Tiếp cận công nghệ sạch, nghiên cứu xử lý, tái chế bùn thải sinh học thành nguyên liệu tạo ra chế phẩm vi sinh vật hữu ích phục vụ cho nông lâm nghiệp

Tuy nhiên bên cạnh những thành tựu đạt được như sản lượng tăng, số lượng mặt hàng ngày càng phong phú, chất lượng hàng hóa ngày một cải thiện thì một vấn đề bức xúc về chất thải cho môi

VIỆN CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI CẤP BỘ

TIẾP CẬN CÔNG NGHỆ SẠCH, NGHIÊN CỨU XỬ LÝ, TÁI CHẾ BÙN THẢI SINH HỌC THÀNH NGUYÊN LIỆU

TẠO RA CHẾ PHẨM VI SINH VẬT HỮU ÍCH

PHỤC VỤ CHO NÔNG LÂM NGHIỆP

CNĐT : NGUYỄN HỒNG KHÁNH

9321

HÀ NỘI – 2012

MỤC LỤC

MỤC LỤC i 

DANH MỤC HÌNH v 

DANH MỤC CHỮ VIÊT TẮT vii 

MỞ ĐẦU 1 

CHƯƠNG 1.  TỔNG QUAN 5 

1.1 Khái quát về bùn thải sinh học 5 

1.1.1 Nguồn phát sinh bùn thải sinh học 5 

1.1.2 Lượng bùn thải sinh học phát sinh 5 

1.1.3 Đặc tính bùn thải sinh học 6 

1.2 Các biện pháp nâng cao giá trị bùn thải sinh học trên Thế giới 10 

1.3 Các kỹ thuật tiền xử lý bùn thải sinh học thành nguyên liệu thô nuôi cấy vi sinh vật hữu ích 12 

1.3.1 Phương pháp nhiệt phân: 12 

1.3.2 Phương pháp hóa học: 13 

1.4 Các giá trị mới của bùn thải sinh học 14 

1.4.1 Sản xuất thuốc trừ sâu sinh học 15 

1.4.2 Nguyên liệu nuôi cấy chủng vi khuẩn cố định nitơ 16 

1.4.3 Chất keo tụ sinh học 17 

1.5 Tình hình quản lý và sử dụng BTSH ở Việt Nam 18 

1.5.1 Khái quát về tình hình xử lý nước thải đô thị và công nghiệp 18 

1.5.2 Tình hình quản lý và sử dụng BTSH ở Việt Nam 19 

CHƯƠNG 2.  PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 20 

2.1 Phương pháp nghiên cứu tổng quan 20 

2.2 Phương pháp điều tra, khảo sát xây dựng cơ sở dữ liệu đặc tính bùn thải 21 

2.1.1 Lựa chọn đối tượng (loại) BTSH 21 

2.1.2 Xây dựng biểu mẫu thu thập thông tin 22 

2.1.3 Phương pháp đánh giá hiện trạng hoạt động sản xuất của một nhà máy 22 

2.1.4 Phương pháp đánh giá hiện trạng hoạt động của hệ thống xử lý nước thải và bùn thải 23 

2.1.5 Phương pháp lấy mẫu nước thải 24 

2.1.6 Phương pháp lấy mẫu bùn thải 24 

2.1.7 Phương pháp phân tích mẫu nước thải và bùn thải 25 

2.1.8 Phương pháp so sánh 27 

2.2 Phương pháp xử lý bùn thải thành nguyên liệu nuôi cấy vi sinh hữu ích 27 

2.2.2 Kỹ thuật xử lý bùn thải sinh học bằng phương pháp nhiệt học 28 

2.2.3 Kỹ thuật xử lý bùn thải sinh học bằng phương pháp ôxy hoá 29 

2.2.4 Kỹ thuật xử lý bùn thải sinh học bằng phương pháp thủy phân 30 

2.3 Phương pháp nuôi cấy vi sinh trên bùn thải 31 

2.3.1 Phương pháp chuẩn bị chủng giống 31 

2.3.2 Qui trình nuôi cấy vi sinh vật 31 

2.3.3 Phương pháp phân tích sinh học 32 

CHƯƠNG 3.  KẾT QUẢ THỰC HIỆN NHIỆM VỤ 34 

3.1. Xây dựng cơ sở dữ liệu bùn thải sinh học 34 

3.1.1 Lựa chọn địa điểm khảo sát 34 

3.1.2 Hiện trạng của nhóm ngành sản xuất bia, chế biến nông sản thực phẩm ở Việt Nam 34 

3.1.3 Hiện trạng hoạt động của các hệ thống XLNT và bùn thải khảo sát 42 

3.1.4 Tổng hợp số đợt khảo sát và số mẫu lấy tại 06 trạm XLNT 54 

3.1.5 Kết quả phân tích mẫu nước thải và bùn thải 56 

3.1.6 Đánh giá hiện trạng hệ thống xử lý nước thải và bùn thải 92 

3.2. Nâng cao năng lực nghiên cứu 108 

3.2.1 Chương trình đào tạo tại Canada 108 

3.2.2 Thực tập kỹ thuật xử lý bùn thải của Học viên Nguyễn Viết Hoàng 113 

3.2.3 Thực tập kỹ thuật nuôi cấy vi sinh của Học viên Đặng Thị Mai Anh 123 

3.2.4 Thực hành qui trình lên men qui mô pilot của Học viên Trần Hà Ninh tại Canada 137 

3.3. Trao đổi khoa học cấp chuyên gia giữa Việt Nam và Canada 142 

3.3.1 Chuyên gia Việt Nam sang Canada 142 

3.3.2 Chuyên gia Canada sang Việt Nam 143 

3.4. Đánh giá triển vọng tái sử dụng bùn thải thành nguyên liệu nuôi cấy vi sinh vật hữu ích 145 

3.4.1 Tạo chế phẩm sinh học ứng dụng trong nông lâm nghiệp 145 

3.4.2 Tạo chất keo tụ sinh học 149 

3.5. Xây dựng định hướng nghiên cứu tiếp theo 149 

3.5.1 Một số công trình liên quan đến việc tận dụng bùn thải đã công bố 149 

3.5.2 Định hướng nghiên cứu tiếp theo 150 

3.5.3 Danh mục các đề xuất của Nhiệm vụ 151 

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 152 

TÀI LIỆU THAM KHẢO 160 

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Thành phần chất rắn của bùn thải 06 trạm XLNT của Canada [19] 6

Bảng 1.2: Thành phần chất rắn của bùn thải 3 trạm XLNT ở Quebec [13] 7

Bảng 1.3: Thông số hóa học của bùn thải 06 trạm XLNT của Canada [19] 8

Bảng 1.4 Thông số hóa học của bùn thải tại 03 trạm XLNT Quebec [13] 8

Bảng 3.1: Nguồn phát sinh nước thải trong qui trình sản xuất bia 42

Bảng 3.2: Nguồn phát sinh nước thải trong sản xuất nước dứa đóng hộp 46

Bảng 3.3: Đặc tính nước thải trung bình của 03 đợt lấy mẫu nước thải (đợt 1,2,3) và đợt 4 của Tổng Cty Bia rượu NGK Hà Nội 56

Bảng 3.4: Nồng độ mẫu nước bổ sung ở bể kị khí và bể trung gian 57

Bảng 3.5: Kết quả phân tích thành phần vi sinh vật 57

Bảng 3.6: Đặc tính trung bình bùn thải Tổng Cty Bia - Rượu - NGK Hà Nội 60

Bảng 3.7: Đặc tính nước thải tại trạm XLNT Công ty HABECO-ID 64

Bảng 3.8: Đặc tính bùn thải trung bình của Công ty HABECO - ID 66

Bảng 3.9 : Kết quả phân tích mẫu nước của 02 đợt lấy mẫu 69

Bảng 3.10 Mật độ vi sinh vật trong nước thải 70

Bảng 3.11: Kết quả phân tích mẫu bùn trong bể chứa của 02 đợt lấy mẫu 72

Bảng 3.12 Kết quả phân tích vi sinh vật trong bùn thải 72

Bảng 3.13: Kết quả phân tích trung bình của 03 đợt lấy mẫu 74

Bảng 3.14: Nồng độ trung bình của mẫu đầu ra bể kị khí 76

Bảng 3.15: Nồng độ trung bình của mẫu bùn trong bể ủ của 03 đợt lấy mẫu 77

Bảng 3.16 : Kết quả trung bình của các mẫu sau 03 đợt lấy mẫu 80

Bảng 3.17: Nồng độ các mẫu bổ sung trong 03 đợt lấy mẫu 81

Bảng 3.18: Đặc tính bùn thải trạm XLNT Trúc Bạch 83

Bảng 3.19: Đặc tính nước thải trung bình của Nhà máy XLNT BTL– VT 86

Bảng 3.20: Nồng độ trung bình của mẫu nước bổ sung 87

Bảng 3.21: Đặc tính trung bình của các mẫu bùn thải trạm XLNT BTL- VT 89

Bảng 3.22: Nồng độ các nguyên tố kim loại giới hạn của 02 trạm XLNTSH 92

Bảng 3.23: Bảng tổng hợp đánh giá kết quả chất lượng nước thải trước và sau khi xử lý tại các nhà máy đã điều tra khảo sát 104

Bảng 3.24: Bảng tổng hợp kết quả phân tích chất lượng bùn sinh học trong bể hiếu khí và trong bể chứa 106

Bảng 3.25 So sánh kết quả 3 dạng EPS sử dụng (phương pháp kiềm nhiệt) 115

Bảng 3.26 So sánh kết quả 3 dạng EPS sử dụng (phương pháp axit nhiệt) 116

Bảng 3.27: So sánh kết quả 3 dạng EPS sử dụng (phương pháp thủy phân) 117

Bảng 3.28 Tỷ lệ COD/BOD trong pha lỏng trước và sau xử lý bằng Fenton 122

Bảng 3.29: Ảnh hưởng của các phương pháp tiền xử lý bùn lên quá trình sinh trưởng của B.thuringiensis 130

Bảng 3.30 Kết quả ảnh hưởng của phương pháp tiền xử lý lên khả năng sinh trưởng của Rhirobium 131

Bảng 3.31 Ảnh hưởng của nguồn bùn bổ sung vào môi trường lên sự sinh trưởng và

phát triển của hai chủng Rhizobium phân lập được 135 Bảng 3.32 Mật độ tế bào của hai chủng vi khuẩn Rhizobium khi nuôi cấy trên môi

trường bùn thải 137Bảng 3.33 Đặc tính bùn thải của các trạm XLNT Việt Nam và Canada 146Bảng 3.34: Tổng hợp 03 đề xuất của nhiệm vụ 151

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1 : Kỹ thuật xử lý BTSH bằng kỹ thuật thay đổi Ph 28

