Tổng quan luận án
Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu
Ngành chăn nuôi lợn tại Việt Nam giữ vai trò kinh tế quan trọng, hàng năm cung cấp trung bình khoảng 3.000 tấn thịt hơi/năm, chiếm 64% tổng sản lượng thịt các loại vật nuôi trên cả nước. Đi kèm với sự phát triển này là lượng chất thải phát sinh rất lớn, đặc biệt là nước thải chăn nuôi lợn với thể tích ước tính năm 2020 là 75 triệu $\text{m}^3$ (chiếm 65,7% tổng lượng nước thải toàn ngành chăn nuôi). Nước thải chăn nuôi lợn có nồng độ chất hữu cơ (COD, BOD), chất rắn lơ lửng (SS) và các hợp chất nitơ rất cao, vượt nhiều lần quy chuẩn xả thải hiện hành. Trong đó, các hợp chất nitơ là thành phần khó xử lý và đe dọa nghiêm trọng đến hệ sinh thái thủy vực, gây phú dưỡng hóa và gây độc cho sinh vật thủy sinh (ví dụ nồng độ $\text{N-NH}_4^+$ vượt quá $4,26\text{ mg/L}$ gây độc cho tôm sú).
Nước thải chăn nuôi lợn sau bể biogas vẫn chứa nồng độ tổng nitơ ($\text{TN}$) dao động từ $115\text{ mg/L}$ đến $630\text{ mg/L}$. Các công nghệ xử lý sinh học kỵ khí hay đất ngập nước đơn lẻ chỉ xử lý tốt $\text{COD}$ ($80 - 95%$) nhưng hiệu suất loại bỏ $\text{TN}$ còn thấp ($30 - 60%$). Quá trình nitrat hóa truyền thống phụ thuộc vào nhóm vi khuẩn tự dưỡng (Nitrosomonas, Nitrobacter), vốn có tốc độ sinh trưởng chậm, mẫn cảm với môi trường và dễ bị ức chế ở nồng độ amoni cao ($> 500\text{ mg/L}$). Ngược lại, nhóm vi khuẩn nitrat hóa dị dưỡng ($\text{HNB}$) sở hữu ưu thế sinh trưởng nhanh, có khả năng đồng thời nitrat hóa, khử nitrat và xử lý chất hữu cơ trong điều kiện khắc nghiệt (nhiệt độ thấp, nồng độ muối cao, tải lượng amoni lớn). Do đó, khoảng trống nghiên cứu nằm ở việc thực hiện quy trình nghiên cứu có hệ thống: phân lập, tuyển chọn các chủng vi khuẩn nitrat hóa/nitrit hóa dị dưỡng bản địa, khảo sát các đặc tính sinh học trong môi trường nuôi cấy và thử nghiệm tăng cường sinh học vào hệ thống bùn hoạt tính theo mẻ ($\text{SBR}$) để xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau biogas.
Mục tiêu nghiên cứu
- Phân lập và tuyển chọn được một số chủng vi khuẩn dị dưỡng có khả năng chuyển hóa amoni/nitrit từ nước thải sau bể biogas của lò giết mổ và một số trang trại chăn nuôi lợn; đánh giá điều kiện sinh trưởng thích hợp và khả năng chuyển hóa amoni/nitrit của chúng trong môi trường nuôi cấy; xác định mật độ và tỷ lệ phối trộn phù hợp của các chủng phân lập được để xử lý amoni/nitrit trong nước thải chăn nuôi lợn sau bể biogas.
- Đánh giá hiệu quả, xác định được các điều kiện công nghệ phù hợp (tỷ lệ thời gian thiếu khí/hiếu khí, tải trọng $\text{COD}$, tải trọng $\text{TN}$) để xử lý đồng thời chất hữu cơ và các hợp chất nitơ trong nước thải chăn nuôi lợn sau bể biogas bằng công nghệ $\text{SBR}$ kết hợp bổ sung các chủng vi khuẩn nitrit/nitrat hóa phân lập được.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu:
- Nước thải chăn nuôi lợn và nước thải lò mổ sau bể biogas (lấy tại 1 lò mổ và 4 trang trại tại tỉnh Hà Tĩnh để phân lập vi sinh; lấy tại 2 trang trại tại tỉnh Thừa Thiên Huế để thử nghiệm xử lý trên mô hình).
- Các chủng vi khuẩn dị dưỡng có khả năng chuyển hóa amoni và nitrit được phân lập và định danh.
- Mô hình bể phản ứng sinh học theo mẻ ($\text{SBR}$) vận hành chu trình thiếu khí - hiếu khí kết hợp bổ sung chế phẩm vi sinh tuyển chọn.
- Phạm vi không gian và thời gian:
- Địa điểm thực hiện: Phòng thí nghiệm Công nghệ Vi sinh thuộc Trường Cao đẳng Công nghiệp Huế và Công ty Cổ phần Nghiên cứu Khoa học & Chuyển giao Công nghệ Hard Bee Huế.
