình xử lý sẽ diễn ra liên tục khi thêm HOCl vào phản ứng để tạo ra sản phẩm cuối cùng là nitơ phân tử [56]. Quá trình này diễn ra phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ, pH, thời gian xử lý và tỷ lệ HOCl/NH3 [49]. Với tỷ lệ HOCl/NH3 được tính theo mol bằng 1 tại pH trong khoảng từ 7 đến 8 tất cả NH3 đều chuyển hóa thành NH2Cl.

Với tỉ lệ HOCl/NH3 bằng 2 sản phẩm chủ yếu là NHCl2, khi tỉ lệ trên bằng 3 thì sản phẩm xử lý tạo ra chủ yếu là NCl3 [3]. Xử lý các hợp chất photpho bằng phương pháp hóa học. Photphate là một trong các hợp chất của photpho chiếm tỷ lệ cao trong nước thải. Quá trình xử lý nước thải có chứa hợp chất photpho bằng phương pháp hóa học dựa trên nguyên tắc chủ yếu là kết tủa photphate với các ion nhôm, sắt, canxi tạo ra các muối có độ tan thấp và tách chúng dưới dạng chất rắn [4], [6].

Phương pháp hóa học được sử dụng trước tiên trong xử lý nước thải là sử dụng kiềm hóa bằng Ca(OH)2. Khi thêm Ca(OH)2 vào nước thải, pH sẽ tăng làm dịch chuyển cân bằng về PO43-. Tỷ lệ Ca/P nằm trong khoảng 1,33 đến 2,0 và ion Ca2+ có khả năng loại bỏ photphate do nó tạo với photphate những hợp chất kém hoà tan. Hydroxy apatit C10(PO4)6(OH)2 không xuất hiện ngay trong quá trình hình thành dù nó là thành phần ổn định nhất về mặt nhiệt động và kém hòa tan nhất trong số các kết tủa của photphate canxi.

Photphate canxi Ca3(PO10)2 vô định hình là dạng có cấu trúc tinh thể không ổn định và có độ tan thấp [4]. Ngô Thị Kim Toán 6 K19 – Sinh học thực nghiệm LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn thạc sĩ Khả năng loại bỏ photphate trong nước thải có hiệu quả cao khi ở pH >10, đặc biệt khi ở pH từ 10,5 đến 11. Đặc điểm của phương pháp dùng Ca(OH)2 là làm tăng độ kiềm của nước, thuận lợi cho phản ứng phân hủy sinh học của NH4+, không đưa anion mới vào nước thải so với cách dùng muối để kết tủa photphate. Ngoài phương pháp sử dụng Ca(OH)2, loại bỏ phosphate bằng phương pháp hóa học có thể bằng việc kết tủa sử dụng muối sắt, nhôm, các muối sắt sử dụng là: FeCl3, FeClSO4, FeSO4 khi bổ sung vào nước thải, sẽ xảy ra quá trình thủy phân tạo ra các phức chất mang điện tích dương như Fe(OH)2+, Fe(OH)2+ và một số dimer, polymer tích điện dương.