Hình 2.2: Kỹ thuật xử lý BTSH bằng phương pháp nhiệt học 29

Hình 2.3: Kỹ thuật xử lý BTSH bằng phương pháp ôxi hóa 30

Hình 2.4: Kỹ thuật xử lý BTSH bằng phương pháp thủy phân 31

Hình 2.5: Qui trình nuôi cấy vi sinh vật 32

Hình 3.1: Sơ đồ dây chuyền sản xuất nước dứa cô đặc kèm dòng thải 40

Hình 3.2: Sơ đồ dây chuyền XLNT Tổng Cty CP Bia -Rượu- NGK Hà Nội 43

Hình 3.3: Một số hình ảnh minh hoạ công đoạn xử lý bùn 44

Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý dây chuyền XLNT của Công ty HABECO-ID 45

Hình 3.5 : Một số hình ảnh minh họa công đoạn xử lý bùn của 46

Hình 3.6: Sơ đồ dây chuyền xử lý nước thải Cty CPTPXK Đồng Giao 47

Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý hệ thống XLNT Công ty Kinh Đô Miền Bắc 49

Hình 3.8 : Sơ đồ nguyên lý hệ thống XLNT Trúc Bạch 51

Hình 3.9: Một số hình ảnh công đoạn xử lý bùn 52

Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý hệ thống XLNT của Nhà Máy BTL-VT thực tế 53

Hình 3.11: Sơ đồ qui trình xử lý bùn của Nhà máy XLNT BTL – Vân Trì 53

Hình 3.12: Một số hình ảnh nhà xử lý bùn 54

Hình 3.13 Phía trong bể kị khí 59

Hình 3.14: Thành phần % VSS của BTSH của Tổng Cty HABECO 61

Hình 3.15: Đồ thị minh họa nồng độ TKN, TN, TP trong 03 mẫu bùn 62

Hình 3.16: Nồng độ các nguyên tố kim loại nhóm 1 trong các mẫu bùn 63

Hình 3.17: Đồ thị minh họa nồng độ các kim loại giới hạn 63

Hình 3.18: Minh họa mẫu bùn NT 3-2 khó lắng 65

Hình 3.19: Đồ thị minh họa nồng độ trung bình các thành phần TKN, TN, TP 67

Hình 3.20: Nồng độ kim loại nhóm 1 trong mẫu bùn bia Hà Nội và Hưng Yên 68

Hình 3.21: Nồng độ kim loại nhóm 2 trong mẫu bùn của Cty HABECO-ID 69

Hình 3.22: Nồng độ các kim loại trong mẫu nước đầu vào, bể hiếu khí, đầu ra 71

Hình 3.23: Nồng độ kim loại nhóm 1 trong mẫu bùn Cty CPTPXK Đồng Giao 73

Hình 3.24: Nồng độ kim loại nhóm 2 của bùn thải Cty Dứa Đồng Giao 74

Hình 3.25: Nồng độ kim loại nhóm 1 của các nguồn bùn khác nhau 74

Hình 3.26: Đồ thị minh họa nồng độ các nguyên tố kim loại nhóm 1 79

Hình 3.27: So sánh nồng độ kim loại nhóm 2 của nhóm nhà máy CBNSTP 80

Hình 3.28: Nồng độ kim loại nhóm 1 trong mẫu bùn của Trúc Bạch 85

Hình 3.29: Nồng độ kim loại giới hạn trong mẫu bùn của Trúc Bạch 85

Hình 3.30: Đồ thị nồng độ kim loại nhóm 1 trong các mẫu bùn BTL-VT 91

Hình 3.31: Một số hình ảnh trong đợt 2 95

Hình 3.32: Một số hình ảnh tại bể hiếu khí và bể lắng trong đợt 3 95

Hình 3.33: Những vấn đề gặp phải của hệ thống XLNT Kinh Đô Miền Bắc 99

Hình 3.35: Hoạt tính keo tụ kaolin của 03 dạng EPS ( phương pháp kiềm nhiệt) 116

Hình 3.36: Hoạt tính keo tụ kaolin của 03 dạng EPS (phương pháp axit nhiệt) 117

Hình 3.37: Hoạt tính keo tụ kaolin của 03 dạng EPS (phương pháp thủy phân) 118

Hình 3.38: Biến đổi hàm lượng chất trong pha lỏng sau tiền xử lý bùn bia trong môi trường axit 119

Hình 3.39: Biến đổi hàm lượng chất trong pha lỏng sau tiền xử lý bùn Trúc Bạch trong môi trường axit 120

Hình 3.40: Biến đổi hàm lượng chất trong pha lỏng sau tiền xử lý bùn bia trong môi trường kiềm 120

Hình 3.41: Biến đổi hàm lượng chất trong pha lỏng sau tiền xử lý bùn Trúc Bạch trong môi trường kiềm 121

Hình 3.42 Biến đổi hàm lượng chất trong pha lỏng sau tiền xử lý (t=30 phút) 121

Hình 3.43 Biến đổi hàm lượng chất trong pha lỏng sau tiền xử lý (t=60 phút) 122

Hình 3.44: Minh họa thí nghiệm các phương pháp tiền xử lý khác nhau 124

Hình 3.45 Ảnh hưởng của phương pháp tiền xử lý đến số lượng tế bào, 125

Hình 3.46: Ảnh hưởng của pH của dịch nuôi cấy lên khả năng sinh trưởng và sinh độc tính của B.thuringiensis 126

Hình 3.47 Ảnh hưởng của điều kiện nuôi cấy lên khả năng sinh trưởng, phát triển và hình thành độc tính delta-endotoxin của B.thuringiensis 127

Hình 3.48 Biểu đồ biểu diễn mật độ tế bào, bào tử trong các thí nghiệm 130

Hình 3.49: Biểu đồ biểu diễn mật độ tế bào, bào tử trong các phương án TN 133

Hình 3.50 Ảnh hưởng của tỷ lệ bùn lên khả năng sinh trưởng của Rhi4 136

Hình 3.51 Ảnh hưởng của tỷ lệ bùn lên khả năng sinh trưởng của Rhi5 136

DANH MỤC CHỮ VIÊT TẮT

A2O Hệ kị khí – thiếu khí – hiếu khí

AO Hệ kị khí – hiếu khí

BVMT Bảo vệ môi trường

BOD Nhu cầu oxy hóa hóa học (mgO2/l)

BTNMT Bộ Tài nguyên Môi trường

TSA Trypton soy bean broth

TSB Trypton soy bean agar

VS Hàm lượng rắn bay hơi

VKKK Vi khuẩn kỵ khí

XLNT Xử lý nước thải

YMB Yeast malt broth

MỞ ĐẦU

Trong khoảng 20 năm đổi mới nền kinh tế nước ta đã phát triển mạnh, bên cạnh sự phát triển chóng mặt của các ngành công nghệ viễn thông, tin học thì ngành công nghệ chế biến lương thực và thực phẩm cũng phát triển mạnh mẽ để đáp ứng nhu cầu của cuộc sống Tuy nhiên bên cạnh những thành tựu đạt được như sản lượng tăng, số lượng mặt hàng ngày càng phong phú, chất lượng hàng hóa ngày một cải thiện thì một vấn đề bức xúc về chất thải cho môi trường đó là bùn thải phát sinh từ trạm xử lý nước thải của các ngành công nghiệp nhất là từ các ngành chế biến nông sản thực phẩm, một trong những ngành tiêu thụ nhiều nước và sinh ra một lượng nước thải lớn sau chế biến Ngoài ra nước thải sinh hoạt cũng là một vấn đề rất cần xem xét về khối lượng và chất lượng Hiện tại ở Việt Nam, đối với ngành chế biến nông sản thực phẩm đã có rất nhiều các công trình nghiên cứu về công nghệ xử lý nước và từ đó các trạm xử lý nước đã được xây dựng và đi vào hoạt động để xử lý nước thải cho các nhà máy sản xuất bia,

mì chính, chế biến tinh bột, chế biến nông sản

Tuy nhiên, chúng ta mới chỉ quan tâm đến vấn đề xử lý nước chứ chưa có nghiên cứu nào về vấn đề xử lý bùn thải sinh ra từ các trạm xử lý trên Bùn thải sau khi xử lý (tách nước) phần lớn thu gom và chuyển đến các bãi chôn lấp hoặc dùng làm phân bón cho cây trồng nhưng rất hạn chế, vì chưa có kiểm tra về tính độc của chúng, mà cũng chưa có công nghệ thích hợp để xử lý chúng Như chúng ta đã biết trong quá trình xử lý bằng công nghệ bùn hoạt tính khoảng 30 - 40% các chất hữu cơ có trong nước thải sẽ chuyển sang dạng bùn Đây là một khối lượng không nhỏ, nếu không có giải pháp xử lý thích hợp thì sẽ tái ô nhiễm môi trường trở lại, hoặc trở thành một trở ngại cho các doanh nghiệp

Trong lĩnh vực bảo vệ môi trường, vi sinh vật có vai trò rất quan trọng Nhiều quy trình công nghệ xử lí ô nhiễm môi trường hiện tại được xây dựng trên

cơ sở tham gia tích cực của vi sinh vật, bao gồm: xử lý rác thải, nước thải, phân hủy các chất độc hại, cải tạo, phục hồi môi trường Nhưng đối với các công nghệ sẵn có hiện nay trên Thế giới, các công nghệ sinh học vẫn đưa ra một lượng chất thải nhất định dưới trạng thái thông thường của vật chất (rắn, lỏng, khí) Như

vậy, mặc dù công nghệ sinh học đã có những đóng góp rất nhiều trong công nghệ môi trường, nhưng vẫn cần có những nghiên cứu tiếp để đáp ứng nhu cầu làm sạch một cách tự nhiên của môi trường

Trong lĩnh vực sinh học này, công nghệ vi sinh vật môi trường đang là phương pháp tiếp cận nghiên cứu tốt nhất của Thế giới về giảm thiểu và đi dần đến triệt tiêu chất thải do con người tạo ra Rất nhiều dự án nghiên cứu chế phẩm vi sinh trong xử lý chất thải đã thành công, như Nhật Bản, Canada, Đức v.v Các nghiên cứu khoa học trong lĩnh vực vi sinh vật môi trường này được tập trung nghiên cứu phân tách từ vi sinh tự nhiên hay tạo ra các chủng, giống vi sinh vật mới, có khả năng nuôi dưỡng thành các chế phẩm sinh học nhằm giải quyết triệt để vấn đề chất ô nhiễm trong nước thải, rác thải mà công nghệ sinh học trước đây chưa làm được như các kĩ thuật sinh học kỵ khí, hiếu khí vì chúng vẫn để lại chất thải Công nghệ sạch được coi như một loại công nghệ mà trong

nó có rất ít hoặc không chất thải Điều đó có nghĩa là các chất thải cần đổ bỏ thì nay được nghiên cứu để tái sử dụng hoặc tái chế lại thành những sản phẩm có hiệu quả kinh tế Công nghệ sử dụng bùn thải của các trạm xử lý nước thải (thông thường được coi là chất thải cần chôn lấp trước đây) để tạo ra những chế phẩm vi sinh có ích làm tăng khả năng tự bảo vệ của đất và cây trồng đang là một trong mũi nhọn nghiên cứu trên Thế giới Quá trình này mang nhiều ý nghĩa cho môi trường khi giảm thiểu lượng bùn thải phải chôn lấp, tạo ra được những nguồn nguyên liệu mới có giá thành rẻ, qua đó góp phần hướng tới một nền sản xuất nông lâm nghiệp sạch khi mà các vi sinh vật hữu ích như nhóm vi sinh cố định đạm, nhóm vi sinh có khả năng sinh độc tính trừ sâu hại có khả năng phát triển tốt trên môi trường bùn thải sinh học