- Thời gian lấy mẫu thử nghiệm mô hình: Từ tháng 02/2022 đến tháng 12/2022.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Các hướng nghiên cứu trước đây
- Công nghệ đất ngập nước ($\text{ĐNN}$):
- Poach và cộng sự (2004) dùng $\text{ĐNN}$ trồng cỏ nến kết hợp ao xử lý nước thải chăn nuôi lợn, ghi nhận hiệu suất loại bỏ $\text{SS}$ $35 - 51%$, $\text{COD}$ $30 - 50%$, $\text{TN}$ $37 - 51%$, $\text{TP}$ $13 - 26%$.
- Sarmento và cộng sự (2012) thử nghiệm Cyperus sp. (Thủy trúc) với $\text{HRT} = 72\text{ giờ}$, đạt hiệu suất khử $\text{TKN}$ $37,5%$, $\text{TP}$ $28,5%$.
- Zhang và cộng sự (2017) ứng dụng $\text{ĐNN}$ dòng chảy ngầm tại Nhật Bản, khử được $90%\text{ COD}$ và $62%\text{ TN}$.
- Tại Việt Nam, Trương Thị Nga và cộng sự (2010) đánh giá cây rau ngổ (loại bỏ $44,97%\text{ COD}$; $53,60%\text{ TN}$) và bèo tây ($66,10%\text{ COD}$; $64,36%\text{ TN}$). Bùi Thị Kim Anh và cộng sự (2019) sử dụng bãi lọc sậy (Phragmites australis) trên giá thể sỏi, đá vôi, vỏ trấu đạt hiệu suất khử $\text{COD}$ $75%$, $\text{TN}$ $67%$, $\text{N-NH}_4^+$ $74%$.
- Công nghệ xử lý kỵ khí:
- Li và cộng sự (2010) dùng bể $\text{UASB}$ với $\text{COD}$ đầu vào $3.000\text{ mg/L}$, đạt hiệu suất khử $\text{COD}$ $90 - 95%$ và sinh khí metan $9,5 - 13,2\text{ L/ngày}$.
- Yan và cộng sự (2011) vận hành bể $\text{UASB}$ đạt hiệu suất khử $\text{COD}$ $82,36%$, $\text{SS}$ $70%$, nhưng hiệu quả khử $\text{N-NH}_4^+$ và photphat rất thấp.
- Vũ Đình Tôn và cộng sự (2008) đánh giá hầm biogas tại Việt Nam, ghi nhận $\text{BOD}_5$ giảm $75 - 80,8%$, $\text{COD}$ giảm $64,9 - 69,7%$, tuy nhiên $\text{COD}$ và nitơ đầu ra vẫn vượt quy chuẩn nhiều lần.
- Công nghệ xử lý hiếu khí và thiếu - hiếu khí kết hợp:
- Saucedo Terán và cộng sự (2017) dùng bể lọc nhỏ giọt giá thể đá núi lửa đỏ đạt hiệu suất loại bỏ $\text{COD}$ $90 - 96%$.
- Waki và cộng sự (2018) vận hành bùn hoạt tính hiếu khí ở $\text{DO}$ thấp ($0,04 - 0,08\text{ mg/L}$) ghi nhận hiệu suất loại bỏ $\text{TN}$ đạt $64 - 89%$ ở nhiệt độ $10 - 30^\circ\text{C}$, cao hơn rõ rệt so với chế độ $\text{DO}$ cao ($12 - 46%$).
- Nguyễn Hoài Châu và cộng sự (2010) dùng lọc sinh học nhỏ giọt đạt hiệu suất loại bỏ $\text{COD}$ $80%$, $\text{N-NH}_4^+$ $71%$, $\text{TN}$ $64%$.
- Obaja và cộng sự (2003, 2005) vận hành hệ $\text{SBR}$ với $\text{HRT} = 8\text{ giờ}$, $\text{SRT} = 11\text{ ngày}$, đạt hiệu suất khử $\text{N-NH}_4^+$ $99,7%$, $\text{TP}$ $97,3%$ khi bổ sung nguồn cacbon ngoại sinh. Khi $\text{N-NH}_4^+$ đầu vào vượt $500\text{ mg/L}$ ($550\text{ mg/L}$), hiệu suất nitrat hóa giảm còn $90,9%$. Khi dùng chính nước thải làm nguồn cacbon, thời gian chu kỳ kéo dài làm giảm năng suất xử lý amoni từ $1.800\text{ mg/L.ngày}$ xuống $1.300\text{ mg/L.ngày}$.
- Đặng Thị Hồng Phương và cộng sự (2012, 2016) nghiên cứu hệ $\text{SBR}$ và lọc sinh học ngập nước, chỉ ra chu kỳ $6\text{ giờ/mẻ}$ với 2 pha thiếu khí - hiếu khí cho hiệu quả xử lý $\text{COD}$ và $\text{TN}$ ổn định nhất, tải trọng $\text{TN}$ tối ưu là $0,14 - 0,21\text{ kg/m}^3\text{/ngày}$.
