Đánh giá khả năng loại bỏ amon trong nước thải sơ chế cao su thiên nhiên của chủng acinetobacter johnsonii h1

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘIĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đánh giá khả năng loại bỏ amon trong nước thải sơ chế cao su thiên nhiên của chủng Acinetobacter johnsonii H1 HỒ ANH DŨNG dung.ha190321@sis.hu

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đánh giá khả năng loại bỏ amon

trong nước thải sơ chế cao su thiên nhiên

của chủng Acinetobacter johnsonii H1

HỒ ANH DŨNG

dung.ha190321@sis.hust.edu.vn

Ngành Kỹ thuật Sinh học

Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Nguyễn Lan Hương

Chữ ký của GVHD

ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP

Ngành: Kỹ thuật Sinh học

1 Đề tài nghiên cứu: Đánh giá khả năng loại bỏ amon trong nước thải sơ chế cao

su thiên nhiên của chủng Acinetobacter johnsonii H1

2 Nội dung nghiên cứu:

- Khảo sát đặc tính nước thải sơ chế cao su thiên nhiên;

- Đánh giá các điều kiện ảnh hưởng đến khả năng chuyển hoá N – NH4+ của

chủng A johnsonii H1;

- Khảo sát khả năng chuyển hoá N – NH4+ trong môi trường nước thải sơ

chế cao su thiên nhiên của chủng A johnsonii H1;

3 Họ tên cán bộ hướng dẫn: PGS TS Nguyễn Lan Hương

4 Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 6/2/2023

LỜI CẢM ƠN

Lời đâu tiên em xin đặc biệt gửi cảm ơn sâu sắc tới PGS TS Nguyễn LanHương – Viện Công nghệ Sinh học và Công nghệ Thực phẩm – Đại học Báchkhoa Hà Nội đã giảng dạy và tận tình hướng dẫn, chỉ bảo trong suốt quá trình họctập, nghiên cứu và hoàn thành đồ án này

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Viện Công nghệ Sinh học vàCông nghệ Thực phẩm cũng như các thầy cô Đại học Bách khoa Hà Nội vì đãhướng dẫn, chỉ bảo tận tình cho em trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu

Em cũng xin gửi lời cảm ơn trân trọng tới Ths Trần Minh Đức, nghiên cứuviên tại phòng thí nghiệm D2A khi đã hướng dẫn, hỗ trợ em tận tình trong cả quátrình học tập và nghiên cứu

Ngoài ra, em cũng xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã luôn giúp đỡ

và động viên để hoàn thành đồ án, đặc biệt là các anh chị, bạn bè và các em cùnglàm việc tại phòng thí nghiệm D2A đã luôn giúp đỡ, tạo điều kiện cho em trongsuốt quá trình học tập, nghiên cứu

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng năm 2023

Sinh viên

Hồ Anh Dũng

TÓM TẮT

Hiện nay, Việt Nam đang là nước đứng thứ 3 trên thế giới về sản lượngtheo báo cáo của Tổng cục Thống kê, năm 2021 tổng diện tích trồng cây cao sutại Việt Nam đạt 930,5 ngàn hecta, trong đó có 752,2 ngàn hecta được thu hoạchđạt sản lượng 1271,9 ngàn tấn Bên cạnh những lợi ích về kinh tế, tạo công ănviệc làm cho người lao động thì ngành sản xuất cao su đang phải đối mặt với cácvấn đề về ô nhiễm môi trường Nước thải sơ chế cao su thiên nhiên có chứa nồng

độ cao các hợp chất hữu cơ, amon và nhiều chất gây ô nhiễm khác Nước thảihiện nay thường được xử lý bằng hệ thống kỵ khí – hiếu khí có hiệu suất loại bỏnhu cầu oxy hóa học cao Tuy nhiên, khả năng loại bỏ amon của các hệ thốngnày bị hạn chế khiến cho nước thải đầu ra có hàm lượng amon cao Công nghệlọc nhỏ giọt qua lớp vật liệu xốp (DHS) được ứng dụng để xử lý amon trongnước thải và cho thấy rất nhiều ưu điểm Trong thiết bị diễn ra đồng thời hai quátrình nitrat hóa – phản nitrat bởi vi khuẩn nitrat hóa dị dưỡng Việc ứng dụngchủng vi sinh vật có khả năng xử lý nitrat và phản nitrat đồng thời trong điềukiện hiếu khí là một hướng mới trong xử lý nước thải ô nhiễm nitơ ở nồng độ

cao Trong nghiên cứu này, chủng Acinetobacter johnsonii H1 – một chủng vi

khuẩn nitrat hoá dị dưỡng được phân lập từ bùn hoạt tính của thiết bị DHS chothấy tiềm năng ứng dụng trong việc xử lý nước thải ô nhiễm amon, đặc biệt lànước thải cao su thiên nhiên Khảo sát đặc tính của nước thải cao su thiên nhiênthấy được rằng nước thải bị ô nhiễm rất cao, các chỉ tiêu như COD, TN, N –

NH4 lần lượt là 16920 ± 70 mg/L, 1780 ± 70 mg/L và 1490,50±33,21 mg/L vượt

quá quy chuẩn thải QCVN 01–MT:2015/BTNMT Chủng A johnsonii H1 có khả

năng chuyển hoá N – NH4 cao trong môi trường nhân tạo với điều kiện ban đầu:mật độ giống OD600nm = 0,5 trở lên, hàm lượng N – NH4 lên đến 300 mg/L, pH 6– 9, tỉ lệ C/N 2 – 5 Tại điều kiện mật độ giống ban đầu OD600nm = 0,5, tỉ lệ C/N =