Để thực hiện được quá trình tạo thêm giá trị mới cho bùn thải sinh học, sự kết hợp giữa hai ngành: vi sinh vật môi trường và công nghệ môi trường là một hướng tiếp cận mới, mang tính bền vững và thân thiện với môi trường Hướng nghiên cứu này đã được phát triển tại trung tâm ETE của GS Rajeshwar Dayal Tyagi tại Viện nghiên cứu khoa học quốc gia Québec (INRS) – Canada Đã có

của các trạm xử lý nước thải làm nguyên liệu nuôi cấy vi khuẩn nốt sần để bón cho cây trồng, sản xuất thuốc trừ sâu sinh học Bt, chế phẩm vi sinh vật đối kháng v.v phục vụ cho nông lâm nghiệp Các kết quả thu được cho thấy việc sử dụng bùn thải từ các trạm xử lý nước thải làm nguyên liệu để sản xuất các chế phẩm sinh học có khả năng ứng dụng vào thực tiễn rất lớn, giảm chi phí đáng kể

về giá thành sản xuất các chế phẩm vi sinh vật phục vụ nông lâm nghiệp Đồng thời tái sử dụng bùn thải của các công trình xử lý như là sản phẩm thứ cấp, cung cấp nguồn cacbon, nitơ, photpho và các chất khoáng để nuôi cấy vi sinh vật Đây thực sự là vấn đề cấp thiết đối với Việt Nam để phát triển bền vững trong tương lai

Ở Việt Nam, việc sản suất các chế phẩm vi sinh vật và thuốc trừ sâu sinh học phục vụ cho nông nghiệp đã được triển khai nghiên cứu trong chương trình Công nghệ sinh học giai đoạn 1996-2000, 2001-2004 đề tài KHCN 02-07, KC 04-12 Chế phẩm Bt được sản xuất với qui mô pilot từ nguồn nguyên liệu tổng hợp và hoạt tính của chế phẩm đã được khảo nghiệm trong PTN và trên đồng ruộng cho kết quả tương đương với chế phẩm Bt ngoại nhập [5,6] Tuy nhiên, việc sản xuất và ứng dụng thuốc trừ sâu sinh học Bt ở nước ta còn một số hạn chế như qui mô sản xuất Bt nhỏ, giá thành sản phẩm cao

Việt Nam cũng có nhiều nghiên cứu sản xuất chế phẩm vi sinh phục vụ cho xử lý ô nhiễm nước Tuy nhiên, cho đến nay, chưa có tác giả nào nghiên cứu

sử dụng bùn hoạt tính làm nguồn cung cấp nguyên liệu (carbon, nitơ ) để sản xuất các chế phẩm sinh học Vì vậy, việc nghiên cứu sử dụng bùn của các công trình xử lý nước thải để sản xuất các chế phẩm sinh học là công nghệ mới, công nghệ sạch trong tương lai của ngành công nghệ xử lý nước thải cần phải được đẩy mạnh nghiên cứu trong thời gian tới

DANH SÁCH CÁN BỘ THAM GIA THỰC HIỆN

Chủ trì nhiệm vụ phía Việt Nam PGS.TS Nguyễn Hồng Khánh

Xây dựng cơ sở dữ liệu về bùn thải Ths Phạm Tuấn Linh

Ths Nguyễn Viết Hoàng Điều tra khảo sát các nhà máy bia, chế

biến NSTP và các trạm XLNTSH

Ths Nguyễn Thị Vân Trang

CN Dương Hồng Phú

Và các cán bộ khác Tham gia chương trình đào tạo 03 tháng

tại Canada

Ths Nguyễn Viết Hoàng

CN Đặng Thị Mai Anh

CN Trần Hà Ninh Đoàn chuyên gia trao đổi khoa học phía

Việt Nam

TS Tăng Thị Chính PGS.TS Ngô Đình Bính Đoàn chuyên gia trao đổi khoa học phía

Canada

GS Rajeshwar Dayal Tyagi

GS Lê Quốc Sính Thực tập kỹ thuật xử lý nước thải và bùn

thải

Nguyễn Viết Hoàng

Và các cán bộ PTN khác Thực tập kỹ thuật nuôi cấy vi sinh vật trên

nước thải và bùn thải

Đặng Thị Mai Anh Trần Hà Ninh

Và các cán bộ PTN khác

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Khái quát về bùn thải sinh học

1.1.1 Nguồn phát sinh bùn thải sinh học

Bùn thải sinh học là phần bùn dư thừa phát sinh từ các trạm xử lý nước thải theo phương pháp sinh học, thông thường là quá trình bùn hoạt tính trong công đoạn

xử lý hiếu khí, yếm khí hay kết hợp như yếm khí – hiếu khí, yếm khí – thiếu khí – hiếu khí (A2O)

1.1.2 Lượng bùn thải sinh học phát sinh

Quá trình xử lý nước thải tạo ra một lượng lớn bùn, ước tính chiếm từ 5% đến 25% tổng thể tích nước xử lý Trong quá trình xử lý bằng công nghệ bùn hoạt tính, khoảng 30 - 40% các chất hữu cơ có trong nước thải sẽ chuyển sang dạng bùn hay lượng bùn sinh ra khi xử lý 1 kg COD trong nước thải là khoảng từ 0,3 đến 0,5 kg bùn

Đối với các nước châu Âu, lượng bùn thải khô trên một đầu người được thống

kê từ quá trình xử lý nước sơ cấp và thứ cấp là khoảng 90g/ngày/người Việc xử

lý toàn bộ nước thải trong thành phố của 15 nước cộng đồng châu Âu vào năm

2005, làm phát sinh thêm khoảng 10,7 triệu tấn bùn khô mỗi năm Thêm nữa, với chỉ thị 86/278/EEC quy định về bùn thải trong nông nghiệp nhằm ngăn ngừa

sự tích luỹ của các chất độc, đặc biệt là kim loại nặng sẽ làm phát sinh khoảng 4 triệu tấn bùn mỗi năm [35]

Ở Anh, có khoảng 30 triệu tấn bùn thải mỗi năm tương đương với 1,2 triệu tấn bùn khô mỗi năm [35]

Các trạm xử lý nước thải ở Trung Quốc tạo ra khoảng 5,5 triệu tấn bùn tính theo trọng lượng khô vào năm 2006 Một phần đáng kể lượng bùn này được sử dụng trong nông nghiệp và phần còn lại được chôn lấp hoặc thải bỏ theo các hình thức khác Trong quá khứ, việc thải bỏ bùn từ hệ thống xử lý nước thải được xem như không tạo ra bất kỳ vấn đề môi trường nào Nhưng hiện nay, việc xử lý bùn thải được Chính phủ kiểm tra Các nỗ lực về sử dụng bùn thải một cách an toàn và ích lợi như dùng cho nông nghiệp hoặc thu hồi năng lượng là một hướng đi mới [37]

Chi phí quản lý và xử lý bùn dao động từ 30-40% chi phí tổng và chiếm 50% chi phí vận hành của một nhà máy xử lý nước thải tiêu biểu [18] Chi phí này sẽ

là gánh nặng cho các hệ thống xử lý nước thải nêu không có các biện pháp xử lý bùn thải thay thế Do đó, các biện pháp xử lý bùn thải có chi phí thấp, thân thiện với môi trường sẽ là lời giải cho bài toán xử lý một khối lượng lớn bùn thải đang hàng ngày phát sinh tại các trạm XLNT áp dụng biện pháp xử lý sinh học

1.1.3 Đặc tính bùn thải sinh học

Bùn thải là một hỗn hợp lỏng rắn chứa các thành phần: nước chiếm 95% đến 98% trọng lượng ẩm và một phần các chất hữu cơ, vô cơ và rất nhiều loại vi sinh vật Đặc tính bùn thải sinh học được thể hiện qua các thông số vật lý, hóa học và sinh học Đặc tính bùn thải phụ thuộc vào nhiều yếu tố: đặc điểm nước thải, công nghệ xử lý nước thải và bùn thải, các biện pháp quản lý bùn thải Trong cùng một hệ thống xử lý nước thải thì tính chất của bùn ở các công đoạn xử lý khác nhau cũng khác nhau Việc nghiên cứu tạo thêm giá trị mới cho bùn thải cần có những nghiên cứu sâu về tính chất vật lý, hóa học và sinh học của bùn thải Minh họa cho đặc tính bùn thải được trích dẫn từ các loại bùn thải của

Canada sử dụng cho nghiên cứu nuôi cấy hai chủng vi sinh Shinorhizobium và Bacillus Thuringiensis

1.1.3.1 Tính chất vật lý

a) Thành phần chất rắn

Thành phần chất rắn thể hiện qua các thông số: TS, VS, SS, VSS Gía trị TS, TSS của bùn sơ cấp ở các trạm VALP, BLKP nhìn chung cao hơn so với bùn thứ cấp [19]

Bảng 1.1: Thành phần chất rắn của bùn thải 06 trạm XLNT của Canada [19]

Ghi chú:

VALP: Trạm XLNTSH Valcartier, mẫu bùn lấy ở bể lắng sơ cấp

BLP:Trạm XLNTSH Black Lake, mẫu bùn lấy ở bể lắng sơ cấp

BLS: Trạm XLNTSH Black Lake, mẫu bùn thứ cấp lấy từ thiết bị SBR

PPS: Trạm XLNT giấy và bột giấy, mẫu bùn thứ cấp lấy từ quá trình bùn hoạt tính

CUQ: Trạm XNLT Communaute Urbaine du Quebec, mẫu bùn hỗn hợp gồm bùn bể lăng sơ cấo và bùn thứ cấp lấy từ thiết bị lọc sinh học

Bảng 1.2: Thành phần chất rắn của bùn thải 3 trạm XLNT ở Quebec [13]

Ghi chú: 3 loại bùn đều là bùn thứ cấp, lấy trong bể phản ứng sinh học, được để lắng

để tăng nồng độ chất rắn; JQS: Jonquiere, áp dụng kỹ thuật bùn hoạt tính

Hàm lượng chất rắn có ảnh hưởng lên khả năng sinh trưởng và hình thành độc tố của chủng Bt khi nuôi cấy trên bùn thải của trạm CUQS [13]

c) Khả năng tách nước của bùn

Thành phần nước trong bùn sinh học thường chiếm hơn 95% khối lượng Nước trong bùn được chia ra thành một số loại

- Nước không tiếp xúc với bùn và có thể tách ra dễ dàng bằng quá trình lắng trọng lực đơn giản

- Nước được giữ trong cấu trúc bông bùn và di chuyển bên trong bông bùn hoặc có thể được giữ trong tế bào Nước có thể được giải phóng khi bông bùn bị

phá vỡ hoặc tế bào bị phá vỡ Một số phần nước này có thể đựoc loại bỏ bằng các thiết bị tách nước cơ học như thiết bị ly tâm