- Phan Đỗ Hùng và cộng sự (2013) nghiên cứu hệ $\text{SBR}$ hai chu trình thiếu - hiếu khí cấp nước 2 lần, cho thấy tỷ lệ cấp nước lần đầu 2/3 đạt hiệu suất loại bỏ $\text{TN}$ và $\text{COD}$ cao nhất ($85 - 90%$).
- Lê Sỹ Chính và cộng sự (2018) vận hành lọc sinh học sục khí luân phiên với tỷ lệ hồi lưu $n=1, 2, 3$, nâng hiệu suất khử $\text{TN}$ từ $66 - 71%$ lên $79 - 85%$.
- Nghiên cứu về vi khuẩn nitrat hóa dị dưỡng ($\text{HNB}$):
- Joo và cộng sự (2006) sử dụng Alcaligenes faecalis strain No. 4 xử lý nước thải chăn nuôi lợn hiếu khí, khử hoàn toàn $2.000\text{ mg/L N-NH}_4^+$ và $12.000\text{ mg/L COD}$ với tốc độ xử lý amoni đạt $30\text{ mg/L/h}$.
- Shoda và cộng sự (2014) dùng chủng Alcaligenes faecalis strain No. 4 khử $90 - 100%\text{ N-NH}_4^+$ trong bùn kỵ khí với tốc độ $2,9 - 3,0\text{ kg-N/m}^3\text{/ngày}$ ở độ muối $3%\text{ NaCl}$.
- Yao và cộng sự (2013) bổ sung Bacillus methylotrophicus L7 vào bể $\text{MBR}$ hiếu khí liên tục, đạt hiệu suất khử $\text{COD}$ $96%$, $\text{N-NH}_4^+$ $77,5%$, $\text{TN}$ $53%$.
- Mishra và cộng sự (2015) phân lập Lysinibacillus sp. HT13, Alcaligenes sp. HT15, Proteus sp. HT37 khử $76,6 - 95,74%$ nitơ trong nước thải chế biến cá.
- Ye và cộng sự (2016) bổ sung Providencia rettgeri YL vào bể hiếu khí khử $80 - 97%\text{ N-NH}_4^+$, $72 - 95%\text{ TN}$.
- Yang và cộng sự (2017, 2018) phân lập Acinetobacter spp. và Pseudomonas spp. có khả năng xử lý amoni, nitrit và nitrat với tốc độ khử cực đại lần lượt $7,33$; $6,53$ và $4,53\text{ mg/L/h}$; ứng dụng Acinetobacter sp. TX5 cố định trên giá thể nấm khử $74 - 95%\text{ N-NH}_4^+$, $73 - 93%\text{ TN}$.
- Jin và cộng sự (2019) dùng Klebsiella sp. KSND trong bể lọc sinh học hai giai đoạn hiếu khí - kỵ khí đạt hiệu suất khử $\text{TN}$ trung bình $95,45%$.
Khoảng trống luận án giải quyết
Mặc dù tiềm năng của vi khuẩn nitrat hóa dị dưỡng đã được ghi nhận trên thế giới, các công trình trong nước chủ yếu khảo sát các thông số vận hành thủy lực của hệ thống $\text{SBR}$ hoặc lọc sinh học mà chưa kết hợp chọn lọc các chủng vi khuẩn bản địa có hoạt tính chuyển hóa amoni và nitrit mạnh. Luận án giải quyết mắt xích từ khâu phân lập, định danh phân tử, đánh giá các giới hạn sinh lý - sinh thái (nhiệt độ, pH, $\text{DO}$, độ mặn, nồng độ cơ chất cao) đến việc tối ưu hóa tỷ lệ phối trộn các chủng và tích hợp vào quy trình vận hành $\text{SBR}$ chu trình thiếu khí - hiếu khí để nâng cao hiệu suất xử lý đồng thời $\text{COD}$ và $\text{TN}$.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Khung lý thuyết và phương trình phản ứng
Quá trình chuyển hóa các hợp chất hữu cơ và nitơ trong hệ thống bùn hoạt tính $\text{SBR}$ diễn ra theo các cơ chế sinh hóa sau:
- Oxy hóa chất hữu cơ và tổng hợp tế bào:
$$\text{C}_x\text{H}_y\text{O}_z\text{N} + \text{O}_2 \xrightarrow{\text{VSV}} \text{CO}_2 + \text{NH}_3 + \text{H}_2\text{O} + Q \quad (1-1)$$
$$\text{C}_x\text{H}_y\text{O}_z\text{N} + Q \xrightarrow{\text{VSV}} \text{C}_5\text{H}_7\text{NO}_2 \quad (1-2)$$
$$\text{C}_x\text{H}_y\text{O}_z\text{N} + \text{O}_2 \xrightarrow{\text{VSV}} \text{CO}_2 + \text{NH}_3 + \text{H}_2\text{O} + Q \quad (1-3)$$
- Quá trình nitrat hóa sinh học:
$$\text{NH}_4^+ + 1,5\text{O}_2 \xrightarrow{\text{VSV}} \text{NO}_2^- + 2\text{H}^+ + \text{H}_2\text{O} \quad (1-4)$$
$$\text{NO}_2^- + 0,5\text{O}_2 \xrightarrow{\text{VSV}} \text{NO}_3^- \quad (1-5)$$
$$\text{NH}_4^+ + 2\text{O}_2 \xrightarrow{\text{VSV}} \text{NO}_3^- + 2\text{H}^+ + \text{H}_2\text{O} \quad (1-6)$$
Phương trình có tính đến sinh tổng hợp sinh khối:
$$1,02\text{NH}_4^+ + 1,89\text{O}_2 + 2,02\text{HCO}_3^- \xrightarrow{\text{VSV}} 0,021\text{C}_5\text{H}_7\text{O}_2\text{N} + 1,00\text{NO}_3^- + 1,92\text{H}_2\text{CO}_3 + 1,06\text{H}_2\text{O} \quad (1-7)$$
(Quy chuẩn tính toán: $1\text{ g N-NH}_4^+$ tiêu thụ $4,3\text{ g O}_2$ và $7,2\text{ g}$ độ kiềm quy về $\text{CaCO}_3$).