2, pH = 7, chủng A johnsonii H1 có khả năng chuyển hoá 99,69% lượng N –

NH4+ sau 16h Trong môi trường nước thải sơ chế cao su thiên nhiên, hiệu suấtchuyển hoá N – NH4+ của chủng H1 đạt tối đa 40,07% Đồng thời, hiệu suất loại

bỏ TN và COD tối đa của chủng H1 lần lượt là 36,09% và 55,64%

Từ khoá: Vi khuẩn nitrat hóa dị dưỡng, công nghệ lọc nhỏ giọt qua lớp vậtliệu xốp, loại bỏ amon, nước thải chế biến cao su thiên nhiên

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN

TÓM TẮT

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ

DANH MỤC BẢNG BIỂU

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

LỜI MỞ ĐẦU

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về nước thải cao su thiên nhiên 9

1.1.1 Ngành công nghiệp sản xuất cao su tại Việt Nam 9

1.1.2 Nguồn phát sinh nước thải cao su thiên nhiên 11

1.1.3 Đặc tính nước thải cao su thiên nhiên 12

1.2 Phương pháp xử lý ô nhiễm nitơ trong nước thải sơ chế cao su thiên nhiên .14

1.2.1 Phương pháp hoá học 14

1.2.2 Phương pháp sinh học 14

1.3 Chu trình nitơ và các quá trình diễn ra 17

1.3.1 Chu trình nitơ 17

1.3.2 Vi khuẩn tham gia quá trình nitrat hoá 18

1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chuyển hoá amon trong nước thải cao su thiên nhiên 21

1.4.1 Ảnh hưởng của mật độ giống 21

1.4.2 Ảnh hưởng của hàm lượng amon 21

1.4.3 Ảnh hưởng của pH 22

1.4.4 Ảnh hưởng của tỉ lệ C/N 22

CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP

2.1 Vật liệu 24

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 24

2.2.2 Khảo sát đặc tính nước thải 27

2.2.3 Đánh giá các điều kiện ảnh hưởng đến khả năng chuyển hoá N – NH4+ của chủng A johnsonii H1 27

2.2.4 Khảo sát khả năng chuyển hoá N – NH4+ trong môi trường nước thải sơ chế cao su thiên nhiên 28

2.3 Phương pháp phân tích 28

2.3.1 Xác định pH 28

2.3.2 Xác định hàm lượng sinh khối 29

2.3.3 Xác định hàm lượng NH4+ trong nước 29

2.3.4 Xác định nhu cầu oxi hoá hoá học (COD) 29

2.3.5 Xác định hàm lượng tổng số nitơ (TN) 29

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1 Đặc tính nước thải sơ chế cao su thiên nhiên 30

3.2 Ảnh hưởng của các điều kiện tới khả năng chuyển hoá N – NH4+ của chủng A johnsonii H1 31

3.2.1 Ảnh hưởng của mật độ giống tới khả năng chuyển hoá N – NH4+ .31

3.2.2 Ảnh hưởng của hàm lượng N – NH4 tới khả năng chuyển hoá N – NH4+ 32

3.2.3 Ảnh hưởng của pH tới khả năng chuyển hoá N – NH4+ 34

3.2.4 Ảnh hưởng của tỉ lệ C/N tới khả năng chuyển hoá N – NH4 35

3.3 Khảo sát khả năng chuyển hoá N – NH4 trong môi trường nước thải sơ chế cao su thiên nhiên của chủng A johnsonii H1 36

KẾT LUẬN

KIẾN NGHỊ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC 1

PHỤ LỤC 2

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Diện tích, sản lượng của cây cao su tại Việt Nam giai đoạn 2011 –

2022 [3] 9

Hình 1.2 Sản lượng một số sản phẩm từ cao su [3] 10

Hình 1.3 Quy trình sản xuất cao su [6][5] 11

Hình 1.4 Các quá trình xảy ra trong hệ thống DHS [24] 16

Hình 1.5 Chu trình nitơ [33] [34] 17

Hình 1.6 Hình thái khuẩn lạc và tế bào của chủng A johnsonii H1 20

Hình 2.1 Mẫu nước thải cao su sau quá trình đánh đông cao su 24

Hình 2.2 Sơ đồ đánh đông mủ cao su [7] [12] 26

Hình 2.3 Sơ đồ nghiên cứu 27

Hình 3.1 Ảnh hưởng của mật độ giống tới khả năng chuyển hoá N – NH4 + 31

Hình 3.2 Ảnh hưởng của hàm lượng N – NH4 + tới khả năng 32

Hình 3.3 Ảnh hưởng của pH tới khả năng chuyển hoá N – NH4 + 34

Hình 3.4 Ảnh hưởng của tỉ lệ C/N tới khả năng chuyển hoá N – NH4 + 35

Hình 3.5 Đánh giá khả năng chuyển hoá N – NH 4 + của chủng H1 trong môi trường nước thải cao su 37

Hình 3.6 Đánh giá khả năng loại bỏ TN và COD của chủng H1 trong môi trường nước thải cao su 38

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Một số đặc tính của nước thải sơ chế cao su thiên nhiên [6] [7] 12