- Nước được liên kết với các phần tử chất rắn được giữ trên bề mặt hạt rắn

và không thể bị loại bỏ bằng quá trình ly tâm hoặc các phương tiện cơ học khác

- Vỏ áo nước là phần nước liên kết với các hạt rắn và có thể được giải phóng chỉ bằng quá trình phá huỷ nhiệt và phản ứng hóa học [43]

Bảng 1.4 Thông số hóa học của bùn thải tại 03 trạm XLNT Quebec [13]

b) Thành phần dinh dưỡng

Thành phần dinh dưỡng của bùn thể hiện qua các thông số như TN, TKN, TP,

NH4 Trong nghiên cứu của Faozi Ben Rebah và các cộng sự về ảnh hưởng của

nguồn gốc 05 loại bùn thải lên sinh trưởng của Sinorhizobium meliloti cho thấy:

bùn thải có thành phần dinh dưỡng cao hơn cho mật độ tế bào cực đại cao hơn [19]

Các nghiên cứu của A.Yezza và cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của các loại bùn thải khác nhau đến sinh trưởng và tạo độc tố của chủng Btk nuôi trong thiết

bị lên men 150 lít Trong 3 loại bùn thải của Canada minh họa trên thì bùn thải của trạm BLS có hàm lượng C, N cao hơn nên cho mật độ tế bào, bào tử và đặc biệt nồng độ độc tố cao hơn so với hai loại bùn kia

c) Thành phần kim loại

Kim loại trong bùn thải phụ thuộc vào loại nước thải, công nghệ xử lý nước thải

và bùn thải, biện pháp quản lý bùn thải Mặt khác, bùn thải chính là sinh khối của vi sinh vật hoạt động trong hệ thống xử lý sinh học nên kim loại trong tế bào

vi sinh cũng có trong thành phần này của bùn thải Các nguyên tố đa lượng là kim loại trong tế bào vi sinh như Ca, Mg, Mn, K, Na Cũng theo nghiên cứu của A.Yezza và cộng sự thì việc bùn thải thiếu hụt một trong hai nguyên tố Mg, Mn

sẽ giảm sự phát triển và sự tạo thành bào tử nhưng ảnh hưởng đáng kể nhất là làm giảm quá trình tổng hợp độc tính của Btk [13]

d) Các thành phần khác:

Tùy thuộc vào nguồn gốc bùn thải sinh học mà trong bùn thải có thể có các các hợp chất hữu cơ bền vững như steroids, alkyphenols, PCBs, PAH, hóa chất dược phẩm, chất béo, dầu khoáng, mỡ và các chất hoạt động bề mặt Các hợp chất này

có thể được loại bỏ bằng các quá trình tiền xử lý bùn như nhiệt phân, ôxi hóa hóa học…

1.1.3.3 Tính chất sinh học

Bùn thải sinh học thực chất là tập hợp của rất nhiều loại vi sinh vật, trong đó có các tác nhân gây bệnh Trước những năm 1970, không có qui định trực tiếp về vấn đề thải bùn Sau nhiều năm, Tiêu chuẩn về sử dụng và thải bỏ bùn thải được ban hành vào năm 1993 do EPA biên soạn (40CFR 503, EPA, 1993a) và được viết tắt “ Part 503 Sludge Rule” Trong luật này, có chia bùn thải thành hai hóm

A (an toàn khi tiếp xúc trực tiếp) và nhóm B ( qui định chặt chẽ khi sử dụng cho nông nghiệp) Ví dụ: Bùn thải nhóm A có qui định về coliform là ít hơn 1000 fecal coliform/g bùn khô hoặc ít hơn 3 samonella/4g bùn khô [36]

1.2 Các biện pháp nâng cao giá trị bùn thải sinh học trên Thế giới

Bùn và các thành phần có ích trong bùn thải như chất hữu cơ, dinh dưỡng

và các chất vi lượng khác cũng có thể được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau như là: sử dụng làm phân bón và điều hoà đất, tạo ra năng lượng (biogas, điện, nhiệt…) Bùn cũng có thể được chuyển thành những nguyên liệu để nuôi cấy các vi sinh vật hữu ích, tạo ra được các sản phẩm thân thiện với môi trường như thuốc bảo vệ thực vật sinh học, kích thích tăng trưởng sinh học, chất tẩy rửa sinh học, bioplastic, chất keo tụ sinh học, enzyme v.v…[22]

Biện pháp đốt để thu hồi giá trị năng lượng của bùn thải được áp dụng chủ

yếm khí cũng được áp dụng nhằm chuyển hóa các chất hữu cơ trong bùn thải thành khí sinh học, tạo giá trị về mặt năng lượng Các biện pháp tiền xử lý bùn

để tăng hiệu quả của quá trình xử lý yếm khí gồm các phương pháp siêu âm, các phương pháp nhiệt, các quá trình hóa học và sinh học (sử dụng enzim) Mục đích của các quá trình này để làm phá vỡ màng tế bào vi sinh, giải phóng nhiều nhất có thể các chất hữu cơ từ pha rắn vào pha lỏng qua đó làm tăng hiệu quả của quá trình xử lý yếm khí cuối cùng Tuy nhiên, đây là một phương pháp đòi hỏi chi phí lớn để xây dựng các thiết bị yếm khí và thường không phù hợp với các nước đang phát triển, các nước nghèo

Bùn thải cũng được sử dụng làm phân bón cho nông nghiệp Tuy nhiên, việc sử dụng bùn thải trực tiếp như là phân bón cho cây trồng đã bị hạn chế do một số quy định, tiêu chuẩn về việc loại bỏ và sử dụng cho nông nghiệp được áp dụng ở một vài nơi trên thế giới [24] Do đó, việc áp dụng các kỹ thuật nâng cao giá trị bùn thải tạo ra các sản phẩm có ích cho nông nghiệp đang được coi trọng

Trong hướng tiếp cận của Nhiệm vụ này thì phương pháp nâng cao giá trị

của bùn thải sinh học là phương pháp tái sử dụng bùn thải thành nguyên liệu thô nuôi cấy vi sinh vật hữu ích thay thế các nguyên liệu tổng hợp thường có giá

thành cao và phải nhập khẩu Do các chất dinh dưỡng, chất hữu cơ nằm chủ yếu trong tế bào vi sinh của bùn thải nên vi sinh vật được nuôi cấy sẽ khó có khả năng tiếp cận và sử dụng nguồn cơ chất này Vì vậy, quá trình tiền xử lý là cần thiết Nguyên lý chung của các phương pháp tiền xử lý là sử dụng những tác động cơ học, lý học, hóa học hoặc kết hợp giữa các phương pháp trên để phá vỡ

tế bào vi sinh vật để chuyển cơ chất từ pha rắn vào pha lỏng, nhờ đó, vi sinh vật

sẽ dễ dàng tiếp cận và sử dụng Nhiều phương pháp tiền xử lý bùn khác nhau đã được phát triển và sử dụng để xử lý bùn thải thành môi trường nuôi cấy vi sinh vật như phương pháp nhiệt, phương pháp nhiệt kết hợp với thay đổi pH (kiềm hoặc axit), phương pháp ôxy hóa hay các phương pháp vật lý như dùng sóng siêu âm

1.3 Các kỹ thuật tiền xử lý bùn thải sinh học thành nguyên liệu thô nuôi cấy vi sinh vật hữu ích

1.3.1 Phương pháp nhiệt phân:

Theo phương pháp này, tế bào bị phá vỡ do chênh lệch áp suất Qúa trình này

có ưu điểm là khử trùng mẫu và tăng khả năng tách nước của bùn Qua nhiều nghiên cứu đã thực hiện thì khoảng nhiệt độ dao động từ 900-2100C và thời gian

xử lý ít có ảnh hưởng Hơn nữa, xử lý nhiệt còn ảnh hưởng đến độ nhớt của bùn

và cải thiện khả năng lọc của bùn

9 Ở điều kiện thanh trùng:

Mục đích của phương pháp này là thanh trùng môi trường bùn thải để tiêu diệt các vi sinh vật có mặt trong bùn thải, thu được môi trường sạch cho việc nuôi cấy vi sinh vật hữu ích

Trong các nghiên cứu liên quan tới nâng cao giá trị bùn thải bằng cách tiền xử lý chúng thành môi trường nuôi cấy các vi sinh vật hữu ích được tiến hành tại phòng thí nghiệm của GS R.D Tyagi, phương pháp nhiệt phân (tại

121oC, 30phút) được sử dụng phổ biến vì đây cũng là bước thanh trùng môi trường trước khi nuôi cấy vi sinh vật Đây có thể xem là phương pháp thủy phân Thủy phân bùn là một cách thức để phá vỡ các thành phần cấu trúc quan trọng của bùn thải để chuyển chúng thành dạng hòa tan và ít phức tạp hơn, nhờ vậy tác động được tới độ nhớt và khả năng loại nước của bùn Phương pháp này cũng giúp giảm đáng kể những chủng vi khuẩn gây bệnh có trong bùn thải và tăng được hàm lượng hữu cơ dễ phân hủy sinh học.[33]

9 Ở điều kiện nhiệt độ cao:

Phương pháp nhiệt phân ở các mức nhiệt độ khác nhau là phương pháp đầu tiên được tiếp cận Phương pháp nhiệt phân được sử dụng trong nghiên cứu của JeonGSik Kim [27] về nâng cao khả năng phân hủy yếm khí của bùn thải để thu hồi khí metan Trong nghiên cứu này, phương pháp tiền xử lý bằng nhiệt phân cho hiệu quả tốt nhất khi so sánh với các phương pháp tiền xử lý khác như hóa học, siêu âm ở khả năng tạo khi metan và khả năng hòa tan cơ chất từ pha

SCOD tăng 25% và 60% khi bùn sinh học lấy tại bể lắng thứ cấp được tiền xử lý bằng nhiệt tại nhiệt độ 130oC và 170oC Các tác giả cũng đánh giá lượng khí sinh học hình thành ở thiết bị yếm khí dạng mẻ và cho thấy lượng khí sinh học tăng 21% và 45% tương ứng với từng nhiệt độ dùng trong tiền xử lý.[10]

9 Phương pháp nhiệt kết hợp điều chỉnh pH:

Phương pháp kiềm nhiệt được sử dụng trong tiền xử lý bùn nhằm tăng khả năng hòa tan của cơ chất và khả năng phân hủy của cơ chất có trong bùn thải Nhiều nghiên cứu tập trung chủ yếu vào ảnh hưởng của phương pháp tiền

xử lý tới hiệu quả tạo metan của quá trình phân hủy yếm khí bùn thải sinh học Các khoảng nhiệt độ nghiên cứu gồm: ở khoảng nhiệt độ thấp từ 60 – 100oC [14] [31], ở khoảng nhiệt độ trung bình từ 100–175oC [22], và ở khoảng nhiệt độ cao từ 175 – 225oC [21]