- Quá trình khử nitrat sinh học:
$$6\text{NO}_3^- + 5\text{CH}_3\text{OH} \xrightarrow{\text{VSV}} 3\text{N}_2 + 5\text{CO}_2 + 7\text{H}_2\text{O} + 6\text{OH}^- \quad (1-8)$$
$$8\text{NO}_3^- + 5\text{CH}_3\text{COOH} \xrightarrow{\text{VSV}} 4\text{N}_2 + 10\text{CO}_2 + 6\text{H}_2\text{O} + 8\text{OH}^- \quad (1-9)$$
$$8\text{NO}_3^- + 5\text{CH}_4 \xrightarrow{\text{VSV}} 4\text{N}_2 + 5\text{CO}_2 + 6\text{H}2\text{O} + 8\text{OH}^- \quad (1-10)$$
$$10\text{NO}3^- + \text{C}{10}\text{H}{19}\text{O}_3\text{N} \xrightarrow{\text{VSV}} 5\text{N}_2 + 10\text{CO}_2 + 3\text{H}_2\text{O} + \text{NH}_3 + 10\text{OH}^- \quad (1-11)$$
Tính kèm sinh tổng hợp:
$$\text{NO}_3^- + 1,08\text{CH}_3\text{OH} + 0,24\text{H}_2\text{CO}_3 \xrightarrow{\text{VSV}} 0,056\text{C}_5\text{H}_7\text{NO}_2 + 0,47\text{N}_2 + 1,68\text{H}_2\text{O} + \text{HCO}_3^- \quad (1-12)$$
Phương pháp phân lập, nuôi cấy và định danh
- Nguồn mẫu: Nước thải sau biogas lấy tại 5 cơ sở ở Hà Tĩnh (A1: Lò mổ Tân Giang; A2: Trang trại Hoàng Hải Trọng; A3: Trang trại Phạm Đình Lương; A4: Trang trại Trần Văn Sơn; A5: Trang trại Hoàng Văn Thư).
- Nuôi cấy phân lập: Pha loãng mẫu từ $10^{-1}$ đến $10^{-5}$ bằng nước cất vô trùng trong tủ cấy. Môi trường khoáng phân lập vi khuẩn chuyển hóa amoni gồm: $\text{MgCl}_2$ ($0,5\text{ g/L}$), $\text{K}_2\text{HPO}_4$ ($1,0\text{ g/L}$), $(\text{NH}_4)_2\text{SO}_4$ ($2,0\text{ g/L}$), $\text{NaCl}$ ($1,0\text{ g/L}$), $\text{FeCl}_3$ ($0,02\text{ g/L}$), $\text{NaHCO}_3$ ($1,0\text{ g/L}$), $\text{pH } 7,2 - 7,4$. Môi trường khoáng phân lập vi khuẩn chuyển hóa nitrit gồm: $\text{NaNO}_2$ ($1,0\text{ g/L}$), $\text{Na}_2\text{CO}_3$ ($1,0\text{ g/L}$), $\text{NaCl}$ ($0,5\text{ g/L}$), $\text{K}_2\text{HPO}_4$ ($0,5\text{ g/L}$), $\text{MgSO}_4\cdot 7\text{H}_2\text{O}$ ($0,4\text{ g/L}$), $\text{pH } 8,3 - 8,8$. Sử dụng thạch có nhiệt độ nóng chảy thấp của Lonza ($2\text{ g/L}$).
- Kiểm tra hoạt tính: Kiểm tra định tính amoni bằng thuốc thử Nessler và nitrit bằng thuốc thử Griess hàng ngày trong 5 ngày nuôi cấy ở $37^\circ\text{C}$.
- Định danh sinh học phân tử: Chiết tách $\text{DNA}$ bằng bộ kit Macherey-Nagel, tinh sạch bằng kit Promega. Khuếch đại gen 16S rRNA trên máy Bio-Rad T100 Thermal Cycler với cặp mồi $27\text{F}$ và $1492\text{R}$. Điện di kiểm tra trên hệ Mini Sub Cell GT (Bio-Rad) và phân tích ảnh gel trên Gel OmniDOC Cleaver Scientific. Giải trình tự Sanger trên máy Applied Biosystems. Xây dựng cây phát sinh loài bằng phần mềm MEGA6 (thuật toán Neighbor Joining, căn chỉnh chuỗi bằng ClustalW).
[Mẫu nước thải sau biogas]
[Cấy vào môi trường khoáng chọn lọc + Thạch Lonza]
[Sàng lọc định tính bằng thuốc thử Nessler / Griess]
[Nhuộm Gram & Chiết tách DNA (Macherey-Nagel)]
[Giải trình tự Sanger & Phân tích MEGA6 / BLAST]
[Định danh 6 chủng vi khuẩn (4 chủng amoni + 2 chủng nitrit)]
Phương pháp phân tích các chỉ tiêu môi trường
| TT |
Thông số |
Đơn vị |
Thiết bị / Phương pháp tiêu chuẩn |
Sai số / Giới hạn đo |
| 1 |
$\text{pH}$ |
- |
Máy đo pH để bàn Toledo (Thụy Sỹ) |
$0 - 14 \pm 0,01$ |
| 2 |
Nhiệt độ |
$^\circ\text{C}$ |
Máy đo EXTECH (Trung Quốc) |
$0 - 50^\circ\text{C} \pm 0,5^\circ\text{C}$ |
| 3 |
$\text{DO}$ |
$\text{mg/L}$ |
Máy đo oxy hòa tan HI9146 |
Thang đo $0,00\text{ ppm} \pm 1,5%$ |
| 4 |
Độ muối ($\text{NaCl}$) |
‰ |
Máy đo EXTECH (Trung Quốc) |
$0 - 70‰ \pm 2%$ |
| 5 |
Amoni ($\text{N-NH}_4^+$) |
$\text{mg/L}$ |
Máy quang phổ MARTINI (Hungary) |
$0,00 - 9,99\text{ mg/L} \pm 0,01\text{ mg/L}$ |
| 6 |
Nitrit ($\text{N-NO}_2^-$) |
$\text{mg/L}$ |
Máy đo Hanna (Romania) |
$0,000 - 0,600\text{ mg/L} \pm 0,001\text{ mg/L}$ |
| 7 |
Nitrat ($\text{N-NO}_3^-$) |
$\text{mg/L}$ |
Máy đo Hanna (Romania) |
$0,0 - 30,0\text{ mg/L} \pm 0,1\text{ mg/L}$ |
| 8 |
Tổng nitơ ($\text{TN}$) |
$\text{mg/L}$ |
Phương pháp tiêu chuẩn SMEWW 4500-N.C |
- |
| 9 |
$\text{COD}$ |
$\text{mg/L}$ |
Phương pháp tiêu chuẩn SMEWW 5220 |
- |
| 10 |
Mật độ vi sinh |
$\text{CFU/mL}$ |
Đếm khuẩn lạc trên đĩa petri thạch: $\text{CFU/mL} = A \times \frac{1}{K} \times \frac{1}{V}$ |
$A$: số khuẩn lạc; $V$: thể tích; $K$: độ pha loãng |
| 11 |
Chỉ số thể tích bùn |
$\text{mL/g}$ |
$\text{SVI} = \frac{\text{SV}_{30} \times 1000}{\text{MLSS}}$ |
$\text{SV}{30}$, $\text{SV}{15}$ đo bằng ống đong $1\text{ L}$; $\text{MLSS}$ sấy ở $105^\circ\text{C}$ |
Nội dung chính theo từng chương
Nội dung 1: Phân lập, định danh và chọn lọc các chủng vi khuẩn chuyển hóa amoni và nitrit
Tác giả đã thu thập mẫu nước thải sau biogas tại 1 lò mổ và 4 trang trại chăn nuôi lợn tại Hà Tĩnh có đặc tính ô nhiễm cao ($\text{COD}$ từ $1.440$ đến $1.850\text{ mg/L}$; $\text{N-NH}_4^+$ từ $370$ đến $410\text{ mg/L}$; $\text{TN}$ từ $390$ đến $545\text{ mg/L}$; $\text{pH } 6,7 - 7,5$).
Qua các bước pha loãng tới $10^{-5}$, cấy trên môi trường khoáng tổng hợp và sàng lọc bằng phản ứng đổi màu với thuốc thử Nessler và Griess, nghiên cứu đã chọn lọc được 6 chủng vi khuẩn dị dưỡng thuần khiết có hoạt lực mạnh:
- 4 chủng chuyển hóa amoni: Bacillus megaterium HT1, Bacillus licheniformis HT1, Bacillus subtilis HT1 và Pseudomonas aeruginosa HT1.
- 2 chủng chuyển hóa nitrit: Lactobacillus fermentum HT2 và Pseudomonas stutzeri (trong văn bản ghi Pseudomonas stuzeri HT2).
Tất cả 6 chủng đều có khả năng chuyển hóa hoàn toàn amoni và nitrit ở nồng độ cao lên tới $\le 750\text{ mg/L}$ sau $4 - 5\text{ ngày}$ nuôi cấy trong môi trường khoáng nhân tạo.
Nội dung 2: Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố môi trường đến sinh trưởng và chuyển hóa của các chủng vi khuẩn
Các thí nghiệm nuôi lắc bình tam giác dung tích $250\text{ mL}$ ($100\text{ mL}$ môi trường khoáng, mật độ ban đầu $10^6\text{ CFU/mL}$, nồng độ cơ chất $50\text{ mg/L}$) đã xác lập giới hạn sinh lý của các chủng:
- Ảnh hưởng của $\text{pH}$ (dải khảo sát 5,0; 6,0; 7,0; 8,0; 8,5): Xác định khoảng pH tối ưu cho hoạt động chuyển hóa amoni và nitrit của các chủng là từ $7,0$ đến $8,0$.
- Ảnh hưởng của nhiệt độ (5; 30; 37; 45; 50 $^\circ\text{C}$): Dải nhiệt độ tối ưu cho sinh trưởng và chuyển hóa đạt được ở $30 - 37^\circ\text{C}$. Tại $5^\circ\text{C}$ và $50^\circ\text{C}$, tốc độ chuyển hóa giảm đáng kể nhưng các chủng vẫn duy trì sự sống.
- Ảnh hưởng của oxy hòa tan ($\text{DO}$ khảo sát 0,1; 4,5; 7,0 $\text{mg/L}$ trong bình kín Schott Duran có van cao su septa): Các chủng thể hiện tính thích ứng cao khi chuyển hóa tốt ở cả điều kiện hiếu khí ($\text{DO } 4,5 - 7,0\text{ mg/L}$) lẫn điều kiện thiếu khí nghèo oxy ($\text{DO } \ge 0,1\text{ mg/L}$).
- Ảnh hưởng của độ muối ($\text{NaCl}$ 1,0; 3,0; 5,0%): Các chủng vi khuẩn sinh trưởng và duy trì khả năng chuyển hóa amoni/nitrit tốt ở nồng độ muối $\le 3%$, phù hợp với xử lý nước thải tại các trang trại ven biển có nguồn nước ngầm nhiễm mặn.
Nội dung 3: Xác định mật độ vi sinh và tỷ lệ phối trộn các chủng
- Khảo sát dải mật độ vi sinh từ $10^3$ đến $10^6\text{ CFU/mL}$ trong nước thải chăn nuôi lợn sau biogas thực tế; mật độ $10^6\text{ CFU/mL}$ cho tốc độ và hiệu suất chuyển hóa cơ chất cao và ổn định nhất.
- Đánh giá so sánh đơn chủng và tổ hợp đa chủng: Việc kết hợp tổ hợp các chủng vi khuẩn cho hiệu quả xử lý amoni và nitrit vượt trội so với sử dụng từng đơn chủng riêng lẻ.
- Thử nghiệm các tỷ lệ phối trộn giữa nhóm chuyển hóa amoni và nhóm chuyển hóa nitrit ở các tỷ lệ $(1:0)$, $(1:1)$, $(2:1)$, $(3:1)$ cho thấy: Tỷ lệ phối trộn $2:1$ là tối ưu để loại bỏ đồng thời chất hữu cơ và nitơ.
- Nhóm chuyển hóa amoni phối trộn theo tỷ lệ B. megaterium HT1 : B. licheniformis HT1 : B. subtilis HT1 là $1:1:1$.
- Nhóm chuyển hóa nitrit phối trộn theo tỷ lệ L. fermentum HT2 : P. stuzeri HT2 là $1:1$.
Nội dung 4: Thử nghiệm xử lý nước thải sau biogas bằng hệ thống SBR kết hợp bổ sung vi sinh
Nghiên cứu vận hành hệ thống $\text{SBR}$ quy mô phòng thí nghiệm xử lý nước thải lấy từ 2 trang trại ở Thừa Thiên Huế (cơ sở B1 và B2) kết hợp bổ sung hỗn hợp vi khuẩn tỷ lệ $2:1$:
- Ảnh hưởng của tỷ lệ thời gian sục khí / ngừng sục khí: Thử nghiệm ở 3 chế độ (100 phút sục / 100 phút ngừng; 130 phút sục / 70 phút ngừng; 160 phút sục / 40 phút ngừng). Hiệu suất khử $\text{COD}$ đạt từ $68%$ đến $85%$. Hiệu suất xử lý $\text{TN}$ đạt cao nhất ở khoảng $64 - 72%$. Chế độ $130\text{ phút sục / } 70\text{ phút ngừng}$ cho kết quả tối ưu, đưa nồng độ $\text{TN}$ nước thải đầu ra đạt Cột B của QCVN 62-MT:2016/BTNMT.
- Ảnh hưởng của tải trọng nitơ ($\text{NLR}$): Khi tăng tải trọng tổng nitơ trong khoảng từ $0,15$ đến $0,30\text{ kg-N/m}^3\text{/ngày}$, hiệu suất xử lý $\text{TN}$ của hệ thống giảm dần từ $75%$ xuống $63%$.
Kết quả và những đóng góp mới
Đóng góp mới về mặt khoa học
- Cung cấp dẫn liệu khoa học có hệ thống về 6 chủng vi khuẩn dị dưỡng phân lập từ nước thải chăn nuôi lợn và lò mổ sau biogas tại Việt Nam thuộc các chi Bacillus, Pseudomonas và Lactobacillus.
- Chứng minh khả năng chuyển hóa amoni và nitrit hoàn toàn ở nồng độ cao ($\le 750\text{ mg/L}$) trong điều kiện môi trường nghèo dinh dưỡng (môi trường khoáng), nồng độ oxy hòa tan thấp ($\text{DO } \ge 0,1\text{ mg/L}$) và độ muối lên tới $3%$. Kết quả góp phần khẳng định sự phong phú và tiềm năng ứng dụng của nhóm vi khuẩn nitrat hóa dị dưỡng trong việc xử lý nitơ mà không phụ thuộc hoàn toàn vào nhóm tự dưỡng mẫn cảm.
Đóng góp mới về mặt thực tiễn
- Thiết lập công thức phối trộn tối ưu giữa nhóm vi khuẩn amoni hóa và nhóm vi khuẩn nitrit hóa theo tỷ lệ $2:1$ (gồm 3 chủng Bacillus tỷ lệ $1:1:1$ và 2 chủng Lactobacillus/Pseudomonas tỷ lệ $1:1$) với mật độ cấy thích hợp $10^6\text{ CFU/mL}$.
- Xác lập các thông số công nghệ vận hành cho hệ $\text{SBR}$ chu trình thiếu - hiếu khí bổ sung chế phẩm vi sinh: chu kỳ sục khí/ngừng sục khí tối ưu là $130\text{ phút / } 70\text{ phút}$, hiệu suất xử lý $\text{COD}$ đạt $68 - 85%$, $\text{TN}$ đạt $64 - 72%$, giúp chất lượng nước thải sau xử lý đạt Cột B của QCVN 62-MT:2016/BTNMT trong điều kiện tải trọng nitơ từ $0,15 - 0,30\text{ kg-N/m}^3\text{/ngày}$.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế
- Các thí nghiệm công nghệ $\text{SBR}$ kết hợp bổ sung vi sinh mới được thực hiện ở quy mô phòng thí nghiệm, sử dụng mẫu nước thải lấy theo mẻ hàng ngày tại 2 trang trại trên địa bàn tỉnh Thừa Thiên Huế.
- Nghiên cứu tập trung khảo sát các thông số công nghệ chính ($\text{COD}$, $\text{TN}$, $\text{N-NH}_4^+$, $\text{N-NO}_2^-$, $\text{N-NO}_3^-$) mà chưa đi sâu đánh giá sự thay đổi và tương tác lâu dài của cấu trúc quần xã vi sinh vật bản địa trong bùn hoạt tính theo thời gian lưu bùn ($\text{SRT}$) dài ngày.
Hướng nghiên cứu tiếp
- Mở rộng thử nghiệm mô hình $\text{SBR}$ tăng cường sinh học ở quy mô pilot và quy mô thực tế tại các trang trại chăn nuôi lợn công nghiệp.
- Nghiên cứu công nghệ sản xuất sinh khối, kỹ thuật tạo chất mang hoặc bao gói vi sinh vật để duy trì mật độ và hoạt tính ổn định của các chủng vi khuẩn trong điều kiện lưu thông thương mại và vận hành liên tục.
Giá trị tham khảo
- Đối với nghiên cứu sinh và học viên chuyên ngành Kỹ thuật Môi trường / Công nghệ Sinh học: Cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về quy trình phân lập vi khuẩn chuyển hóa nitơ bằng môi trường khoáng tổng hợp, kỹ thuật định danh sinh học phân tử qua gen 16S rRNA và phương pháp đánh giá hoạt tính enzyme/cơ chất bằng các chỉ số quang phổ.