Bảng 1.2 Một số vi khuẩn nitrat hoá dị dưỡng [29] 19

Bảng 1.3 Tỉ lệ C/N và pH tối ưu của một số chủng nitrat hoá dị dưỡng 23

Bảng 2.1 Thành phần môi trường LB [35] 25

Bảng 2.2 Thành phần môi trường NM [16] [34] 25

Bảng 3.1 Đặc tính nước thải sơ chế cao su thiên nhiên 30

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

lớp vật liệu xốp

LỜI MỞ ĐẦU

Việt Nam là một trong những nước trồng và xuất khẩu cao su thiên nhiênhàng đầu trên thế giới Bên cạnh những lợi ích về kinh tế, tạo công ăn việc làmcho người lao động thì ngành sản xuất cao su đang phải đối mặt với các vấn đề

về ô nhiễm môi trường Trong quá trình sản xuất cao su, lượng nước thải sơ chếcao su thiên nhiên thải ra môi trường có chứa nồng độ rất cao các hợp chất hữu

cơ, amon và nhiều chất gây ô nhiễm khác, nếu không được xử lý tốt mà thải ramôi trường sẽ gây ô nhiễm nghiêm trọng khu vực xung quanh Nước thải hiệnnay thường được xử lý bằng hệ thống kỵ khí – hiếu khí có hiệu suất loại bỏ nhucầu oxy hóa học cao Tuy nhiên thì khả năng loại bỏ amon của các hệ thống nàylại gặp khó khăn đồng nghĩa với việc nước thải đầu ra sẽ chưa được xử lý tốt vàchứa hàm lượng amon cao Một trong các công nghệ phổ biến hiện nay, ngàycàng được ứng dụng rộng rãi và cải tiến kỹ thuật, công nghệ lọc nhỏ giọt qua lớpvật liệu xốp (DHS) được ứng dụng để xử lý amon trong nước thải đã đem lạinhiều lợi ích về khả năng xử lý ô nhiễm cũng như tiết kiệm chi phí cho các quátrình xử lý Trong thiết bị diễn ra đồng thời hai quá trình nitrat hóa – phản nitratbởi vi khuẩn nitrat hóa dị dưỡng Việc ứng dụng chủng vi sinh vật có khả năng

xử lý nitrat và phản nitrat đồng thời trong điều kiện hiếu khí là một hướng mới

trong xử lý nước thải ô nhiễm nitơ ở nồng độ cao Acinetobacter johnsonii H1 –

một chủng vi khuẩn nitrat hoá dị dưỡng được phân lập từ bùn hoạt tính của thiết

bị DHS cho thấy tiềm năng ứng dụng trong việc xử lý nước thải ô nhiễm amon,đặc biệt là nước thải cao su thiên nhiên Trong nghiên cứu này, để tăng hiệu quả

xử lý amon trong nước thải cao su thiên nhiên, em thực hiện đề tài: “Đánh giá

khả năng loại bỏ amon trong nước thải sơ chế cao su thiên nhiên của chủng

Acinetobacter johnsonii H1”.

Nội dung nghiên cứu của đề tài:

- Khảo sát đặc tính nước thải sơ chế cao su thiên nhiên;

- Đánh giá các điều kiện ảnh hưởng đến khả năng chuyển hoá N – NH4+ của

chủng A johnsonii H1;

- Khảo sát khả năng chuyển hoá N – NH4+ trong môi trường nước thải sơ

chế cao su thiên nhiên của chủng A johnsonii H1.

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về nước thải cao su thiên nhiên

1.1.1 Ngành công nghiệp sản xuất cao su tại Việt Nam

Cao su thiên nhiên (natural rubber) là một chất được thu được từ mủ (latex)

của nhiều loại cây cao su, tiêu biểu nhất là loài Hevea brasiliensis Cây cao su

được tìm thấy đầu tiên ở Châu Mỹ vào cuối thế kỉ 15, sau đó được du nhập vàoĐông Nam Á năm 1877 Ngành công nghiệp sản xuất cao su của Việt Nam hiệnnay đang đứng thứ 3 thế giới, chiếm khoảng 7,7% tổng sản lượng cao su vàkhoảng 5,6% tổng diện tích trồng cao su trên toàn cầu [1] Việt Nam là nước cóđiều kiện thiên nhiên thuận lợi về khí hậu, đất đai, phù hợp cho phát triển ngànhcao su tự nhiên, từ lâu trong nước đã hình thành các vùng trồng cao su tập trungquy mô rộng lớn như: Đông Nam Bộ, Duyên hải Nam Trung Bộ, Tây Nguyên, Qua nhiều năm gieo trồng và cải tiến, ngành công nghiệp cao su tại Việt Nam đã

có những bước phát triển mạnh mẽ về năng suất, diện tích và sản lượng [1] [2].Diện tích, sản lượng của cây cao su tại Việt Nam giai đoạn 2011 – 2022 được thểhiện ở hình 1.1

Hình 1.1 Diện tích, sản lượng của cây cao su tại Việt Nam giai đoạn 2011 – 2022 [3]

Cao su thiên nhiên có nhiều ưu điểm như độ bền, độ đàn hồi cao, khả năngkháng khuẩn tốt và an toàn với con người do có nguồn gốc từ tự nhiên,… Do đóchúng được ứng dụng vào rất nhiều ngành công nghiệp khác nhau Với đặc tính

chống, ống chịu nhiệt,… trong ngành xây dựng cũng được làm từ cao su Nhờkhả năng chống nước, chống điện và kháng khuẩn tốt nên các loại găng tay sửdụng trong y tế cũng đều được sản xuất từ cao su thiên nhiên [4] Hình 1.2 dướiđây trình bày về sản lượng của một số sản phẩm từ cao su sản xuất ở Việt Nam.

Hình 1.2 Sản lượng một số sản phẩm từ cao su [3]

Nhìn chung, các sản lượng của các sản phẩm từ cao su tại Việt Nam đangtăng lên theo từng năm nhờ sự phát triển của ngành công nghiệp này Nhưngcùng với đó cũng kéo theo các vấn đề về môi trường trong quá trình chế biến cao

su tạo ra thành phẩm, một trong những vấn đề chính ở đây là nguy cơ ô nhiễmnguồn nước do quá trình xả thải của các nhà máy cao su tại Việt Nam

1.1.2 Nguồn phát sinh nước thải cao su thiên nhiên

Nước thải sơ chế mủ cao su phát sinh chủ yếu từ các công đoạn của quytrình sản xuất cao su thiên nhiên như sấy trộn, làm đông, gia công cơ học và từquá trình rửa thiết bị, máy móc hoặc vệ sinh nhà xưởng [5]

Hình 1.3 Quy trình sản xuất cao su [6][5]

Mủ cao su sau thu hoạch được xử lý theo 2 quy trình là tạo mủ cô đặc bằngcách ly tâm (nước thải phát sinh chủ yếu từ khâu vệ sinh thiết bị) hoặc tạo mủkhối bằng cách đánh đông bằng axit acetic hoặc axit formic (nước thải phát sinhchủ yếu từ khâu đánh đông, cán băm, cán tạo tờ, băm cốm) Ngoài ra, nước thảicòn phát sinh từ quá trình rửa xe chở mủ nước và vệ sinh nhà xưởng, sinh hoạt.Nguồn phát sinh nước thải cũng phụ thuộc vào công nghệ sơ chế cao su

1.1.3 Đặc tính nước thải cao su thiên nhiên

Nước thải trong quá trình sơ chế mủ cao su phát sinh chủ yếu ở các côngđoạn đánh đông, kéo/cán, cắt và nước rửa bồn chứa Nước thải từ công đoạnđánh đông có nồng độ chất ô nhiễm cao, chủ yếu là một số hóa chất đặc trưngcòn lại trong nước thải sau khi vớt mủ như axit acetic, protein, đường, cao suthừa Lượng mủ cao su còn thừa do chưa đông tụ còn nhiều và tồn tại ở dạngkeo, pH thấp khoảng 5 đến 5,5 Nước thải ở các công đoạn sau có hàm lượngchất hữu cơ thấp do đã trải qua các quá trình xử lý, hàm lượng cao su chưa đông

tụ cũng không đáng kể Đặc trưng cơ bản có thể dễ nhận thấy của nước thải là sựphát sinh mùi Mùi hôi thối sinh ra do vi sinh vật phân hủy protein trong môitrường axit, tạo thành nhiều chất khí khác nhau: NH3, H2S, CO2, CH4, …[7] Đặctính nước thải từ một số quy trình công nghệ sơ chế cao su thiên nhiên được trìnhbày trong bảng 1.1

Bảng 1.1 Một số đặc tính của nước thải sơ chế cao su thiên nhiên [6] [7]

75(a) 200(a)100(b) 250(b)TSS 93 – 525 870 – 2020 470 – 2220 50 100

TN 80 – 160 630 – 800 450 – 1310

40(a) 60(a)50(b) 80(b)N-NH4+ 45 – 110 210 – 420 290 – 1040

10(a) 40(a)35(b) 60(b)

Đơn vị: mg/L trừ pH.

Cột A: nước thải được phép xả ra nguồn nước cho mục đích cấp nước sinh hoạt Cột B: nước thải được phép xả ra nguồn nước không dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt.

(a): Dành cho cơ sở mới

(b): Dành cho cơ sở đang hoạt động

Tuỳ vào sản phẩm cuối cùng mà nước thải cao su cũng có các đặc tínhriêng Đối với sản xuất cao su ly tâm, Mủ nước được li tâm đến nồng độ 60%DRC, sau đó bổ sung amoniac để chống đông Đặc điểm chính của loại nước thảinày là: độ pH cao (pH 8,1 – 9,4), hàm lượng COD và TN cũng rất cao Nước thải

từ quá trình sản xuất cao su tờ và cao su khối lại có pH thấp (4,6 – 5,9), vì phải

bổ sung thêm axit hữu cơ để đánh đông cao su, Hàm lượng tổng chất rắn lơ lửngTSS (hạt cao su dư), hàm lượng ô nhiễm hữu cơ, hàm lượng nitơ tổng chủ yếu làamoniac để bảo quản mủ, nitơ hữu cơ từ protein không nhiều [6] [7]

Amoniac là chất ô nhiễm gần như phổ biến nhất trong nước thải, nó có thểchiếm tới 90 – 97% tổng nitơ [10] Amoniac tồn tại ở 2 dạng là dạng ion (NH4 )

và dạng tự do (NH3), sự phân bố hai dạng này phụ thuộc vào pH và nhiệt độ,nhiều nghiên cứu đã cho thấy cho thấy rằng ô nhiễm nitơ (amoniac) là nghiêmtrọng nhất [10] [11] Các vấn đề chính do amoniac gây ra là hàm lượng amoniacquá cao dẫn đến hiện tượng phú dưỡng của các vùng nước, amoniac cũng tiêu thụoxy hòa tan trong nước gây ảnh hưởng đến quá trình hô hấp của các sinh vậtsống trong nước, amoniac trong nguồn nước uống còn làm tăng chi phí xử lýnước do phải tăng hàm lượng clo trong nước (1g amoniac cần 8 – 10g clo), hơnhết chính là tính chất độc hại của nó đối với con người và sinh vật Kiểm soát vàngăn ngừa ô nhiễm nitơ (amoniac) trở nên vô cùng quan trọng trong việc bảo vệmôi trường nước [12]

1.2 Phương pháp xử lý ô nhiễm nitơ trong nước thải sơ chế cao su thiên nhiên

1.2.1 Phương pháp hoá học

a) Phương pháp Clo hoá

Khử trùng nước bằng clo là một trong những phương pháp khử trùng nướcphổ biến nhất Cả Cl2, HClO/ClO và cloramin đều có thể hoạt động như chất oxyhóa trong quá trình clo hoá Phương trình tổng quát của quá trình này như sau:

3HClO + 2NH3→N2 + 3HCl + 3H2OTuy nhiên hàm lượng clo lớn có thể gây ảnh hưởng đến sức khoẻ conngười Chính vì vậy phương pháp này chỉ nên áp dụng cho những khu vực kémphát triển, thiếu các công nghệ xử lý nước tiên tiến [13]

b) Phương pháp kết tủa

NH4 trong nước thải còn có thể được xử lý bằng phương pháp kết tủa Hiệuquả loại bỏ NH4 được xác định bởi lượng struvite hình thành sau xử lý theophương trình:

NH4 + Mg2+ + PO43- + 6H2O  NH4MgPO4.6H2O [14]

Các phương pháp nêu trên đều gây ảnh hưởng tới thiết bị, hệ thống và sứckhoẻ con người, chính vì vậy cần tìm ra giải pháp khác để xử lý nước thải.Phương pháp sinh học chính là một trong các giải pháp hàng đầu cho vấn đề này

1.2.2 Phương pháp sinh học

1.2.2.1 Hệ thực vật tự nhiên

Đây là một trong các phương pháp sinh học đầu tiên được ứng dụng để xử

lý nước thải Trong nghiên cứu của J Coleman và cộng sự, ba loài thực vật đã xử

lý được 70% tổng chất rắn lơ lửng (TSS) và nhu cầu oxy sinh hóa (BOD), giảm

50 - 60% tổng nitơ (TKN), hàm lượng muối PO43- và coliform cũng được giảmđáng kể Tuy nhiên phương pháp này còn nhiều khuyết điểm do ảnh hưởng từđiều kiện tự nhiên nên bây giờ ít được áp dụng [15]

1.2.2.2 Ao hồ tự nhiên và nhân tạo (Ao ổn định nước thải)

Ao ổn định nước thải (Waste Stabilization Ponds - WSP) là công nghệ xử lý

ô nhiễm nước thải tự nhiên có thể được lắp đặt trong các hệ thống thoát nước tậptrung hoặc bán tập trung để xử lý nước thải sinh hoạt và công nghiệp WSP cóhiệu quả cao, xây dựng đơn giản, chi phí thấp và dễ vận hành Phương pháp này

sử dụng hệ vi sinh vật hiếu khí và kỵ khí để xử lý các chất hữu cơ và vô cơ trongnước thải Sự cộng sinh tảo - vi khuẩn trong WSP làm cho quá trình xử lý hoàntoàn tự nhiên, chính vì vậy công nghệ này giảm chi phí bảo trì và yêu cầu năng

lượng so với các công nghệ xử lý Nước thải từ WSP cũng có thể được sử dụngcho mục đích nông nghiệp như cung cấp nguồn nước cho ruộng vườn, chuồngtrại chăn nuôi, v.v [12] [15] [22] Tuy nhiên công nghệ này vẫn còn một sốnhược điểm như thời gian xử lý dài, đòi hỏi mặt bằng rộng, phụ thuộc nhiều vàođiều kiện tự nhiên như nhiệt độ và mưa, gây mùi khó chịu [15] [23].

1.2.2.3 Bể bùn hoạt tính theo mẻ (SBR)

Bể bùn hoạt tính theo mẻ (Sequencing Batch Reactor - SBR) là công nghệ

xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học theo nhiều giai đoạn liên tục SBRvừa có chức năng giống bể aeroten là loại bỏ các chất hữu cơ có khả năng phânhủy sinh học nhờ vi sinh vật hiếu khí, vừa có chức năng lắng bùn để thu nướctrong ra ngoài Bể SBR xử lý hiệu quả các chất hữu cơ, nitơ, photpho có trongnước thải, tiết kiệm diện tích, chế độ hoạt động linh hoạt theo nước đầu vào Hệthống tích hợp cho các thiết bị kỵ khí – hiếu khí [3] Nước thải sẽ được bơm vào

hệ thống SBR sau đó sẽ được sục khí và khuấy trộn để gia tăng khả năng xử lý ônhiễm của hệ bùn hoạt tính trong bể, tiếp theo đến giai đoạn lắng để các chất rắnđược lắng xuống và nước thải sẽ được thải dần ra ngoài, cuối cùng hệ thống sẽđược dừng hoạt động trong khoảng thời gian ngắn để tái ổn định hệ bùn hoạttính Tuy nhiên SBR là hệ thống vận hành phức tạp, yêu cầu trình độ chuyên môncao, hệ thống thổi khí cũng dễ bị tắc do bùn, việc bảo dưỡng rất khó khăn do hệthống kết hợp nhiều giai đoạn xử lý vào một bể [20][22]

1.2.2.4 Công nghệ lọc nhỏ giọt qua lớp vật liệu xốp (DHS)

Thiết bị DHS (Down flow hanging sponge - DHS) bản chất là thiết bị lọcsinh học nhỏ giọt được cải tiến Thiết bị này gồm nhiều khoang nối tiếp trong đó

có đặt các miếng giá thể (bọt biển) xếp chồng chất lên nhau Nước thải sẽ đượcđưa từ trên xuống dưới, nhỏ giọt qua các lớp giá thể sau đó sẽ được các vi sinhvật trên giá thể xử lý [23] Trong hệ thống DHS, môi trường hiếu khí và kỵ khícùng tồn tại tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình nitrat hóa và khử nitrat hoá

Hình 1.4 Các quá trình xảy ra trong hệ thống DHS [24]

Hệ thống DHS có khả năng trao đổi oxy cao trong quá trình nước thải chảyxuống và do đó giảm thiểu chi phí cho thiết bị sục khí Giá thể bọt biển có thể giữlại lượng sinh khối gấp 17–19 lần so với bùn hoạt tính thông thường Dựa vàokhả năng giữ sinh khối cao trong hệ thống DHS, khối lượng hệ thống và thờigian xử lý có thể được giảm đáng kể Ngoài ra, tính đa dạng sinh học cao của giáthể cũng giảm lượng bùn dư thừa DHS là hệ thống lý tưởng cho việc xử lý ônhiễm nitơ, các nghiên cứu cho thấy DHS đạt được tổng hiệu suất loại bỏ nitơcao, chẳng hạn như 58 – 60% [25] Nghiên cứu của Watari (2017) cho thấy khảnăng xử lý ô nhiễm của hệ thống DHS, hiệu suất loại bỏ lần lượt là 64,2 ± 7,5%

và 55,3 ± 19,2% đối với tổng nhu cầu oxy hóa học (COD) và tổng nitơ, với tảitrọng hữu cơ lần lượt là 0,97 ± 0,03 kgCOD/m3.ngày và tải trọng nitơ là 0,57 ±0,21 kgN/m3.ngày Danshita và cộng sự (2020) vận hành liên tục hệ thống DHStrong thời gian dài đã cho thấy tỷ lệ loại bỏ amoni cao (82%) nhưng chỉ loại bỏđược 33% tổng lượng nitơ hòa tan (DTN) Một nghiên cứu khác của Watari vàcộng sự (2021), qua việc kết hợp hệ thống UASB và DHS, hệ thống DHS chothấy tiềm năng của nó trong việc xử lý BOD và TSS [26], [27] Phân tích trình tựgen 16S rRNA của bùn được giữ lại trong DHS xuất hiện cả vi khuẩn nitrat hóa

và khử nitrat hoá trong giá thể, ngoài ra cũng phát hiện thêm vi khuẩn anammox.Đồng thời, hệ thống DHS cũng giảm HRT xuống còn 4,8 giờ Kết quả này chothấy hệ thống DHS có thể là một phương án phù hợp khi kết hợp với hệ thống xử

lý kỵ khí để xử lý nước thải chế biến cao su tự nhiên [26]

1.3 Chu trình nitơ và các quá trình diễn ra

1.3.1 Chu trình nitơ

Nitơ tồn tại ở nhiều dạng hóa học khác nhau như: amon (NH4 ), nitrit(NO2-), nitrat (NO3-), đinitơ monoxide (N2O), nitric oxide (NO), khí nitơ (N2).Trong chu trình nitơ, các quá trình chính có thể kể đến là: quá trình amoni hoá,quá trình nitrat hoá, quá trình phản nitrat hoá, quá trình anammox và quá trìnhchuyển hoá nitrit – nitrat

Hình 1.5 Chu trình nitơ [33] [34]

Đặc trưng của nước thải cao su là hàm lượng NH4+ trong nước rất cao doquá trình chống đông cao su, chính vì vậy cần dựa vào các quá trình trong chutrình nitơ để có thể chuyển hoá được NH4+ thành các hợp chất nitơ an toàn hơnvới con người Một trong các con đường chính đó là con đường nitrat hoá

Nitrat hoá là một quá trình oxy hoá sinh học theo trình tự hai bước, NH4+ bịoxy hoá thành NO2- được thực hiện bởi các vi sinh vật AOB (ammonia –oxidizing bacteria – oxy hoá amoniac), sau đó NO2- tiếp tục bị oxy hoá thành

NO3- bởi các vi sinh vật NOB (nitrite – oxidizing bacteria – oxy hoá nitrit)

NH4 AOB NO2- NOB NO3

-nhiều ion H+ nên độ kiềm cacbonat sẽ tạo môi trường đệm, giữ pH ổn định cho visinh vật phát triển Các loài vi sinh vật AOB là nhóm vi sinh vật chính tham gia

quá trình này, cụ thể như Nitrosomonas, Nitrosospira, Nitrosovibrio,

Nitrosolobus, Nitrosococcus, … Hiện nay có khoảng 25 loài vi sinh vật AOB đã

được nghiên cứu Trong đó Nitrosomonas và Nitrosospira được nghiên cứu rộng

rãi nhất Phần lớn các vi sinh vật này có được năng lượng do quá trình oxy hiếukhí NH4+ Tuy nhiên một số loài có thể phát triển trong cả điều kiện hiếu khí và

kị khí

Quá trình tiếp theo là quá trình chuyển hoá NO2- thành NO3- do các vi sinh

vật NOB tham gia, đại diện là Nitrobacter và Nitrospira Trước đây Nitrobacter

được coi là loài vi sinh vật NOB quan trọng nhất trong quá trình Tuy nhiên,

trong các nghiên cứu sau này, Nitrospira cho thấy ưu thế cao hơn trong một số điều kiện Nitrospira có khả năng chuyển hoá trong điều kiện cacbon vô cơ cao, còn Nitrobacter thì ngược lại sẽ ở điều kiện cacbon vô cơ thấp Tuy nhiên các

loài vi sinh vật AOB hay NOB nói trên là vi sinh vật nitrat tự dưỡng, chúng đềurất nhạy cảm với môi trường, ánh sáng và các điều kiện ngoại cảnh, tốc độ sinhtrưởng cũng khá dài nên hiện nay ít được áp dụng trong xử lý ô nhiễm amon[28]

1.3.2 Vi khuẩn tham gia quá trình nitrat hoá

1.3.2.1 Vi khuẩn nitrat hoá tự dưỡng

Các vi khuẩn nitrat hoá tự dưỡng có khả năng tự tổng hợp chất hữu cơ từ

CO2 và nước Hai đại diện chính của nhóm vi khuẩn này là Nitrosomonas và

Nitrobacter Ngoài ra còn có Nitrosococcus, Nitrospina, Nitrospira và Nitrococcus Nitrosomonas là vi khuẩn gram âm hình que thẳng, kích thước tế

bào từ 0,7 – 1,5 x 1,0 – 2,4 µm, tham gia quá trình chuyển hoá amon thành nitrit;

còn Nitrobacter cũng là vi khuẩn gram âm, tế bào đa hình có dạng hình que hoặc

hình quả lê với kích thước từ 0,5 – 0,9 x 1,0 – 2,0 µm tham gia quá trình chuyểnhoá nitrit thành nitrat Vi khuẩn nitrat hoá tự dưỡng sinh trưởng khá chậm, nhạycảm với các điều kiện, đặc biệt là hàm lượng oxy hoà tan, vì vậy mà chúng ítđược ứng dụng trong xử lý các loại nước thải ô nhiễm cao như nước thải cao su

tự nhiên Hiện nay các loài vi khuẩn nitrat hoá di dưỡng đang được quan tâm vànghiên cứu nhiều hơn do các ưu điểm của chúng so với vi khuẩn tự dưỡng [28]

1.3.2.2 Vi khuẩn nitrat hoá dị dưỡng

Với khả năng sử dụng các hợp chất hữu cơ, tốc độ sinh trưởng và phát triểnnhanh chóng, có khả năng tham gia cả quá trình nitrat hoá và phản nitrat hoá, vikhuẩn nitrat hoá có tiềm năng vượt trội trong các quá trình loại bỏ nitơ sinh học

trong nước thải Từ năm 1886, nhiều nhà nghiên cứu đã tìm thấy các chủng visinh vật có khả năng oxy hoá amon thành nitrit/nitrat trong dung dịch chứa nguồncacbon hữu cơ Từ đó các nghiên cứu về vi sinh vật nitrat hoá di dưỡng bắt đầuđược đẩy mạnh hơn, các nhà khoa học thấy rằng nhóm vi khuẩn này có rất nhiều

ưu điểm đóng góp cho quy trình xử lý ô nhiễm nitơ như loại bỏ đồng thời cácnhất hữu cơ, tăng sinh nhanh tróng, nhiều loài còn có khả năng chịu điều kiệnmôi trường khắc nghiệt như nhiệt độ thấp, hàm lượng muối hay hàm lượng amonquá cao [29] Dưới đây là bảng 1.2 thống kê một số vi khuẩn nitrat hoá dị dưỡng

và nguồn phân lập của chúng

Bảng 1.2 Một số vi khuẩn nitrat hoá dị dưỡng [29]

Acinetobacter sp Y1 Bể sinh học hiếu khí Liu (2015) [33]

Acinetobacter sp T1 Bùn hoạt tính Chen (2019) [34]

Janthinobacterium sp M-11 Than hoạt tính

năng sinh trưởng tốt ngay cả khi trong môi trường oxy hoà tan thấp [29] Điềunày chứng minh được vi khuẩn nitrat hoá dị dưỡng có khả năng thích nghi vớimôi trường mạnh hơn nhiều lần so với vi khuẩn nitrat hoá tự dưỡng, đồng thờicác vi khuẩn dị dưỡng cũng thường được phân lập trong các hệ thống bùn hoạttính, nước thải, nên rất phù hợp để xử lý nước thải ô nhiễm nitơ nồng độ cao nhưnước thải cao su thiên nhiên

Trong các nghiên cứu gần đây, khi nuôi cấy vi khuẩn nitrat hoá dị dưỡngứng dụng trong xử lý nước thải như nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp,nước thải phân động vật, … khả năng loại bỏ amon lên tới 85 – 100%, 85 – 95%nitơ tổng số, 84 – 100% nhu cầu oxy hoá hoá học, ngay cả ở tỉ lệ C/N thấp là từ3,5 – 4, 36 – 52% amon trong nước thải được chuyển hoá thành khí nitơ Đồngthời trong thời gian dài hoạt động ở trong những hệ thống xử lý nước thải, các vikhuẩn này cũng ngày càng chiếm ưu thế cao hơn trong hệ bùn hoạt tính của hệthống Như vậy, tất cả các kết quả này đều chứng minh được sự vượt trội của vikhuẩn nitrat hoá dị dưỡng trong khả năng xử lý nước thải [29]

1.3.2.3 Chủng Acinetobacter johnsonii H1

Trong nghiên cứu của thạc sĩ Nguyễn Thị Huyền (Đại học Bách khoa Hà

Nội, 2022), chủng Acinetobacter johnsonii H1 được phân lập từ bùn hoạt tính

của hệ thống DHS Chủng được bảo quản ở -20oC trong glycerol 25% tại Trungtâm Khoa học và Công nghệ Cao su (Toà nhà D2A – Đại học Bách khoa HàNội)

Chủng A johnsonii H1 là chủng vi khuẩn nitrat hoá dị dưỡng Gram âm, tế

bào hình cầu, khuẩn lạc hình tròn, 2 – 3mm, màu trắng đục, bề mặt trơn bóng,viền đều Đây là chủng có hiệu suất chuyển hoá amon cao nhất trong số 7 chủng

đã được phân lập (98,4%) [38]

Hình 1.6 Hình thái khuẩn lạc và tế bào của chủng A johnsonii H1

1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chuyển hoá amon trong nước thải cao su thiên nhiên

Khả năng sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật sẽ bị ảnh hưởng bởinhiều yếu tố như nguồn C, nguồn N, nhiệt độ, độ hoà tan oxy, pH, tỉ lệ C/N, …Dựa vào đặc tính của nước thải cao su thiên nhiên, ta có thể khảo sát các yếu tố

sẽ ảnh hưởng đến khả năng loại bỏ amon của chúng

1.4.1 Ảnh hưởng của mật độ giống

Tỷ lệ giống là một trong những yếu tố quan trọng do nó ảnh hưởng trực tiếptới sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật Xác định tỷ lệ giống cấp vào phùhợp là vô cùng cần thiết, điều đó đảm bảo cho quá trình sinh trưởng của chủngdiễn ra hiệu qua, khi mật độ tế bào trong bình nuôi cấy quá cao hay quá thấp đềukhiến cho tế bào sinh trưởng kém đi Theo một số nghiên cứu về các chủng vi

khuẩn dị dưỡng, chủng Smobiisys 501 phát triển tối ưu với giá trị mật độ giống

cấp vào là OD600nm = 0,53 sau 48h nuôi cấy [39] Trong nghiên cứu của Đức và

cộng sự (2022), chủng vi khuẩn dị dưỡng P aeruginosa D2 và G nicotianae D7

đạt hiệu quả xử lý amon tốt nhất với mật độ giống ban đầu cấp vào là OD600nm =0,5 [16]

1.4.2 Ảnh hưởng của hàm lượng amon

NH4+ là chất dinh dưỡng thiết yếu cho sự phát triển của các vi sinh vật nóichung, vi khuẩn nitrat hoá nói riêng Tuy nhiên, hàm lượng NH4+ ở nồng độ cao

có thể gây ức chế, thậm chí gây độc cho các vi sinh vật [38] Do đó, đây là mộttrong các yếu tố hàng đầu mà ta cần quan tâm để cải thiện khả năng xử lý nitơ

của vi sinh vật Theo Yang và cộng sự (2016) chủng A junii YB, P putida YH

và P aeruginosa YL trong bùn của hệ thống bùn hoạt tính theo mẻ có khả năng

chuyển hoá lượng amon 500 mg/L với hiệu suất chuyển hóa amon của các chủnglần lượt là 57,78 %; 65,78 % và 51,82 % [40] Theo nghiên cứu của Cương và

cộng sự (2018), chủng A calcoaceticus trong nước thải nhà máy phân bón có

khả năng chuyển hoá hàm lượng amon lên đến 450mg/L, đạt hiệu quả tối ưu ở

150 mg/L sau 10 giờ [41] Nước thải cao su thiên nhiên có hàm lượng amon cao

do thêm vào NH3 trong quá trình chống đông cao su, vì vậy để ứng dụng trong xử

lý nước thải cao su, cần khảo sát khả năng xử lý nitơ trong điều kiện hàm lượng

1.4.3 Ảnh hưởng của pH

Đối với vi khuẩn nitrat hoá dị dưỡng, môi trường axit (pH < 5) hoặc môitrường kiềm (pH>10) đều không phù hợp, nó ức chế mạnh sự sinh trưởng của các

vi khuẩn Hầu hết các vi khuẩn nitrat hoá dị dưỡng sinh trưởng và phát triển tốt

tại pH kiềm yếu (pH từ 7 – 9) [29][16] Chủng Acinetobacter junii YB có pH tối

ưu tại 7,5 [42], khả năng loại bỏ N – NH4+ của chủng Bacillus cereus GS-5 tăng

từ 58,1% đến 95,5% khi tăng pH từ 5 tới 9 [43] Trong điều kiện pH bằng 8,5

chủng Acinetobacter sp T1 có khả năng loại bỏ amon và mật độ sinh khối theo

OD600nm cao nhất tương ứng là 85% và 1,74 [34] Ở tỷ lệ C/N là 2, độ pH ban đầu

là 10,0, nhiệt độ nuôi cấy là 25 °C và natri acetat được sử dụng làm nguồn

cacbon, hiệu quả loại bỏ amon, nitrat, nitrit của chủng Janthinobacterium

svalbardensis F19 lần lượt là 96,44%; 92,32% và 97,46% [44] Nước thải cao su

ly tâm thường có pH cao từ 8,1 đến 9,4 sẽ phù hợp với sự phát triển của các vikhuẩn nitrat hoá dị dưỡng, còn các loại nước thải sơ chế cao su trong quy trìnhtạo cao su tờ và cao su khối lại có pH thấp từ 4,6 đến 5,9 nên sẽ cần điều chỉnhđiều kiện trước khi đưa vào hệ thống xử lý nước thải sử dụng hệ bùn hoạt tínhchứa vi khuẩn nitrat hoá dị dưỡng

1.4.4 Ảnh hưởng của tỉ lệ C/N

Tỉ lệ C/N là một trong các yếu tố ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất loại bỏnitơ của vi khuẩn nitrat hoá dị dưỡng Tỉ lệ C/N thấp đồng nghĩa với việc khôngthể cung cấp đủ nguồn dinh dưỡng hay năng lượng cho tế bào và các quá trìnhnitrat hoá hay phản nitrat hoá Ngược lại, tỷ lệ C/N quá cao có thể dẫn đến ônhiễm thứ cấp các chất hữu cơ Trong nghiên cứu của Lei và cộng sự (2016),hiệu quả loại bỏ amon tăng lên với việc tăng tỷ lệ C/N từ 8 lên 12 và sau đó giữnguyên ổn định khi tiếp tục tăng tỉ lệ C/N, tỷ lệ C/N bằng 8 đã được chọn làm

điều kiện vận hành tối ưu cho chủng Zobellella taiwanensis DN-7 [45] Hiệu suất

xử lý ô nhiễm nitơ của chủng Pseudomonas sp DM02 cũng gia tăng đáng kể khi tăng tỉ lệ C/N từ 2 – 14 [46] Một nghiên cứu khác cho thấy chủng Acinetobacter

sp JR1 có hiệu suất xử lý amon cao nhất tại C/N = 16 [47] Bảng 1.3 trình bày về

một số chủng nitrat hoá dị dưỡng và điều kiện C/N cũng như pH tối ưu củachúng