Phương pháp axit nhiệt được áp dụng phổ biến hơn tuy có những hạn chế như gây ăn mòn, cần quá trình trung hòa sau, tăng sự hòa tan của kim loại nặng

và phosphate Phương pháp axit nhiệt và kiềm nhiệt đều được sử dụng trong

nghiên cứu về khả năng phát triển của chủng Bacillus Thuringiensis, Sinorhizobium meliloti, Rhizobium leguminosarum để làm thuốc trừ sâu sinh

học trên môi trường nuôi cấy làm từ BTSH [17] [19] [40]

1.3.2 Phương pháp hóa học:

9 Phương pháp điều chỉnh pH môi trường bùn thải

Để tăng cường khả năng phân hủy sinh học của bùn sơ cấp và bùn thứ cấp, một nghiên cứu của Faouzi Ben Rebah và cộng sự đã tiến hành nghiên cứu điều kiện tiền xử lý bùn thải ở pH khác nhau nhằm tăng cường sự phát triển của rhizobia trên bùn thải Kết quả cho thấy, với bùn sơ cấp, không áp dụng biện pháp tiền xử lý thì mật độ tế bào đạt cực đại là 11,1x109 CFU/ml ở điều kiện % TSS là 1,3% so với xử lý bằng axit H2SO4 đến pH 2, % TSS là 0,325% cho mật

độ tế bào đạt cực đại là 13x109 CFU/ml [17]

9 Phương pháp ôxi hóa

Các phương pháp tiền xử lý còn có thể có tác dụng oxy hóa một phần các hợp chất hữu cơ phân tử lượng cao thành dạng hữu cơ phân tử lượng thấp nhờ

đó tăng cường khả năng hấp thu của vi sinh

Phương pháp Fenton là một quá trình ôxi hóa tiên tiến được sử dụng như

là một biện pháp tiền xử lý hiệu quả để cải thiện khả năng phân hủy sinh học và giảm độc tính của nước thải và bùn thải cho các quá trình xử lý sinh học tiếp theo Ôxi hóa Fenton tạo ra các gốc hydroxyl OH* có thế ôxi hóa khử rất cao ( 2,8V) Qúa trình này gồm một dãy các phản ứng chuỗi trong môi trường axit (pH 3-4) với sự có mặt của các chất tham gia phản ứng chính là Fe2+ và H2O2 Các gốc OH* có thể dễ dàng đi qua màng tế bào trong bùn và thực hiện quá trình phá hủy thành tế bào Kết quả là các chất hữu cơ được giải phòng từ tế bào

vi sinh vào pha lỏng Hơn nữa, các gốc OH* ôxi hóa các hợp chất hữu cơ khó phân hủy sinh học trở nên dễ phân hủy sinh học hơn Phản ứng Fenton đã được ứng dụng để làm tăng khả năng phân hủy yếm khí cũng như khả năng tách nước của bùn thải Nghiên cứu nâng cao giá trị bùn thải làm nguyên liệu nuôi cấy

B.thuringiensis cho thấy khả năng hóa tan tối đa và khả năng phân hủy sinh học

bùn đạt được là 70% và 74% với các điều kiện tối ưu: 0,01 ml H2O2/g SS; tỉ lệ [

H2O2]: [Fe2+] là 150; 25g/l TS; thời gian phản ứng 60 phút Kết quả nuôi cấy Bt trên bùn đã được ôxi hóa Fenton cho mật độ tế bào cực đại là 1,63x109 CFU/ml

và hiệu suất tạo bào tử đạt 96% sau 48h lên men [43]

1.4 Các giá trị mới của bùn thải sinh học

Từ quan điểm thương mại, bùn thải giàu thành phần cacbon, nito và photpho và các chất vi lượng Do đó, nó có thể là một nguồn nguyên liệu thô hấp dẫn cho quá trình lên men công nghiệp Việc nuôi các chủng vi sinh công nghiệp trong bùn thải bằng các phương pháp lên men công nghiệp truyền thống ( thanh trùng môi trường, sản xuất chế phẩm ) đã được nghiên cứu bởi nhiều tác giả Những nghiên cứu này cho thấy có rất nhiều các sản phẩm thương mại như thuốc trừ sâu sinh học hoặc các chất kiểm soát sinh học, chất keo tụ sinh học … là những sản phẩm đầy hứa hẹn có được từ quá trình lên men các loại bùn thải thô hoặc

cạnh tranh cao do không hoặc ít sử dụng hóa chất độc hại Những ưu điểm liên quan đến hướng tiếp cận này gồm:

- Giảm thể tích bùn thải phải xử lý;

- Tận dụng được các nguồn cơ chất có sẵn trong bùn thải cho nuôi cấy vi sinh vật hữu ích;

- Thay thế các hóa chất trong nhiều ứng dụng và nhờ đó giảm được các sản phẩm hóa học độc hại thải vào môi trường ( bioplastic, chất keo tụ sinh học)

- Giảm phát thải khí nhà kính do quá trình xử lý bùn sinh ra

1.4.1 Sản xuất thuốc trừ sâu sinh học

Thuốc trừ sâu sinh học dựa trên chủng Bacillus thuringiensis là tác nhân

sinh học nổi bật cho việc kiểm soát côn trùng Hoạt tính trừ sâu của Bt không những phụ thuộc vào hoạt tính của chủng giống mà còn phục thuộc vào các

thông số vô sinh như thành phần môi trường Bacillus thuringiensis đã được

thương mại để kiểm soát các côn trùng hại cây rừng và cây nông nghiệp [13]

Chi phí cho môi trường nuôi cấy sản xuất thuốc trừ sâu sinh học Bacillus thuringiensis chiếm 35-59% nên để thương mại hóa được sản phẩm này cần tìm

ra những nguồn nguyên liệu thô có chi phí thấp và sẵn có để sản xuất Bt Một trong những loại nguyên liệu thô thay thế là bùn thải sinh học Các nghiên cứu này đã được thử nghiệm thành công tại PTN của GS Tyagi từ qui mô PTN đến qui mô pilot [13] Kết quả nghiên cứu trên qui mô pilot với các loại bùn thải sinh học của các trạm XLNT khác nhau ở Canada cho thấy mật độ tế bào của

chủng Bacillus thuringiensis thu được cao hơn khi nuôi cấy trên môi trường

tổng hợp có đậu nành Kết quả thử nghiệm thực tế với ấu trùng sâu trên cây vân san đã cho hiệu quả cao hơn so với sản phẩm thương mại tương tự bán ở trên thị

trường khoảng 20-25%

Tạo tác nhân kiểm soát sinh học từ chủng nấm Trichoderma nuôi cấy trên

bùn thải cũng là một hướng nghiên cứu nhằm nâng cao giá trị của BTSH Kết quả nuôi cấy trên bùn đã qua tiền xử lý bằng kiềm và kiềm nóng cho thấy mật

độ bào tử của nấm đạt 1,9.104CFU/ml trên bùn và cao hơn đối với bùn không

được xử lý Kết quả thử nghiệm với ấu trùng cây vân sam, độc tính của chủng

nấm Trichoderma có khả năng tiêu diệt 15036 SBU/µl [34]

1.4.2 Nguyên liệu nuôi cấy chủng vi khuẩn cố định nitơ

Phân bón cố định nitơ là sản phẩm chứa một hay nhiều chủng vi sinh vật sống (tự do, hội sinh, cộng sinh, kị khí hoặc hiếu khí) đã được tuyển chọn với mật độ đạt tiêu chuẩn hiện hành, với khả năng cố định nitơ, cung cấp các hợp chất chứa nitơ cho đất và cây trồng, tạo điều kiện nâng cao năng xuất cây trồng, chất lượng nông sản, tăng độ màu mỡ của đất Phân bón vi sinh cố định nitơ không gây ảnh hưởng xấu đến người, động thực vật, môi trường sinh thái và chất lượng nông sản

Chế phẩm vi khuẩn nốt sần (có tên gọi là nitragin) này đã được sản xuất và

sử dụng rộng rãi ở Liên Xô (cũ), Trung Quốc, Ba Lan, Bungari, Hungari, Rumani, Pháp, Mĩ, Hà Lan, Bỉ, Nam Tư (cũ), vv

Môi trường tổng hợp YMB (Yeast Mannitol Broth) đã được sử dụng cho việc tạo ra chế phẩm ở qui mô phòng thí nghiệm Tuy nhiên, việc sản xuất qui

mô công nghiệp môi trường này bị giới hạn bởi chi phí cao Một vài phế liệu nông nghiệp, như là bã ngũ cốc từ sản xuất rượu, proteoza từ vỏ cây họ đậu, mầm malt, công nghiệp sản xuất cao nấm men và chất lỏng được tạo ra bởi công nghiệp phomat đã được sử dụng cho sản xuất chủng giống thương mại

Bùn nước thải chứa nitơ, photpho, cacbon dễ phân huỷ sinh học và nhiều chất vi lượng khác cũng được cho là một nguồn nguyên liệu hứa hẹn cho nuôi cấy vi khuẩn nốt sần Nhận định này đã được khẳng định qua các nghiên cứu của GS Tyagi trên đối tượng bùn thải của các trạm XLNT sinh hoạt Khi nuôi cấy trên các thành phần bùn khác nhau ảnh hưởng đến việc sinh trưởng và hình

thành bào tử của vi khuẩn Rhizobium Thông thường mật độ tế bào nuôi trên bùn

thải sinh hoạt chưa qua xử lý đạt khoảng 109CFU/ml sau 72 h nuôi cấy, nhưng khi nuôi cấy trên bùn đã được xử lý bằng kiềm, axit và ôxy hoá thì mật độ tế bào

có thể đạt 1010CFU/ml Khi nuôi cấy trên nước thải nhà máy sản xuất tinh bột

với các tỷ lệ khác nhau thì mật độ vi khuẩn Rhizobium thì mật độ vi khuẩn và

1.4.3 Chất keo tụ sinh học

Các hệ thống xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học áp dụng công nghệ bùn hoạt tính thường sinh ra một lượng lớn bùn thải cần phải xử lý tiếp theo Để nâng cao khả năng lắng của bùn sinh học và tăng khả năng loại nước, chất keo tụ hóa học kết hợp với các polyme tổng hợp thường được sử dụng [45] Người ta ước tính hàng năm có khoảng 20 – 50 triệu kg polymer được sử dụng cho mục đích ổn định bùn tại Mỹ (tương đương với 130 triệu USD/năm) [18]

Tuy nhiên, việc sử dụng các chất keo tụ hóa học lại có khả năng tác động tới hệ vi sinh vật trong đất trong trường hợp bùn thải được tiếp tục sử dụng cho các mục đích liên quan tới nông nghiệp [23] Ngoài ra, việc sử dụng chất keo tụ hóa học còn ảnh hưởng tới độc tính của thuốc trừ sâu sinh học khi người ta sử dụng bùn thải làm môi trường nuôi cấy vi khuẩn Bt [46] Vì vậy, các nhà khoa học đã khuyến cáo nên giảm thiểu việc sử dụng chất keo tụ hóa học trong xử lý bùn nhằm giảm thiểu ảnh hưởng của chúng tới môi trường đất và những tác động độc hại khác [18]