- Đối với kỹ sư thiết kế và quản lý trạm xử lý nước thải chăn nuôi: Cung cấp thông số thiết kế thực nghiệm về tỷ lệ phân chia thời gian các pha thiếu khí - hiếu khí trong bể $\text{SBR}$ ($130\text{ phút sục / } 70\text{ phút ngừng}$), mức tải trọng nitơ chịu tải ($0,15 - 0,30\text{ kg-N/m}^3\text{/ngày}$) và định lượng chế phẩm vi sinh cấy bổ sung nhằm khắc phục hiện tượng ức chế nitrat hóa khi amoni đầu vào cao.
Câu hỏi thường gặp
1. Nồng độ tổng nitơ (TN) và amoni trong nước thải chăn nuôi lợn sau biogas là bao nhiêu?
Theo các số liệu khảo sát và tổng quan trong luận án, nồng độ $\text{TN}$ trong nước thải chăn nuôi lợn sau bể biogas dao động từ $115\text{ mg/L}$ đến $630\text{ mg/L}$. Tại các trang trại khảo sát ở Hà Tĩnh, nồng độ $\text{COD}$ sau biogas dao động từ $1.440 - 1.850\text{ mg/L}$, $\text{N-NH}_4^+$ từ $370 - 410\text{ mg/L}$ và $\text{TN}$ từ $390 - 545\text{ mg/L}$, vượt nhiều lần quy chuẩn xả thải QCVN 62-MT:2016/BTNMT.
2. Luận án đã phân lập và định danh được những chủng vi khuẩn cụ thể nào?
Luận án đã phân lập và định danh được 6 chủng vi khuẩn dị dưỡng:
- 4 chủng chuyển hóa amoni: Bacillus megaterium HT1, Bacillus licheniformis HT1, Bacillus subtilis HT1 và Pseudomonas aeruginosa HT1.
- 2 chủng chuyển hóa nitrit: Lactobacillus fermentum HT2 và Pseudomonas stutzeri (trong văn bản ghi Pseudomonas stuzeri HT2).
3. Khả năng chịu đựng các điều kiện môi trường khắc nghiệt của các chủng vi khuẩn phân lập ra sao?
Các chủng vi khuẩn phân lập có khả năng chuyển hóa hoàn toàn nồng độ amoni và nitrit lên tới $\le 750\text{ mg/L}$ sau $4 - 5\text{ ngày}$ trong môi trường khoáng nghèo dinh dưỡng. Chúng hoạt động tốt ở dải $\text{pH } 7,0 - 8,0$, nhiệt độ $30 - 37^\circ\text{C}$, thích nghi ở điều kiện thiếu oxy ($\text{DO } \ge 0,1\text{ mg/L}$) lẫn hiếu khí ($\text{DO } 4,5 - 7,0\text{ mg/L}$) và chịu được độ muối $\text{NaCl} \le 3%$.
4. Tỷ lệ phối trộn vi sinh tối ưu được xác định trong luận án là gì?
Tỷ lệ phối trộn tối ưu giữa nhóm vi khuẩn chuyển hóa amoni và nhóm vi khuẩn chuyển hóa nitrit là $2:1$ với mật độ vi sinh đạt $10^6\text{ CFU/mL}$. Trong đó:
- Nhóm chuyển hóa amoni gồm B. megaterium HT1 : B. licheniformis HT1 : B. subtilis HT1 theo tỷ lệ $1:1:1$.
- Nhóm chuyển hóa nitrit gồm L. fermentum HT2 : P. stuzeri HT2 theo tỷ lệ $1:1$.
5. Chế độ vận hành bể SBR nào giúp nước thải đạt quy chuẩn xả thải?
Chế độ sục khí luân phiên với tỷ lệ thời gian sục khí / ngừng sục khí là $130\text{ phút / } 70\text{ phút}$ cho hiệu suất xử lý $\text{COD}$ đạt $68 - 85%$ và $\text{TN}$ đạt $64 - 72%$. Nồng độ $\text{TN}$ trong nước thải sau xử lý ở chế độ này đạt Cột B của QCVN 62-MT:2016/BTNMT trong khoảng tải trọng nitơ từ $0,15$ đến $0,30\text{ kg-N/m}^3\text{/ngày}$.
Kết luận
Luận án của nghiên cứu sinh Nguyễn Hữu Đồng đã giải quyết bài toán xử lý hàm lượng nitơ cao trong nước thải chăn nuôi lợn sau bể biogas bằng việc tích hợp các chủng vi khuẩn nitrat hóa/nitrit hóa dị dưỡng vào công nghệ $\text{SBR}$. Sáu chủng vi khuẩn thuộc các chi Bacillus, Pseudomonas, Lactobacillus đã được phân lập, định danh và chứng minh khả năng chuyển hóa amoni/nitrit vượt trội trong điều kiện khắc nghiệt. Việc thiết lập tỷ lệ phối trộn vi sinh $2:1$ kết hợp với chế độ vận hành $\text{SBR}$ $130\text{ phút sục / } 70\text{ phút ngừng}$ cung cấp cơ sở kỹ thuật thực nghiệm để xử lý đồng thời chất hữu cơ và nitơ đạt quy chuẩn môi trường.