Một trong những hướng mới được phát triển trong những năm gần đây là thay thế chất keo tụ hóa học bằng chất keo tụ sinh học hoặc sử dụng đồng thời

để giảm thiểu lượng hóa chất sử dụng nhằm tiếp cận tới một công nghệ mang tính thân thiện với môi trường Bản chất của phương pháp là sử dụng hợp chất polymer ngoại bào sinh ra bởi một số chủng vi khuẩn đặc biệt để keo tụ chất rắn Các chủng vi khuẩn này được gọi chung là chủng vi sinh vật sinh tạo EPS

(Extracellular Polymetric Substances) EPS đã được một số nhà nghiên cứu sử

dụng để keo tụ nước thải như nước sông, nước thải của nhà máy chế biến thịt, nước thải nhà máy bia và nước thải nhà máy làm nước sốt từ đậu [47], nước thải

từ nhà máy chế biến tinh bột [41], chất nhuộm [42, 51], nước thải tinh chế dầu

mỏ, keo tụ hợp chất humic trong nước rác [50], keo tụ nước sông và nước thải công nghiệp EPS sử dụng ở các nghiên cứu trên đều được tạo ra trên môi trường nuôi cấy nhân tạo có thành phần hóa học đã được nghiên cứu phù hợp cho quá trình phát triển của vi sinh vật có khả năng tạo ra

Những công bố đầu tiên về khả năng sử dụng bùn thải làm môi trường nuôi cấy vi sinh vật sinh EPS sử dụng để keo tụ bùn thải được thực hiện bởi nhóm nghiên cứu của GS R.D Tyagi Kết quả đạt được ban đầu đã cho thấy khả năng sinh trưởng của vi sinh vật và hiệu quả của chất keo tụ tạo ra khi thử nghiệm để keo tụ kaolin, vật liệu dùng làm môi trường bùn giả [45]

1.5 Tình hình quản lý và sử dụng BTSH ở Việt Nam

1.5.1 Khái quát về tình hình xử lý nước thải đô thị và công nghiệp

9 Về nước thải đô thị:

Tính đến năm 2006 cả nước có 722 đô thị từ loại đặc biệt đến loại 5, tổng

số dân trên 25 triệu người (bằng 27% dân số cả nước) với tổng lượng nước thải sinh hoạt và sản xuất chưa qua xử lý hoặc xử lý không đạt tiêu chuẩn môi trường

là khoảng 3.110.000 (m3/ngày) Biện pháp xử lý chủ yếu hiện nay là sử dụng bể

tự hoại hoặc xử lý tại chỗ thuộc các hộ gia đình Hiện nay, cả nước có khoảng

10 nhà máy xử lý nước thải đô thị tại Hà Nội, Đà Nẵng, Buôn Ma Thuột, Đà Lạt

và TP Hồ Chí Minh Đa số các đô thị Việt Nam chưa có nhà máy xử lý nước thải tập trung Công nghệ xử lý áp dụng phổ biến hiện này là công nghệ sinh học hiếu khí bằng bùn hoạt tính hoặc công nghệ xử lý đơn giản là hồ sinh học

Theo Sở Tài nguyên và Môi trường Hà Nội lượng nước thải xử lý đạt tiêu chuẩn ở Hà Nội mới chỉ đạt khoảng 6%, còn lại hơn 90% xả trực tiếp xuống sông hồ mà không qua khâu xử lý nào Hiện tại thành phố Hà Nội đã có hai trạm

xử lý nước thải tập trung là trạm Trúc Bạch với công suất 2.300 m3/ngày.đêm và trạm Kim Liên công suất 3.700 m3/ngày.đêm và một nhà máy xử lý nước thải Bắc Thăng Long - Vân Trì công suất 42.000 m3/ngày.đêm (tuy nhiên do lượng nước thải ít nên hiện nhà máy mới chỉ vận hành 1 mô đun với công suất khoảng 4000m3/ngày.đêm) Tại thành phố Hồ Chí Minh, nhà máy xử lý nước thải Bình Hưng giai đoạn 1 với công suất 141.000 m3/ngày.đêm cũng đã được khánh thành đưa vào sử dụng Nhà máy này có chức năng xử lý toàn bộ nước thải sinh hoạt của các khu dân cư trên phạm vi gần 1.000 ha thuộc các quận 1, 3, 5, 7, 10

và 11 của thành phố

Theo thống kê đến tháng 6/2010, Việt Nam có 253 KCN trong đó 172 KCN đã đi vào hoạt động, 82 KCN đã và đang trong giai đoạn xây dựng Trong

số 172 KCN đang hoạt động, có 102 KCN đã đầu tư và đưa vào hoạt động các nhà máy xử lý nước thải tập trung và 33 KCN chưa có công trình xử lý nước thải Ngoài các KCN-KCX còn có khoảng 1700 cụm công nghiệp được phê duyệt trong đó có 700 cụm công nghiệp đã đưa vào hoạt động

Hiện tại ở nước ta ước tính có khoảng 60-70 nhà máy xử lý nước thải tập trung tại các KCN-KCX trong số 172 KCN-KCX đang hoạt động Cũng khoảng 60% số khu công nghiệp và nhiều cụm công nghiệp, nhà máy, làng nghề chưa có trạm XLNT, có nơi đã xây dựng trạm XLNT nhưng chưa hoạt động hoặc hoạt động không hiệu quả Công nghệ xử lý nước thải thường dùng là phương pháp bùn hoạt tính và lọc sinh học [8]

1.5.2 Tình hình quản lý và sử dụng BTSH ở Việt Nam

Tại Việt Nam, do số lượng các hệ thống xử lý nước thải chưa nhiều nên

có thể nói vấn đề quản lý và sử dụng bùn thải sinh học từ các trạm xử lý này vẫn chưa có các qui định cụ thể Hiện tại, phần lớn bùn thải từ các trạm xử lý nước thải được xử lý bằng phương pháp đơn giản là sân phơi bùn Sau khi bùn đã được khô, giảm về trọng lượng và thể tích thì sẽ được đóng bao và đem đi chôn lấp tại các nơi qui định Một số ít các công trình XLNT có công đoạn xử lý ép bùn bánh Với công nghệ này, bùn sẽ được tách nước và ép ở dạng bánh Nhiều nơi công nhân của trạm xử lý đã sử dụng bùn này để trồng cây lấy lá như ở trạm XLNTSH Kim Liên Một số trạm xử lý nước thải thực phẩm như nước thải bia thì bùn thải này được chế biến thành phân bón cho cây trồng Hiện tại, việc tiếp

cận với các công nghệ xử lý bùn hiện đại như đốt hay phân hủy yếm khí để thu

hồi khí sinh học còn rất hạn chế ở nước ta

Các hướng dẫn hay tiêu chuẩn về bùn thải từ các trạm xử lý nước thải chưa có ở Việt Nam Do đó, việc đánh giá chất lượng bùn thải vào môi trường cũng chưa có qui định cụ thể Trên thực tế, khi Luật BVMT ngày càng có hiệu lực trong cuộc sống thì số lượng các nhà máy xử lý nước thải sẽ ngày càng tăng lên và việc một khối lượng lớn bùn sinh ra từ các trạm này sẽ cần được quản lý

và sử dụng theo qui định của pháp luật

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Với tính chất của Nhiệm vụ là “tiếp cận công nghệ sạch” nên các nội dung thực hiện trong Nhiệm vụ được thực hiện theo hướng từ tiếp cận phương pháp nghiên cứu xử lý, tái chế bùn thải sinh học thành nguyên liệu tạo ra chế phẩm vi sinh vật hữu ích đến thực tập các kỹ thuật được chuyển giao tại Canada và thực hành trên đối tượng bùn thải của Việt Nam Trên cơ sở kế thừa phương pháp nghiên cứu của Đề tài: “Điều tra, khảo sát đặc tính bùn thải sinh học và khả

năng tái chế, tái sử dụng để sản xuất các chế phẩm vi sinh vật hữu ích” và bổ

sung các phương pháp phù hợp với nội dung của Nhiệm vụ, các nhóm phương pháp sau được sử dụng bao gồm:

- Phương pháp nghiên cứu tổng quan;

- Phương pháp điều tra, khảo sát cho xây dựng cơ sở dữ liệu đặc tính bùn thải;

- Phương pháp tiền xử lý bùn thải;

- Phương pháp nuôi cấy vi sinh vật hữu ích phục vụ cho nông lâm nghiệp Ngoài ra, đề tài cũng phối hợp với các tổ chức trong nước và quốc tế nhằm đảm bảo kết quả đạt được có chất lượng cao hơn, cụ thể như:

- Phối hợp với Viện Công nghệ sinh học trong việc trao đổi khoa học cấp chuyên gia và cung cấp chủng giống vi sinh vật hữu ích;

- Phối hợp với Viện nghiên cứu Khoa học Quốc gia Quebec (INRS) mà cụ thể là phối hợp với GS.Tyagi và Trung tâm ETE

2.1 Phương pháp nghiên cứu tổng quan

Nghiên cứu tổng quan là phương pháp đầu tiên được sử dụng nhằm mục đích thu thập các thông tin, kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan tới mục đích của đề tài Từ đó, xây dựng định hướng nghiên cứu cùng với ý tưởng

và trợ giúp về mặt kỹ thuật từ phía Canada (INRS) Các thông tin tập trung thu thập trong nghiên cứu tổng quan bao gồm:

- Hiện trạng quản lý và xử lý bùn thải sinh học trên Thế giới và Việt Nam;

- Các phương pháp xử lý bùn thải nhằm nâng cao giá trị của bùn thải sinh học;

- Các công trình nghiên cứu về tái sử dụng bùn thải sinh học làm nguyên liệu nuôi cấy vi sinh vật có ích trên Thế giới và ở Việt Nam (nếu có); Trên cơ sở các thông tin thu thập được, nhóm thực hiện đề tài sẽ xác định các dữ liệu cần thiết cho việc xây dựng cơ sở dữ liệu về bùn thải sinh học từ các công trình xử lý nước thải được lựa chọn phù hợp với các mục tiêu của Nghị định thư Canada

2.2 Phương pháp điều tra, khảo sát cho xây dựng cơ sở dữ liệu đặc tính bùn thải

Thông tin về đặc tính của bùn thải như nguồn phát sinh, lượng và thành phần bùn thải sẽ quyết định phương pháp xử lý bùn thải trong nuôi cấy vi sinh

Do bùn thải sinh học rất khác nhau giữa các ngành công nghiệp, giữa các đô thị, cho nên phân tích hóa, lý, sinh học các loại bùn thải này sẽ góp phần đánh giá được đặc tính của từng loại bùn thải Tuy nhiên, đặc tính của bùn thải có liên quan rất chặt chẽ đến đặc trưng nước thải, qui trình sản xuất (sản sinh ra nước thải) cũng như công nghệ xử lý nước thải, vì vậy, công tác điều tra,khảo sát hoạt động của cơ sở sản xuất là cần thiết nhằm cung cấp dữ liệu đầu vào cho cơ sở dữ liệu về bùn thải Các công việc trong điều tra, khảo sát bao gồm:

2.1.1 Lựa chọn đối tượng (loại) BTSH

Nếu nghiên cứu bắt đầu từ những bùn thải có chứa nhiều độc tố, sẽ rất mất thời gian để xử lý, khử độc và thanh lọc bùn Do đó, đối tượng bùn thải tương đối thuần khiết sẽ được ưu tiên khảo sát và đưa vào nghiên cứu Đó là bùn thải từ các trạm XLNT của các nhóm ngành chế biến nông sản thực phẩm, đồ uống vì nước thải của nhóm ngành này được đặc trưng bởi độ ô nhiễm hữu cơ cao, ít các thành phần độc hại trong nước thải như kim loại nặng, các hóa chất độc hại và biện pháp xử lý thường được áp dụng là biện pháp sinh học Ngoài

ra, do Đề tài có sự hợp tác với Viện INRS mà GS Tyagi là đầu mối nên có sự kế thừa trong lựa chọn đối tượng nước thải là nước thải đô thị Do đó các tiêu chí lựa chọn địa điểm khảo sát gồm:

- Đối tượng khảo sát: Trạm XLNT của nhóm ngành chế biến NSTP, đồ uống và nước thải đô thị;

- Loại hình sản xuất: Qui mô công nghiệp;

- Địa điểm khảo sát: Các cơ sở gần Hà Nội

- Có hệ thống XLNT bằng phương pháp sinh học hoạt động

2.1.2 Xây dựng biểu mẫu thu thập thông tin

Để có một cơ sở dữ liệu tin cậy, việc thu thập số liệu, tư liệu, tài liệu tại hiện trường và phòng thí nghiệm là yếu tố cốt lõi Do đó, để thông tin thu được

từ quá trình điều tra khảo sát, đo đạc hiện trường và phân tích PTN đầy đủ và có hiệu quả, cần xây dựng các biểu mẫu thu thập thông tin phù hợp với mục tiêu của Nhiệm vụ Việc thực hiện theo các biểu mẫu này giúp cho số liệu thu thập

có tính hệ thống, tính khách quan và tính hoàn chỉnh của dữ liệu Các dạng mẫu phiếu thu thập thông tin có trong Phụ lục báo cáo gồm có:

Mẫu 1 - mẫu phiếu điều tra công nghệ xử lý nước thải và bùn thải của các

cơ sở sẽ tiến hành khảo sát

Mẫu 2 - Mẫu phiếu lấy mẫu hiện trường

Mẫu 3 - Mẫu phiếu bàn giao mẫu cho phòng thí nghiệm

Mẫu 4 - Mẫu phiếu phân tích phòng thí nghiệm

Mẫu 5 - Mẫu nhập thông tin tổng hợp

2.1.3 Phương pháp đánh giá hiện trạng hoạt động sản xuất của một nhà máy

- Khảo sát thực tế: Đây là phương pháp quan trọng trong nội dung đánh giá

hiện trạng công nghệ sản xuất Trên cơ sở khảo sát thực tế, các thông tin thu thập sẽ có ý nghĩa trong việc đánh giá hiện trạng hoạt động của hệ thống XLNT Hoạt động sản xuất là nguồn tạo ra chất thải trong đó có nước thải Do đó tìm hiểu hiện trạng hoạt động sản xuất thông qua khảo sát thực tế là cách tốt nhất để nắm bắt được các dòng vào của nguyên liệu và dòng ra là sản phẩm, chất thải

- Tham khảo tài liệu liên quan: Do trên thực tế, việc tiếp cận với hoạt động

sản xuất của nhà máy là khó khăn vì nhiều lý do như tính bảo mật về công nghệ, tính nhạy cảm của các công tác môi trường tại cơ sở Vì vậy, việc tìm hiểu hoạt

Trên cơ sở các thông tin thu thập được từ hoạt động điều tra hiện trạng cũng như từ các nguồn thông tin thu thập từ các tài liệu đã công bố, từ hoạt động phỏng vấn và lấy ý kiến chuyên gia, đánh giá hiện trạng hoạt động của nhà máy thông qua các tiêu chí đánh giá như sau:

- Qui mô sản xuất của Công ty

- Công nghệ sản xuất áp dụng

- Trình độ công nghệ, thiết bị

- Loại hình sản phẩm, công suất sản xuất

2.1.4 Phương pháp đánh giá hiện trạng hoạt động của hệ thống xử lý nước

thải và bùn thải

- Khảo sát thực tế: Khảo sát hiện trường nhằm nắm được thực trạng về vận

hành công nghệ xử lý nước, làm rõ ảnh hưởng của quá trình vận hành tới chất và lượng của thành phần nước thải và bùn, những vấn đề kỹ thuật và môi trường

mà các trạm xử lý nước đang gặp phải Nội dung khảo sát theo mẫu điều tra

- Đo đạc hiện trường và phân tích PTN: Thông qua khảo sát hiện trường và

phân tích sẽ bổ sung và chính xác hóa các số liệu đã thu thập được về thành phần cũng như lượng nước và bùn sinh ra Những thông tin này sẽ được sử dụng làm rõ mối quan hệ: Đầu ra của kết quả khảo sát là tham số đầu vào, được áp dụng cho phương pháp nghiên cứu thử nghiệm ở qui mô phòng thí nghiệm Thông tin thu thập trong quá trình khảo sát được ghi vào mẫu phiếu điều tra Ngoài ra, các yếu tố vận hành có tác động lớn đến chất lượng nước thải và bùn thải sẽ được ghi chép lại trong các biên bản lấy mẫu hiện trường

ƒ Nội dung đánh gía hiện trạng hoạt động của hệ thống XLNT:

- Đặc tính nước thải;

- Qui trình vận hành;

- Tính ổn định và khả năng xử lý của HTXLNT

ƒ Nội dung đánh gía hiện trạng hoạt động của hệ thống xử lý bùn thải:

- Xác định qui trình thải bùn và xử lý bùn thải

- Xác định lượng bùn phát sinh của từng công đoạn xử lý sinh học

- Đánh giá đặc tính bùn thải qua các thông số phân tích hóa lý sinh

2.1.5 Phương pháp lấy mẫu nước thải

a) Xác định thời điểm lấy mẫu:

Thời điểm lấy mẫu cần được xác định dựa trên đặc điểm vận hành của hệ thống và lịch sản xuất của nhà máy để xác định lịch lấy mẫu phù hợp

Với những nhà máy có sự dao động lớn về lưu lượng nước thải giữa các

ca sản xuất thì cần lựa chọn ca sản xuất có lưu lượng nước thải ổn định, phản ánh được các đặc trưng của nước thải nhà máy

Với bể hiếu khí vận hành gián đoạn hệ thống sục khí thì cần xác định chu

kỳ sục khí Nếu lấy mẫu trong trường hợp hệ thống sục khí không hoạt động thì mẫu lấy sẽ không đặc trưng vì khi đó, bùn hoạt tính trong bể sẽ lắng nên việc lấy mẫu sẽ dẫn đến sai khác về mặt định lượng các thông số liên quan đến chất rắn b) Lựa chọn vị trí lấy mẫu:

Nước thải được lấy tại 3 vị trí: đầu vào hệ xử lý, đầu ra hệ xử lý, nước trong bể hiếu khí Mẫu đầu vào và đầu ra nhằm đánh giá hiệu quả hoạt động của hệ thống

xử lý nước thải Mẫu nước trong bể hiếu khí nhằm cung cấp thông tin liên quan đến chất lượng bùn hoạt tính trong bể

c) Lựa chọn phương pháp lấy mẫu:

Do không gian hẹp và nước thải tương đối đồng nhất do khuấy trộn đều nên áp dụng phương pháp lấy mẫu đơn (mẫu có thể đại diện cho thành phần dòng nước thải)

2.1.6 Phương pháp lấy mẫu bùn thải

a) Xác định thời điểm lấy mẫu:

Mẫu bùn thải được lấy cùng thời điểm với mẫu nước Với mẫu bùn trong

bể hiếu khí, nếu hệ thống sục khí hoạt động gián đoạn thì thời điểm lấy mẫu cần dựa vào chu kỳ hoạt động của hệ thống này Như vậy mẫu sẽ được lấy khi hệ thống sục khí đang hoạt động ở giữa chu kỳ để đảm bảo tính đảo trộn đều của bùn hoạt tính trong hệ

b) Lựa chọn vị trí lấy mẫu:

Căn cứ vào đặc điểm vận hành hệ thống cũng như đặc điểm cấu tạo của

9 Mẫu bùn trong bể hiếu khí:

Phụ thuộc vào tính chất của hệ sục khí, chu kỳ vận hành hệ thống bơm cấp khí, thời điểm thải của hệ thống, chu kỳ thải bùn cũng như lịch hút bùn

9 Mẫu bùn thải của hệ thống:

Là mẫu bùn sau ép (với những hệ thống xử lý có máy ép bùn) hoặc là mẫu bùn thải từ bể lắng đưa vào thùng chứa hoặc các bể ủ bùn Nếu mẫu bùn sau ép thì mẫu sẽ lấy khi máy ép bùn hoạt động Nếu mẫu bùn trong thùng chứa thì lấy mẫu bùn ở vị trí van xả thấp vì bùn thải vào đây sẽ có quá trình lắng và tách nước Phần nước ở phía trên lớp bùn nên nếu lấy mẫu bùn ở các vị trí van xả trên thì mẫu bùn sẽ loãng

c) Phương pháp lấy mẫu:

Áp dụng TCVN 6663-13:2000 về Hướng dẫn lẫy mẫu bùn nước, bùn nước thải và bùn liên quan

2.1.7 Phương pháp phân tích mẫu nước thải và bùn thải

a) Phương pháp phân tích các chỉ tiêu hóa lý trong mẫu nước thải

8 N-NO2 APHA -4500-NO2-B 23 Zn SMEWW: 3125-2005

b) Phương pháp phân tích vi sinh vật trong mẫu nước và bùn thải

Phương pháp pha loãng mẫu bùn:

Cân 5g mẫu cho vào 45ml nước vô trùng được nồng độ pha loãng 10-1, sau đó lắc mẫu trong 10 phút để đảm bảo vi sinh vật được khếch tán đều trong dịch pha loãng Từ dịch huyền phù có nồng độ pha loãng 10-1 hút 1ml cho vào 9ml nước vô trùng ta được nồng độ pha loãng 10-2 và làm tương tự với các nồng

độ pha loãng tiếp theo

Phương pháp xác định các nhóm vi sinh vật hiếu khí

Cấy 100µl dịch huyền phù ở nồng độ pha loãng thích hợp vào đĩa petri chứa môi trường đặc trưng cho từng nhóm vi sinh vật (xem phụ lục 2 ở báo cáo chính), mỗi nồng độ lặp lại 3 đĩa, sau đó trang đều dịch trên mặt thạch rồi đem nuôi cấy trong tủ ấm ở 300C Sau 24h có thể lấy mẫu ra để xác định vi sinh vật

tổng số, vi khuẩn Bacillus và vi khuẩn lắc tích, còn đối với xạ khuẩn, nấm mốc

và nấm men thì phải sau 48 – 72h

Mật độ vi sinh vật được xác đinh theo công thức sau:

X = a.b.10 (CFU/g) a: trung bình số khuẩn lạc trên đĩa b: nghịch đảo nồng độ pha loãng

Phương pháp xác định vi sinh vật kỵ khí

Nhỏ 100µl dịch huyền phù ở nồng độ pha loãng thích hợp vào các ống penicillin (mỗi nồng độ lặp lại 3 ống) sau đó các ống được đổ đầy bằng môi trường MPA kỵ khí hoặc khử sulfat đã được làm nóng chảy và được để nguội đến khoảng 400C Các ống penicillin được đậy nút cao su và dập nút nhôm để hạn chế không khí trong ống Sau đó các ống này được nuôi cấy ở 370C và sau 24h lấy mẫu ra để xác định mật độ

Mật độ vi sinh vật được xác đinh theo công thức sau:

X = a.b.10 (CFU/g) a: trung bình số khuẩn lạc trong ống thạch b: nghịch đảo nồng độ pha loãng

Chuẩn bị môi trường nuôi cấy như trên Hút 9 ml môi trường vào các ống nghiệm có chứa sẵn các ống durhal, sau đó đem khử trùng

- Pha loãng mẫu nghiên cứu ở các nồng độ thích hợp

- Hút 1 ml vào các ống nghiệm chứa môi trường

- Làm ở 3 nồng độ liên tiếp nhau, mỗi nồng độ lặp lại 10 lần

- Ở mỗi nồng độ nuôi 5 ống ở 370C (total Coliform), 5 ống ở 43,50C (Fecal coliform), sau 24h lấy ra quan sát khả năng sinh hơi (lên men) trong các ống nghiệm, ghi lại số lần xuất hiện các ống có sinh hơi ở các

nồng độ khác nhau, đối chiếu với bảng chỉ số MPN để tìm ra số lượng E coli xuất hiện trong 1g hoặc 100ml mẫu vật nghiên cứu

Phương pháp phân tích xác định tổng Salmonella:

Pha loãng mẫu vật nghiên cứu đến một mức độ nhất định trong các ống nghiệm chứa 9ml nước vô trùng Lấy 0.1 ml dịch mẫu đã pha loãng ở 3 nồng độ khác nhau cho vào các hộp peptri chứa môi trường vô trùng đã chuẩn bị trước Dùng que trang, trang đều trên bề mặt thạch Úp ngược hộp thạch Nuôi trong tủ

ấm ở 370C trong vòng 48 h Quan sát, đếm các khuẩn lạc hình thành trong các

hộp thạch ở các nồng độ khác nhau (chỉ đếm các khuẩn lạc tâm có màu đen)

c) Phương pháp phân tích mẫu bùn thải

Các chỉ tiêu phân tích: TOC (APHA-5310-B); VSS (APHA-2540-D); TN (Đốt

có xúc tác)

2.1.8 Phương pháp so sánh

Để đánh giá được đặc tính nước thải, bùn thải cũng như đánh giá được triển vọng xử lý, tái chế và ứng dụng BTSH của Việt Nam làm nguyên liệu nuôi cấy

vi sinh vật phục vụ cho sản xuất nông lâm nghiệp thì phương pháp so sánh được

áp dụng Trong đó, đặc tính nước thải được so sánh với QCVN 24:2009/BTNMT; đặc tính bùn thải của Việt Nam được so sánh với đặc tính bùn thải của Canada ( các loại bùn đã được sử dụng nuôi cấy vi sinh vật hữu ích)

2.2 Phương pháp xử lý bùn thải thành nguyên liệu nuôi cấy vi sinh hữu ích

2.2.1 Kỹ thuật xử lý bùn thải sinh học bằng kỹ thuật thay đổi pH (axit, kiềm)

a) Nguyên tắc

Thay đổi pH của môi trường về điều kiện axit mạnh hoặc kiềm mạnh để phá hủy

tế bào vi sinh nhằm giải phóng cơ chất và chất dinh dưỡng trong tế bào vào pha lỏng Nhờ đó, vi sinh vật được nuôi cấy trên môi trường làm từ bùn thải có khả năng tiếp cận tới nguồn cơ chất được giải phóng ra từ quá trình tiền xử lý

b) Quy trình thực hiện

Môi trường axit

Bước 1: 400 mL bùn với nồng đặt ra được cho vào bình 500mL

Bước 2: Chỉnh pH của hỗn hợp lên 2 bằng H2SO4 1N

Bước 3: Tiến hành khuấy ở tốc độ 200 vòng/phút trong thời gian 24h

Bước 4: pH được chỉnh về 7 bằng dd NaOH 1N

Bước 5: Thu được nguyên liệu nuôi cấy vi sinh vật hữu ích

Môi trường kiềm

Bước 1: 400 mL bùn với nồng độ 10g/L được cho vào bình 500mL

Bước 2: Chỉnh pH của hỗn hợp lên 10

Bước 3: Tiến hành khuấy ở tốc độ 200 vòng/phút trong thời gian 24h

Bước 4: Chỉnh pH về 7 bằng H2SO4 1N

Bước 5: Thu được nguyên liệu nuôi cấy vi sinh vật hữu ích

Hình 2.1 : Kỹ thuật xử lý BTSH bằng kỹ thuật thay đổi Ph

2.2.2 Kỹ thuật xử lý bùn thải sinh học bằng phương pháp nhiệt học

Nhờ đó, vi sinh vật được nuôi cấy trên môi trường làm từ bùn thải có khả năng tiếp cận tới nguồn cơ chất được giải phóng ra từ quá trình tiền xử lý

b) Quy trình thực hiện

Phương pháp kiềm nhiệt:

Bước 1: 400mL bùn có nồng độ 10g/L được cho vào bình 500mL

Bước 2: Chỉnh pH của hỗn hợp lên 10 bằng NaOH 1N

Bước 3: Gia nhiệt ở 121oC, 30 phút trong nồi hấp (autoclave)

Bước 4: Trung hòa pH về 7 bằng H2SO4 1N

Bước 5: Khử trùng ở 1210C, 30 phút

Bước 6: Nuôi cấy vi sinh vật hữu ích

Pương pháp axit nhiệt:

Bước 1: 400mL bùn có nồng độ 10g/L được cho vào bình 500mL

Bước 2: Chỉnh pH của hỗn hợp xuống 2 bằng H2SO4

Bước 3: Gia nhiệt ở 121oC trong 30 phút trong nồi hấp (autoclave)

Bước 4: Để nguội, trung hòa pH về 7 bằng NaOH 1N

Bước 5: Khử trùng ở 1210C, 30 phút

Bước 6: Nuôi cấy vi sinh vật hữu ích

Hình 2.2: Kỹ thuật xử lý BTSH bằng phương pháp nhiệt học

2.2.3 Kỹ thuật xử lý bùn thải sinh học bằng phương pháp ôxy hoá

được nuôi cấy trên môi trường làm từ bùn thải có khả năng tiếp cận tới nguồn cơ chất được giải phóng ra từ quá trình tiền xử lý

b) Quy trình thực hiện

Bước 1: 400mL bùn được cho vào bình 500mL

Bước 2: pH của dung dịch được điều chỉnh về 3 bằng H2SO4 1N

Bước 3: Khuấy trộn hỗn hợp ở tốc độ 200 vòng/phút và bổ sung hỗn hợp muối sắt (II) và H2O2 với liều lượng như sau:

- 0.01mL H2O2 (30%)/1gTS

- [H2O2]o/[Fe2+]o = 150

Bước 4: Tiến hành phản ứng ở điều kiện khuấy trộn 200 vòng/phút, 30 phút Bước 5: Trung hòa pH về 7 bằng NaOH 1N

Bước 6: Thu được nguyên liệu nuôi cấy vi sinh vật hữu ích

Hình 2.3: Kỹ thuật xử lý BTSH bằng phương pháp ôxi hóa

2.2.4 Kỹ thuật xử lý bùn thải sinh học bằng phương pháp thủy phân

a) Nguyên tắc

Sử dụng nhiệt để phá hủy tế bào vi sinh nhằm giải phóng cơ chất, chất dinh dưỡng trong tế bào vào pha lỏng Nhờ đó, vi sinh vật được nuôi cấy trên môi trường làm từ bùn thải có khả năng tiếp cận tới nguồn cơ chất giải phóng ra từ quá trình tiền xử lý

H 2 SO 4 2N

NaOH 1N

Bước 1: 400mL bùn có nồng độ 10g/L được cho vào bình 500mL

Bước 2: Gia nhiệt ở 121oC trong 30 phút bằng nồi hấp (autoclave)

Bước 3: Để nguội tới nhiệt độ phòng và chỉnh pH về 7 bằng NaOH 1N

Bước 4: Nuôi cấy vi sinh vật hữu ích

Hình 2.4: Kỹ thuật xử lý BTSH bằng phương pháp thủy phân

2.3 Phương pháp nuôi cấy vi sinh trên bùn thải

2.3.1 Phương pháp chuẩn bị chủng giống

Một vòng que cấy sinh khối vi khuẩn hữu ích (ví dụ: Bacillus thuringiensis var.kurstaki (Btk) ) trên đĩa thạch TSA được cấy vào bình tam

giác 500ml chứa 100ml dịch môi trường TSB, sau đó được nuôi cấy trên máy lắc 200 vòng/phút ở 300C trong 12h -24h để làm chủng giống cho các nghiên cứu tiếp

2.3.2 Qui trình nuôi cấy vi sinh vật

Bùn sau khi qua tiền xử lý được cấy chủng vi sinh vật đã được hoạt hóa Tiền hành nuôi cấy ở các điều kiện nuôi cấy lắc 200 vòng/phút, 300C trong 48h Tùy vào mục đích thí nghiệm có thể lấy mẫu theo thời gian hoặc ở một thời điểm thích hợp để phân tích một số các chỉ tiêu

Hình 2.5: Qui trình nuôi cấy vi sinh vật

2.3.3 Phương pháp phân tích sinh học

- Đối với mẫu đất hoặc bùn: cho 10g đất hoặc bùn vào 90ml nước muối sinh lý ta được nồng độ 10-1, lấy 1ml dịch pha loãng ở nồng độ 10-1 cho vào 9ml muối sinh lý được nồng độ 10-2 và làm tương tự đối với các nồng độ pha loãng tiếp theo

Mẫu pha loãng được cấy 0,1ml ở nồng độ thích hợp trên môi trường thạch

và được ủ ở 300C trong 24h để cho khuẩn lạc phát triển hoàn thiện Số lượng tế bào được ước lượng thông qua đếm khuẩn lạc mọc trên môi trường thạch, mỗi nồng độ pha loãng được lặp lại 3 đĩa Số khuẩn lạc trên đĩa thạch dao động 30 –

300 khuẩn lạc Kết quả chỉ ra rằng số khuẩn lạc hình thành trên ml (CFU/ml) Công thức xác định số lượng tế bào và bào tử: