Nghiên cứu tạo chế phẩm vi sinh vật bản địa nhằm xử lý nước thải sinh hoạt đô thị hà nội

Nội dung nghiên cứu: - Xác định đặc trưng của nước thải đô thị ở sông Tô Lịch, Kim Ngưu - Tuyển chọn chủng vi sinh vật bản địa có hoạt tính phân hủy hợp chất hữu cơ và chuyển hóa nitơ c

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐÀO THỊ HỒNG VÂN

NGHIÊN CỨU TẠO CHẾ PHẨM VI SINH VẬT BẢN ĐỊA

NHẰM XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT

ĐÔ THỊ HÀ NỘI

Luận án tiến sĩ Công nghệ sinh học thực phẩm

Hà Nội - 2012

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐÀO THỊ HỒNG VÂN

NGHIÊN CỨU TẠO CHẾ PHẨM VI SINH VẬT BẢN ĐỊA

NHẰM XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT

ĐÔ THỊ HÀ NỘI

Chuyên ngành : Công nghệ sinh học thực phẩm

Mã số : 62.54.02.05

Luận án tiến sĩ kỹ thuật

Người hướng dẫn khoa học:

2 GS.TS Đặng Thị Thu

Hà Nội - 2012

Lời cảm ơn !

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Văn Cách và GS.TS Đặng Thị Thu, Viện Công nghệ sinh học và Công nghệ thực phẩm, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã hướng cho tôi những ý tưởng khoa học, tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành bản luận

án này

Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Trần Liên Hà và TS Nguyễn Lan Hương, Viện Công nghệ sinh học và Công nghệ thực phẩm, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã quan tâm và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập

Tôi xin chân thành cảm ơn ThS Lương Hữu Thành và các cán bộ phòng Sinh học môi trường, Viện Môi trường nông nghiệp đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình thực nghiệm

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo nhà trường và các đồng nghiệp khoa Công nghệ sinh học, Viện Đại học Mở Hà Nội đã tạo điều kiện, quan tâm, chia sẻ và động viên tôi trong suốt thời gian qua

Cuối cùng, tôi xin tỏ lòng biết ơn đến gia đình và bè bạn, những người luôn động viên, góp ý và tạo điều kiện cho tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu

Hà Nội, ngày… tháng … năm 2012

Đào Thị Hồng Vân

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và một số kết quả cùng cộng tác với các cộng sự khác

Các số liệu và kết quả thí nghiệm trình bày trong luận án là trung thực Một phần số liệu đã được đăng trên các tạp chí khoa học chuyên ngành như trong:

“Danh mục công trình khoa học đã công bố có liên quan đến luận án”, các số liệu khác đã được sự đồng ý cho phép sử dụng của các đồng tác giả và phần còn lại là các kết quả như trong luận án

Hà Nội, ngày tháng năm 2012

Tác giả

Đào Thị Hồng Vân

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

MỞ ĐẦU 1

1 TỔNG QUAN 4

1.1 Nước thải đô thị Hà Nội 4

1.1.1 Nguồn gốc nước thải đô thị Hà Nội 4

1.1.2 Đặc tính nước thải đô thị Hà Nội 4

1.1.3 Hiện trạng nước thải đô thị Hà Nội 6

1.2 Thành phần nước thải đô thị Hà Nội 10

1.2.1 Các chất hữu cơ trong nước thải đô thị 10

1.2.1.1 Protein và quá trình chuyển hoá protein trong nước thải 12

1.2.1.2 Tinh bột và quá trình chuyển hoá tinh bột trong nước thải 13

1.2.1.3 Lipid (chất béo) và quá trìnhchuyển hoá lipid trong nước thải .14

1.2.2 Các hợp chất vô cơ trong nước thải đô thị 15

1.2.2.1 Các hợp chất nitơ vô cơ 15

1.2.2.2 Các hợp chất phospho 19

1.2.2.3 Các nguyên tố kim loại 20

1.2.3 Vi sinh vật trong nước thải đô thị .20

1.2.4 Chất rắn trong nước thải đô thị 24

1.3 Các giải pháp công nghệ xử lý nước thải đô thị 25

1.3.1 Tổng quan về các giải pháp công nghệ xử lý nước thải đô thị 25

1.3.2 Giải pháp vi sinh vật trong xử lý nước thải đô thị 27

1.3.3 Các giải pháp công nghệ vi sinh ứng dụng trong xử lý nước thải 29

1.3.3.1 Phương pháp xử lý hiếu khí 30

1.3.3.2 Phương pháp xử lý kỵ khí 32

1.3.3.3 Phương pháp xử lý thiếu khí 33

1.3.3.4 Hệ thống xử lý sinh học nước thải phối hợp 33

1.3.4 Tình hình nghiên cứu ứng dụng vi sinh vật và phát triển giải pháp công

nghệ xử lý nước thải ở Việt Nam 35

1.3.4.1 Nghiên cứu phát triển chế phẩm vi sinh để xử lý nước thải 35

1.3.4.2 Nghiên cứu thử nghiệm và phát triển giải pháp CN xử lý nước thải 38

1.3.4.3 Công nghệ vi sinh xử lý nước thải tích hợp tiết kiệm năng lượng 41

2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 46

2.1 Vật liệu 46

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 46

2.1.2 Hoá chất thí nghiệm 46

2.1.3 Thiết bị 47

2.2 Phương pháp nghiên cứu 47

2.2.1 Phương pháp lấy mẫu .47

2.2.2 Phương pháp vi sinh vật 47

2.2.2.1 Phân lập .47

2.2.2.2 Xác định hoạt tính .48

2.2.2.3 Xác định mật độ tế bào .48

2.2.2.4 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật 48

2.2.2.5 Tối ưu hóa các điều kiện nuôi cấy (phương pháp bề mặt đáp ứng) 49

2.2.3 Phương pháp xác định các chỉ tiêu trong nước 50

2.2.3.1 Xác định BOD5 .50

2.2.3.2 Xác định COD .51

2.2.3.3 Xác định hàm lượng nitrit .51

2.2.3.4 Xác định hàm lượng nitrat .51

2.2.3.5 Phân tích phospho tổng số 52

2.2.3.5 Xác định nitơ tổng 53

2.2.3.7 Xác định hàm lượng tổng chất rắn lơ lửng .54

2.2.3.8 Xác định coliform 55

2.2.4 Định tên vi sinh vật .55

2.2.4.1 Sử dụng kit chuẩn API 50 CHB 55

2.2.4.2 Phân tích đoạn gen 16S rRNA 55

2.2.5 Phân tích đa dạng vi khuẩn bằng kỹ thuật DGGE 57

2.2.5.1 Tách chiết DNA tổng số từ bùn hoạt tính .57

2.2.5.2 Điện di DNA trên gel agarose 58

2.2.5.3 Khuếch đại một đoạn DNA bằng phản ứng PCR 58

2.2.5.4 Điện di trên gel gradient biến tính DGGE 59

2.2.6 Phương pháp xử lý nước thải 60

2.2.6.1 Xử lý gián đoạn 60

2.2.6.2 Xử lý liên tục quy mô nhỏ 60

2.2.6.3 Xử lý liên tục tại hiện trường 60

2.2.6.4 Xác định hiệu suất xử lý 61

3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 62

3.1 Xác định đặc trưng của nước thải sinh hoạt đô thị ở sông Tô Lịch và Kim Ngưu, Hà Nội 62

3.1.1 Đặc trưng chung 62

3.1.2 Nhận diện vi khuẩn có tiềm năng xử lý ô nhiễm 65

3.2 Phân lập, tuyển chọn một số chủng vi sinh vật thích ứng để xử lý nước thải sinh hoạt đô thị 66

3.2.1 Phân lập và tuyển chọn vi sinh vật phân huỷ hợp chất hữu cơ 67

3.2.2 Phân lập và tuyển chọn chủng vi sinh vật nitrat hoá .70

3.3 Định tên các chủng vi sinh vật tuyển chọn 73

3.4 Xác định ca ́ c điều kiện lên men thu sinh khối vi khuẩn .80

3.4.1 Lên men thu sinh khối, quy mô phòng thí nghiệm 80

3.4.1.1 Lựa chọn môi trường và xác định ảnh hưởng của thời gian lên men 80

3.4.1.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến lên men thu sinh khối .83

3.4.1.3 Ảnh hưởng của pH môi trường đến lên men thu sinh khối 84

3.4.1.4 Ảnh hưởng của tỷ lệ cấp giống 86

3.4.1.5 Tối ưu hóa các điều kiện lên men thu sinh khối vi khuẩn 87

3.4.2 Lên men thu sinh khối, quy mô 5 lít 91

3.4.2.1 Ảnh hưởng của tốc độ cấp khí 91

3.4.2.2 Xác định thời gian lên men thu sinh khối 93

3.5 Tạo chế phẩm vi sinh vật xử lý nước thải sinh hoạt 95

3.5.1 Kiểm tra sự tương hỗ của hai chủng vi khuẩn thí nghiê ̣m 95

3.5.2 Tạo chế phẩm vi sinh vật 96

3.5.3 Xác định điều kiện bảo quản chế phẩm 100

3.6 Sử dụng chế phẩm BioV1 xử lý nước thải trong phòng thí nghiệm 101

3.7 Hoàn thiện quy trình công nghệ sử dụng chế phẩm BioV1 thải sinh hoạt đô thị quy mô nhỏ 104

3.7.1 Ảnh hưởng của pH nước thải đến hiệu suất xử lý 106

3.7.2 Ảnh hưởng của lượng oxy hòa tan đến hiệu suất xử lý 107

3.7.3 Ảnh hưởng của thời gian lưu nước đến hiệu suất xử lý 108

3.7.4 Ảnh hưởng của lượng chế phẩm bổ sung đến hiệu suất xử lý 109

3.7.5 Hoàn thiện quy trình công nghệ xử lý thử nghiệm (quy mô nhỏ) 110

3.8 Ứng dụng chế phẩm BioV1 xử lý thử nghiệm tại hiện trường 113

3.9 Đánh giá sự tồn tại của vi khuẩn bằng kỹ thuật DGGE 118

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 122

TÀI LIỆU THAM KHẢO 124 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN

PHỤ LỤC

NHỮNG CHỮ VIẾT TẮT

BOD5 Biochecmical oxygen demand = Nhu cầu oxy hóa sinh hóa COD Checmical oxygen demand = Nhu cầu oxy hóa hóa học TSS Total Suspended Solids = Tổng chất rắn lơ lửng

MLSS Mixed Liquor Suspended Solids = Chất rắn lơ lửng trong bùn

lỏng hỗn hợp TDS Total Dissolved Solids = Tổng chất rắn hòa tan

DO Disolved oxygen = Oxy hòa tan

F/M Food/Microoganism

DGGE Denaturing Gradient Gel Electrophoresis = điện di gel

gradient biến tính PCR Polymerase Chain Reaction = Phản ứng chuỗi trùng hợp dNTP Deoxynucleoside triphosphates

rDNA Acid deoxyribonucleic ribosom

bp Base pair = Cặp bazơ

CFU Clony Forming Unit = Đơn vị hình thành khuẩn lạc

EM Effective microorganisms = vi sinh vật hữu hiệu

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

QCVN Quy chuẩn Việt Nam

BTNMT Bộ tài nguyên môi trường

XLNT Xử lý nước thải

TNHHNNMTV Trách nhiệm hữu hạn nhà nước một thành viên

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Kết quả phân tích nước thải tại sông, hồ trong nội thành Hà Nội 8

Bảng 3.1: Kết quả phân tích chất lượng nước sông Tô Lịch và Kim Ngưu 63

Bảng 3.2: Hoạt tính phân giải hợp chất hữu cơ của các chủng phân lập 68

Bảng 3.3: Kết quả thử nghiệm xử lý gián đoạn đối với nước thải sinh hoạt 69

Bảng 3.4 Hoạt tính oxy hóa các hợp chất chứa nitơ của các chủng vi khuẩn 71

Bảng 3.5: Khả năng nitrat hoá của chủng HA1 và HD5 trong nước thải sinh hoạt đô thị ở điều kiện phòng thí nghiệm 72

Bảng 3.6: Đặc điểm hình thái của các chủng vi sinh vật tuyển chọn 73

Bảng 3.7: Kết quả kiểm tra đặc tính sinh hóa của các chủng vi khuẩn gram dương tuyển chọn dựa trên kit API 50CHB 75

Bảng 3.8: So sánh mức độ tương đồng của gen 16S rRNA của các chủng tuyển chọn với GenBank 76

Bảng 3.9: Ảnh hưởng của môi trường dinh dưỡng đến sự phát triển của chủng A 6 và L6 81

Bảng 3.10: Ảnh hưởng của môi trường dinh dưỡng đến sự phát triển của chủng HA1 và HD5 82

Bảng 3.11: Ma trận thí nghiệm và kết quả 87

Bảng 3.12: Phân tích phương sai Anova của mô hình 88

Bảng 3.13: Điều kiện lên men thu sinh khối vi sinh vật 94

Bảng 3.14: Ảnh hưởng của chất mang đến tỷ lệ tế bào sống sót 98

Bảng 3.15: Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn sinh khối và chất mang 99

Bảng 3.16: Tỷ lệ sống sót của vi khuẩn trong chế phẩm sau thời gian bảo quản 100

Bảng 3.17: Kết quả phân tích thành phần nước trước xử lý 102

Bảng 3.18: Thử nghiệm chế phẩm BioV1 xử lý gián đoạn ở quy mô 80 lít 103

Bảng 3.19: Thử nghiệm chế phẩm BioV2 xử lý gián đoạn ở quy mô 80 lít 104

Bảng 3.20: Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý 106

Bảng 3.21: Ảnh hưởng của DO đến hiệu suất xử lý 107 Bảng 3.22: Kết quả phân tích chất lượng nước sau xử lý liên tục quy mô 200 lít 111

Bảng 3.23: Đặc tính ô nhiễm tại vị trí đập tràn A – Yên Sở 113

Bảng 3.24: Chất lượng nước đầu ra khi không có chế phẩm BioV1 114

Bảng 3.25: Chất lượng nước đầu ra khi có chế phẩm BioV1 115

Bảng 3.26: Chất lượng nước đầu ra khi ngừng bổ sung chế phẩm BioV1 116

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Quá trình chuyển hóa sinh học các hợp chất hữu cơ … 11

Hình 1.2: Cấu trúc phân tử tinh bột 13

Hình 1.3: Sơ đồ quan hệ của hệ sinh thái nước 23

Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý cấu trúc vận hành và phân bổ chi phí chung của hệ thống xử lý nước thải 34

Hình 1.5: Đặc tính cấu trúc và nguyên lý vận hành của hệ thống xử lý nước thải tích hợp tiết kiệm năng lượng 42

Hình 3.1: Điện di biến tính DGGE đoạn gen 16S rRNA của vi khuẩn trong nước thải và bùn thải 65

Hình 3.2: Hình ảnh phản ứng tạo màu với thuốc thử Griss của các chủng 70

Hình 3.3: Đặc điểm hình thái khuẩn lạc các chủng vi sinh vật tuyển chọn 74

Hình 3.4: Đặc điểm hình thái tế bào các chủng vi sinh vật tuyển chọn 74

Hình 3.5: Cây phát sinh chủng loại chủng B licheniformis A6 77

Hình 3.6: Cây phát sinh chủng loại chủng B subtilis L6 78

Hình 3.7: Cây phát sinh chủng loại chủng Nitrosomonas europea HA1 78

Hình 3.8: Cây phát sinh chủng loại chủng Nitrobacter vulgaris HD5 79

Hình 3.9: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự phát triển của các chủng tuyển chọn 84

Hình 3.10: Ảnh hưởng của pH môi trường 85

Hình 3.11: Ảnh hưởng của tỷ lệ cấp giống 86

Hình 3.12: Hồi quy đáp ứng về ảnh hưởng của các yếu tố đến mật độ tế bào chủng B licheniformis A6 89

Hình 3.13: Mức độ đáp ứng mong đợi 90

Hình 3.14: Ảnh hưởng của chế độ cấp khí đến khả năng thu sinh khối của các chủng tuyển chọn 92

Hình 3.15: Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình lên men của chủng A6, L6 93

Hình 3.16: Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình lên men của chủng HA1, HD5 93 Hình 3.17: Khả năng phát triển của 2 chủng trên cùng 1 môi trường 95

Hình 3.18: Quy trình tạo chế phẩm xử lý nước thải BioV1, BioV2 96

Hình 3.19: Chế phẩm BioV1 trước và sau bao gói 99

Hình 3.20: Modul xử lý gián đoạn 80 lít 103

Hình 3.21: Ảnh hưởng của thời gian lưu đến hiệu suất xử lý 108

Hình 3.22: Ảnh hưởng của nồng độ chế phẩm bổ sung đến hiệu quả xử lý 110

Hình 3.23: Modul xử lý liên tục 200 lít 111

Hình 3.24: Sơ đồ công nghệ xử lý nước thải bằng bể tích hợp 93 m3 117

Hình 3.25: Nước thải trước và sau xử lý tại bể 93 m3 118

Hình 3.26: Sản phẩm PCR-DGGE gen 16S rDNA của vi khuẩn 119

Hình 3.27: Điện di biến tính (DGGE) gen 16S rDNA của vi khuẩn 120

MỞ ĐẦU

Ô nhiễm môi trường nước luôn là vấn đề mang tính thời sự ở hầu hết các quốc gia, đặc biệt là các quốc gia đang phát triển Ở Việt Nam cũng đang phải đối mặt với thực trạng ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, trong đó nổi cộm là ô nhiễm môi trường nước thải đô thị

Những năm gần đây, với tốc độ đô thị hoá, công nghiệp hoá nhanh, Hà Nội - trung tâm chính trị, kinh tế, văn hoá, khoa học kỹ thuật của cả nước cũng đang phải đối mặt với sự ô nhiễm và suy thoái môi trường Hà Nội không chỉ bị ô nhiễm không khí, ô nhiễm nguồn nước ngầm mà nguồn nước mặt ở Hà Nội cũng đang trong tình trạng báo động Nguyên nhân là do một lượng lớn nước thải đô thị chưa qua xử lý thải thẳng ra các sông và hồ của thành phố

Theo báo cáo tại Hội thảo “Quản lý và xử lý nước thải phi tập trung tại các

đô thị Việt Nam” tháng 12/2010, tổng lượng nước thải trên địa bàn Hà Nội hiện nay khoảng 670.000 m3/ngày đêm, trong đó nước thải sinh hoạt và dịch vụ ở khu vực thành thị chiếm tới 400.000 m3

/ngày đêm, phần lớn đều không được xử lý [90] Bên cạnh đó, Hà Nội hiện nay chỉ có một hệ thống thoát nước chung cho cả nước thải sinh hoạt, nước thải sản xuất, nước mưa cho nên lượng nước thải đô thị ở thành phố Hà Nội quá lớn; trong khi các hệ thống xử lý lại quá ít, không đáp ứng được nhu cầu xử lý [6] Cho đến nay, lượng nước thải trên địa bàn Hà Nội được xử lý chỉ đạt mức gần 47.000 m3

/ngày đêm, chiếm khoảng 7% tổng lượng nước thải phát sinh hàng ngày [90], còn lại phần lớn đều chưa qua xử lý, trong đó tới 75% là nước thải đô thị [61] Thêm vào đó là nước thải từ các khu vệ sinh chỉ được xử lý sơ bộ qua bể tự hoại hoặc thậm chí hoàn toàn không xử lý mà thải thẳng ra hệ thống thoát nước, làm cho các con sông trong trong nội thành đều ô nhiễm Hậu quả là các sông, hồ này đều mất hoàn toàn khả năng tự làm sạch, nước có màu và mùi khó chịu, gây mất mỹ quan đô thị, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khoẻ người dân và gây trở ngại cho sự phát triển bền vững của toàn bộ nền kinh tế - xã hội

Để giải quyết được hiện trạng ô nhiễm nước thải như hiện nay thì nước thải (đặc biệt là nước thải sinh hoạt đô thị) cần phải được xử lý đạt yêu cầu trước khi thải ra môi trường Trong các phương pháp xử lý nước thải đô thị thì phương pháp

vi sinh vật là phương pháp có nhiều ưu điểm và hiện được ứng dụng phổ biến ở các nước trên thế giới Trong phương pháp này các vi sinh vật đóng vai trò quan trọng trong hệ thống xử lý Phương pháp vi sinh vật không chỉ giải quyết được tình trạng

ô nhiễm môi trường nước đồng thời không gây hại đến môi trường xung quanh, cũng như giúp ổn định cân bằng sinh thái mà còn có giá thành xử lý là khá phù hợp với các nước đang phát triển

Các hệ thống xử lý nước thải đô thị ở nước ta hiện nay đều là các hệ thiết bị

và công nghệ nhập khẩu từ nước ngoài (Nhật Bản, Malaysia, Mỹ, Thụy Điển, Đan Mạch ), với mức chi phí rất cao cùng với các vấn đề kỹ thuật nảy sinh do năng lực thích ứng của công nghệ nhập khẩu với điều kiện khí hậu, cũng như sự sai khác về đặc tính nước thải đô thị Bên cạnh đó, với lượng nước thải đô thị hiện tại, tổng công suất của các hệ thống xử lý nhập khẩu vẫn quá thấp so với nhu cầu xử lý trong thực tiễn Ngoài ra, giải pháp nhập khẩu thiết bị và công nghệ cũng đồng nghĩa với khó khăn nảy sinh trong bảo dưỡng, bảo trì hay sửa chữa thay thế thiết bị Do vậy, yêu cầu khai thác nguồn lực trong nước để làm chủ và khai thác hiệu quả công nghệ nhập khẩu, nghiên cứu phát triển các hệ thống xử lý nước thải thích ứng mới, cải tiến để giảm giá thành xử lý và đặc biệt nâng cao năng lực, hướng tới đáp ứng đủ yêu cầu xử lý thực tiễn là một đòi hỏi và thách thức Những thành tựu nghiên cứu mới ở trong nước trong những năm gần đây như hệ thống BASTAFAT-F, Biofast, môđun của Viện Kỹ thuật hoá sinh và Tài liệu nghiệp vụ đã bước đầu đưa vào ứng dụng, nhưng những hệ thống này chỉ phù hợp với quy mô nhỏ và chưa xác lập được hệ vi sinh vật thích ứng với công nghệ đó

Nhằm góp phần giải quyết vấn đề trên, chúng tôi đã tiến hành thực hiện đề

tài: “Nghiên cứu tạo chế phẩm vi sinh vật bản địa nhằm xử lý nước thải sinh hoạt

đô thị Hà Nội”

Mục tiêu của đề tài:

- Nghiên cứu xây dựng quy trình sản xuất chế phẩm vi sinh vật xử lý nước thải sinh hoạt đô thị

- Thử nghiệm ứng dụng chế phẩm vi sinh vật trong xử lý nước thải sinh hoạt

đô thị

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

- Nước thải tại một số con sông trong nội thành Hà Nội

- Vi sinh vật có năng lực phân giải các hợp chất ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt đô thị Hà Nội

- Hệ thống xử lý nước thải tích hợp để xử lý nước thải sinh hoạt đô thị (là giải pháp công nghệ mới được triển khai thử nghiệm thẩm định năng lực xử lý ngoài hiện trường)

Nội dung nghiên cứu:

- Xác định đặc trưng của nước thải đô thị ở sông Tô Lịch, Kim Ngưu

- Tuyển chọn chủng vi sinh vật bản địa có hoạt tính phân hủy hợp chất hữu cơ

và chuyển hóa nitơ cao ở trong môi trường nước thải

- Định tên vi sinh vật bằng phương pháp truyền thống và sinh học phân tử

- Nghiên cứu điều kiện lên men thu sinh khối vi sinh vật

- Nghiên cứu tạo chế phẩm vi sinh vật xử lý nước thải sinh hoạt đô thị

- Sử dụng chế phẩm BioV1 xử lý nước thải trong phòng thí nghiệm

- Nghiên cứu hoàn thiện quy trình công nghệ sử dụng chế phẩm BioV1 xử lý nước thải sinh hoạt đô thị ở quy mô nhỏ

- Ứng dụng chế phẩm BioV1 xử lý thử nghiệm tại hiện trường

- Đánh giá sự tồn tại của vi khuẩn trong hệ thống bằng kỹ thuật DGGE

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn:

1 Về khoa học: Tuyển chọn các chủng vi sinh vật, xây dựng quy trình lên men

và sản xuất được chế phẩm vi sinh vật thích ứng với điều kiện môi trường, ứng dụng để xử lý nước thải sinh hoạt đô thị

2 Về thực tiễn: Thử nghiệm ứng dụng chế phẩm để nâng cao hiệu quả hệ thống xử lý nước thải trên thực tế hiện trường nước thải đô thị Hà Nội

1 TỔNG QUAN

1.1 Nước thải đô thị Hà Nội

1.1.1 Nguồn gốc nước thải đô thị Hà Nội

Nước thải đô thị là nước được thải hình thành sau các hoạt động dân sinh và kinh tế đô thị, bao gồm nước từ các hoạt động sinh hoạt của cộng đồng (tắm, giặt giũ, vệ sinh cá nhân), từ các cơ sở sản xuất, dịch vụ công cộng, trường học, bệnh viện, chợ Trong đó, phần lớn là nước sau sử dụng trong các hộ gia đình ở khu dân

cư [4] Lượng nước thải đô thị của một khu dân cư phụ thuộc vào dân số, vào tiêu chuẩn cấp nước và đặc điểm hệ thống thoát nước của khu vực đó Nước thải đô thị

ở các vùng đô thị thường chảy vào hệ thống thoát nước chung và dẫn ra các sông rạch, rồi đổ vào các dòng thải chung… Nước thải đô thị thường chứa một hỗn hợp gồm nhiều chất khác nhau: chất dinh dưỡng, kháng sinh, muối khoáng… (Blaise, 2011); ngoài ra nó còn chứa cả những mầm bệnh, có thể bao gồm cả các loài vi sinh vật gây bệnh nguy hiểm như tiêu chảy, tả, lỵ, thương hàn Theo thống kê hàng năm trên thế giới 1,1 triệu người chết do các bệnh này [32]

Ở Hà Nội, do địa hình tương đối bằng phẳng và trải qua tiến trình trên một ngàn năm hình thành và phát triển, toàn bộ lượng nước thải đô thị đều chảy vào các

hệ thống cống thoát nước, sau đó được chảy vào năm con sông trong nội thành là: sông Kim Ngưu, sông Sét, sông Lừ, sông Tô Lịch và sông Nhuệ Do là hỗn hợp của các loại nước thải, bao gồm nước thải sinh hoạt, nước thải sản xuất công nghiệp, nước thải tự nhiên… nên thành phần nước thải đô thị Hà Nội rất phức tạp và hiện đang bị ô nhiễm nghiêm trọng Với lưu lượng nước thải lớn và chảy len lỏi ngay trong môi trường dân cư đông đúc, nên nước thải đô thị Hà Nội cần được ưu tiên

xử lý để bảo vệ môi trường

1.1.2 Đặc tính nước thải đô thị Hà Nội

Về màu sắc: nước thải đô thị trong hầu hết các con sông đều có màu đen hoặc xám đen, do trong nước có sự phân huỷ kỵ khí các hợp chất hữu cơ gây nên

Cũng có thể bắt gặp nước có màu xanh lục (thường là nước hồ) đó là do nước thải

ở đó có chứa quá nhiều dưỡng chất nitơ và phospho gây nên hiện tượng phát triển bùng nổ của tảo lục (hiện tượng phú dưỡng của nước) Độ màu càng lớn thì mức độ

ô nhiễm càng cao

Về mùi: do trong nước thải đô thị thường chứa hàm lượng hợp chất hữu cơ cao và do quá trình phân hủy kỵ khí các hợp chất hữu cơ chiếm ưu thế trong suốt quá trình vận động trên dòng chảy nội đô, nên người dân dễ dàng nhận thấy (và phải chịu đựng) mùi hôi thối, mùi khai, mùi tanh đặc trưng của nước thải đô thị

Về độ đục: vì nước thải đô thị Hà Nội là hỗn hợp của nhiều loại nước thải khác nhau, lại cùng chảy chung trực tiếp với cả lượng nước mặt nên trong nước thải chứa nhiều chất rắn lơ lửng (thậm chí có cả lượng nhỏ rác thải); cộng với lượng chất rắn hình thành từ bùn lắng do phân hủy và chuyển hóa các chất hữu cơ, nên nước thải đô thị Hà Nội rất đục Độ đục cao và cường độ màu đậm của nước thải một mặt làm giảm lượng ánh sáng truyền vào môi trường nước cần thiết cho sự chuyển hóa ô nhiễm của tảo; nhưng đồng thời ảnh hưởng tiêu cực về độ đục, màu

và mùi còn gây mất mỹ quan thành phố nghiêm trọng

Về vi sinh vật: trong nước thải đô thị Hà Nội, cũng như ở các thành phố khác nói chung, đều chứa lượng lớn các vi sinh vật khác nhau, với mật độ vi sinh vật trong nước thải đô thị thông thường khoảng 105

-106 CFU/ml [56] Đặc trưng ô nhiễm vi sinh trong hệ thống sông, hồ nội thành Hà Nội bao gồm cả đặc trưng ô nhiễm vi sinh vật gây bệnh từ nước thải của các bệnh viện trên địa bàn Theo báo cáo “Hiện trạng môi trường quốc gia 2010” của Bộ Tài nguyên – Môi trường, hầu hết nước thải bệnh viện của các tỉnh miền Bắc xử lý chưa đạt tiêu chuẩn hoặc chưa được xử lý Chỉ tính riêng 32 bệnh viện lớn ở Hà Nội mỗi ngày xả trên 6.000m3nước thải, trong đó gần một nửa chưa qua xử lý [16] Một số bệnh viện đã có khu

xử lý nước thải, nhưng các hệ thống không được bảo dưỡng, dẫn đến hỏng hóc Nhiều bệnh viện chỉ vận hành hệ thống trong giai đoạn còn bảo hành, sau đó bỏ không với lý do không có kinh phí trả tiền điện, hóa chất khử trùng, Đây chính là một trong những nguồn ô nhiễm nghiêm trọng và tiềm ẩn nhiều nguy cơ phát sinh dịch bệnh

Trong môi trường nước thải đô thị có chứa các chất hữu cơ, chủ yếu ở dạng

dễ phân hủy sinh học (protein, hydratcacbon, chất béo cùng với các sản phẩm phân hủy của chúng…) nên hệ vi sinh vật trong đó sẽ phát triển bùng phát theo quy luật cạnh tranh tự nhiên hoang dã Hậu quả của quá trình này làm cho đặc tính vật chất

và hệ sinh thái sinh học của nước thải biến đổi, vượt khỏi tầm kiểm soát của con người, đặc biệt là sự phát triển và lây lan của các loài vi sinh vật gây bệnh nguy hiểm cho cộng đồng như tả, lỵ, thương hàn…

Theo nghiên cứu gần đây của Listowski và cộng sự (2011), nước thải sinh hoạt đô thị còn phát thải khí nhà kính CH4,N2O, H2S,CO2 vào bầu khí quyển do sự chuyển hoá các chất hữu cơ trong nước thải tạo ra [52]

1.1.3 Hiện trạng nước thải đô thị Hà Nội

Trong những năm qua, Hà Nội có tốc độ phát triển kinh tế cao vượt bậc Tuy nhiên, sự phát triển hạ tầng và đặc biệt là xử lý nước thải không tăng cùng tốc độ phát triển kinh tế, do đó môi trường sống ngày càng bị ô nhiễm nghiêm trọng ảnh hưởng trước mắt và lâu dài đến sức khoẻ người dân Ngoài ra, các kênh mương, sông, hồ thoát nước ngày càng bị thu hẹp dần do người dân lấn chiếm; tình trạng vứt rác thải, phế thải ra sông, mương làm hạn chế dòng chảy và ô nhiễm môi trường Với mật độ dân số ngày càng tăng, tốc độ đô thị hóa ngày càng cao, hệ thống sông, hồ vốn đã ô nhiễm sẽ ngày càng bị ô nhiễm nă ̣ng nề hơn Theo báo cáo tại Hội thảo “Quản lý và

xử lý nước thải phi tập trung tại các đô thị Việt Nam” tháng 12/2010, hiện nay, lượng nước thải trên địa bàn Hà Nội được xử lý chỉ có gần 47.000 m3

/ngày đêm, chiếm khoảng 7% tổng lượng nước thải phát sinh hàng ngày [90], số còn lại chưa qua xử lý, trong đó có tới 75% là nước thải đô thị [61]

Nguồn nước bi ̣ ô nhiễm đã gây ra những ảnh hưởng xấu không chỉ đến sức khỏe người dân mà còn để lại hậu quả nặng nề với môi trường sinh thái Hệ thống sông, hồ trên địa bàn Thủ đô bị ô nhiễm không phải là vấn đề mới được phát hiện Chính quyền thành phố đã có nhiều nỗ lực trong việc quản lý, khai thác, giữ gìn hệ thống sông, hồ: nạo vét, làm vệ sinh sông, hồ, cũng như đã có đầu tư một số trạm

xử lý nước thải đô thị : trạm XLNT Kim Liên , trạm XLNT Trúc Bạch, trạm XLNT Bắc Thăng Long -Vân Trì , trạm XLNT Gamuda Yên Sở… Tuy nhiên , những cố

gắng của chính quyền và người dân trong nhiều năm qua vẫn chưa đủ để giải quyết thực trạng ô nhiễm trước mắt cũng như nguy cơ ô nhiễm nặng hơn trong tương lai

và thực trạng ô nhiễm môi trường nước trên địa bàn Hà Nội là rất trầm trọng, đã tiềm ẩn nguy cơ đe dọa trực tiếp sức khỏe cộng đồng và trở thành trở lực thực sự cho sự phát triển bền vững nền kinh tế thủ đô Trên địa bàn Hà Nội đã xảy ra dịch tiêu chảy cấp dương tính với phẩy khuẩn tả nguy hiểm ; số người mắc bệnh viêm màng kết, tiêu chảy, ung thư… ngày càng tăng Thêm nữa, có tới 93% nước thải đô thị được dùng lại cho mục đích nông nghiệp và nuôi trồng thủy sản (ví dụ nuôi cá trực tiếp trong môi trường nước thải đô thị trong hồ điều hòa Yên Sở, Hà Nội), điều

đó đồng nghĩa với rủi ro về an toàn vệ sinh thực phẩm rất cao (Raschid-Sally và cộng sự, 2004 [61])

Theo kết quả phân tích mẫu nước thải tháng 1 và tháng 7/2011 tại các con sông trong nội thành của Công ty TNHHNNMTV Thoát nước Hà Nội thì hàm lượng DO, BOD5, COD đều vượt xa QCVN 08:2008/BTNMT cột B2 (quy chuẩn chất lượng nước mặt) [17] Như vậy, các con sông ở Hà Nội ô nhiễm chủ yếu bởi hàm lượng các chất hữu cơ và ở mức tương đối cao Khi đem so với QCVN 08:2008/BTNMT cột B2 (xem bảng 1.1) đã cho thấy:

Sông Tô Lịch (điểm cầu Trung Kính) lượng oxy hoà tan (DO) thấp hơn gần 2 lần, nhu cầu oxy hoá sinh học (BOD5) cao gấp 3 lần, nhu cầu oxy hoá học (COD) cao gấp hơn 3 lần, hàm lượng muối amon (NH4

+) cao gấp 45 lần, và hàm lượng coliform cũng cao gấp vài chục đến vài trăm lần [17]

Sông Kim Ngưu (điểm cầu Mai Động) lượng oxy hoà tan (DO) thấp hơn gần

2 lần, nhu cầu oxy hoá sinh học (BOD5) cao gấp 4 lần, nhu cầu oxy hoá học (COD) cao gấp 4 lần, hàm lượng muối amon (NH4

+) cao gấp khoảng 30 lần, và hàm lượng coliform cũng cao gấp hơn 1000 lần [17 ]

Sông Sét (điểm cầu Sét) lượng oxy hoà tan (DO) thấp hơn gần 2 lần, nhu cầu oxy hoá sinh học (BOD5) cao gấp 3 lần, nhu cầu oxy hoá học (COD) cao gấp 3 lần, hàm lượng muối amon (NH4

+) cao gấp 40 lần, và hàm lượng coliform cũng cao gấp vài trăm lần [17 ]

Sông Lừ (điểm cầu Định Công) lượng oxy hoà tan (DO) thấp hơn 2 lần, nhu cầu oxy hoá sinh học (BOD5) cao gấp 4 lần, nhu cầu oxy hoá học (COD) cao gấp 4 lần, hàm lượng muối amon (NH4

+) cao hơn 40 lần, và hàm lượng coliform cao gấp trên dưới 1000 lần [17]

Bảng 1.1 Kết quả phân tích nước thải tại các sông, hồ trong nội thành Hà Nội

T-N mg/l

T-P mg/l

COD mg/l

mg/l

Coliform CFU/ 100ml Cột B2 - QCVN

Nguồn: Công ty TNHHNNMTV Thoát nước Hà Nội [17]

Cùng trong hệ thống nước mặt ô nhiễm bởi nước thải, thì nước hồ ô nhiễm cũng đang là vấn đề đầy bức xúc Trong tất cả các hồ ở Hà Nội, hồ Hoàn Kiếm luôn có ý nghĩa quan trọng hơn cả về mặt lịch sử, cảnh quan lẫn tâm linh Tuy nhiên, những năm gần đây, hồ Hoàn Kiếm đang phải đối mặt với ô nhiễm Ngoài

ra, lớp bùn ngày càng dày, diện tích hồ bị thu hẹp, mực nước cạn Các chuyên gia cho rằng chỗ sâu nhất hiện nay chỉ còn khoảng 1,4m, nông nhất 0,5m, dưới đó là lớp bùn trên 4m Nếu không kịp thời cải tạo và nạo vét lòng hồ, chẳng bao lâu nữa

hồ sẽ trở thành đầm lầy [18]

Hồ Tây và hồ Trúc Bạch: với diện tích mặt nước hơn 500 ha, hồ Tây mang lại sức sống mạnh mẽ và điều hoà không khí cho Hà Nội Thế nhưng, “lá phổi của thành phố” đang bị đầu độc một cách nghiêm trọng Mỗi ngày đêm, hồ Tây trung

bình phải gánh trên 4.000m3

nước thải công nghiệp và sinh hoạt của hàng chục nhà máy, xí nghiệp, bệnh viện gần kề [18] Đó là chưa kể hàng ngàn tấn rác thải của bao nhiêu nhà hàng, khách sạn, quán ăn và hộ gia đình ven hồ Tây trực tiếp xả xuống hồ Hồ Trúc Bạch cũng đang ở trong tình trạng tương tự Mặc dù có trạm xử

lý nước thải, tuy nhiên trạm này cũng chỉ có thể xử lý được một phần nhỏ nước thải thuộc góc ven hồ

Cụm hồ Yên Sở Nằm ở phía Nam Hà Nội, hồ Yên Sở được coi là lá phổi xanh thứ 2 của Hà Nội với diện tích 137 ha, đã từng được coi là “thùng chứa nước thải của thủ đô” bởi tiếp nhận đến hơn 50% lượng nước thải của Hà Nội [18] Hệ thống ao hồ trong công viên Yên Sở hiện đang bị ô nhiễm, tù đọng với chất thải và phát ra mùi hôi thối khó chịu

Theo Trung tâm Nghiên cứu Môi trường và Cộng đồng (CECR), phần lớn các

hồ bị ô nhiễm chất hữu cơ, có tới 71% hồ có giá trị BOD5 vượt quá tiêu chuẩn cho phép (> 15mg/l); trong đó 14% hồ bị nhiễm hữu cơ khá nặng (BOD5 > 100mg/l); 25% hồ bị ô nhiễm trung bình (BOD5 từ 50-100mg/l) và 32% có dấu hiệu ô nhiễm 70% số lượng hồ có nồng độ oxy hòa tan (DO) dưới mức tiêu chuẩn cho phép (< 4mg/l); 6 hồ có nồng độ DO dưới 1mg/l Nguyên nhân gây ô nhiễm chính là do nước thải đô thị từ gia đình hoặc cộng đồng tùy tiện thải xuống hồ [15]

1.2 Thành phần nước thải đô thị

Theo Howard và cộng sự (2004), nước thải đô thị có chứa rất nhiều vi sinh vật gây bệnh và hàm lượng hợp chất hữu cơ cao [47] Có thể chia các chất trong nước thải đô thị thành các nhóm sau:

1.2.1 Các chất hữu cơ trong nước thải đô thị

Trong nước thải đô thị có chứa nhiều hợp chất hữu cơ, đó là sản phẩm tạo thành từ quá trình chăm sóc cá nhân và các hoá chất gia dụng thông thường khác [47] Trong đó, phần lớn là các chất hữu cơ dễ phân huỷ sinh học có nguồn gốc từ thực phẩm dư thừa hoặc từ chất thải của người và động vật thải ra Các hợp chất hữu cơ dễ phân huỷ sinh học trong nước thải đô thị bao gồm protein (40 – 60%),

hydratcacbon (25 – 50%), chất béo (khoảng 10%) cùng với sản phẩm phân huỷ của chúng [56] Chúng có thể được oxy hoá bởi vi sinh vật để thu năng lượng và vật liệu xây dựng tế bào hoặc được lưu trữ dưới dạng glycogen hoặc dưới các dạng khác [85]

Hình 1.1 Quá trình chuyển hóa sinh học các hợp chất hữu cơ [4]

Với các thành phần cơ bản (protein, hydratcacbon, lipid và các cấu tử cấu thành tương ứng của chúng), các chất hữu cơ thường là thành phần gây ô nhiễm chủ đạo trong nước thải đô thị và sự có mặt của chúng với hàm lượng cao sẽ làm giảm lượng oxy hòa tan trong nước thải [40] Quá trình chuyển hoá sinh học ba thành phần cơ bản này ở vi sinh vật bắt đầu từ quá trình thuỷ phân ngoại bào vật liệu hữu cơ trên thành các đơn vị cấu trúc tương ứng (các loại đường, acid amin, glyxerin và các acid béo ), tiếp theo là quá trình vi sinh vật sử dụng các vật liệu này để phát triển sinh khối hoặc chuyển hoá tiếp tục thành các chất thứ cấp (để thu nhận năng lượng hay để thu nhận vật liệu cấu trúc tế bào) và cuối cùng là giai đoạn chuyển hoá tiếp tục các cấu tử thứ cấp này thành các chất an toàn và thân thiện với môi trường Để xử lý các hợp chất hữu cơ dễ phân huỷ sinh học có nguồn gốc động vật hoặc thực vật trên, thường sử dụng vi sinh vật trong các quá trình bùn hoạt tính hoặc lọc sinh học [74]

1.2.1.1 Protein và quá trình chuyển hoá protein trong nước thải

Protein là những đại phân tử được cấu tạo theo nguyên tắc đa phân mà các đơn phân là acid amin Chúng kết hợp với nhau thành một mạch dài nhờ các liên kết peptid (gọi là chuỗi polypeptid) Các chuỗi này có thể xoắn cuộn hoặc gấp theo nhiều cách để tạo thành các bậc cấu trúc không gian khác nhau của protein Protein

có khối lượng phân tử tương đối lớn và thay đổi trong một dải rộng từ mười nghìn đến hàng trăm nghìn dalton [14] Các phân tử lớn này có thể có dạng cầu hoặc dạng sợi Các protein hình cầu tan trong nước hoặc dung dịch muối loãng, rất hoạt động

về mặt hóa học Thuộc nhóm này có hầu hết protein có hoạt tính xúc tác như hemoglobin, albumin Protein hình sợi tương đối trơ về mặt hóa học, chủ yếu có chức năng cơ học ví dụ như colagen của da, xương, sụn; keratin của tóc lông, miozin của cơ…

Pamela và cộng sự (2007) đã nghiên cứu cho thấy hàm lượng protein chiếm

tỷ lệ lớn nhất của thành phần hữu cơ trong nước thải đô thị [64] Các protein đơn giản thường có trong nước thải từ các hoạt động tắm giặt, vệ sinh cá nhân… của con người; ngoài ra protein còn có nhiều trong thực phẩm dư thừa mà con người sử dụng hàng ngày như thịt, đậu, cá, trứng …Các thực phẩm này được cuốn trôi ra cống rãnh, sông hồ Trên thực tế, protein có khả năng hòa tan trong nước và cố định mùi nhưng do tốc độ thải ra của con người quá nhanh và lớn hơn rất nhiều so với tốc độ hòa tan và phân hủy của protein nên protein bị biến tính và bị phân hủy gây

ra mùi hôi thối khó chịu trong nước thải sinh hoạt

Muốn phân giải protein, đầu tiên các vi sinh vật phải tiết ra các enzym phân giải protein ngoại bào và làm chuyển hóa các protein thành các hợp chất có phân tử nhỏ hơn, đó là các polypeptid và olygopeptid Sau đó các chất này tiếp tục được thủy phân thành acid amin nhờ các peptidase ngoại bào hoặc được xâm nhập ngay vào tế bào vi sinh vật sau đó mới được chuyển hóa thành các acid amin Một phần các acid amin này được vi sinh vật sử dụng trong quá trình tổng hợp protein của chúng, một phần khác được tiếp tục phân giải theo những con đường khác nhau để sinh NH3, CO2 và nhiều sản phẩm trung gian khác (NO, CH4) [14] Quá trình chuyển hóa tiếp tục thành phần NH3 trong nước thải sẽ dẫn tới một phần tái cấu

trúc trong phân tử protein mới (do năng lực đồng hóa muối NH4

+

và NO3- của hầu hết các loài vi sinh vật), một phần tích tụ làm tăng hàm lượng NO2

hay NO3- (do các loài vi khuẩn nitrit và vi khuẩn nitrat hóa) và một phần sẽ chuyển hóa đến sản phẩm cuối cùng là nitơ phân tử (do các loài vi khuẩn phản nitrat hóa tạo ra)

-1.2.1.2 Tinh bột và quá trình chuyển hoá tinh bột trong nước thải

Tinh bột – (C6H10O5)n – là loại polysacarit chủ yếu trong hạt, trong củ, trong quả Hợp chất cao phân tử này được cấu tạo bởi nhiều gốc glucose, mối liên kết giữa các gốc được gọi là dây nối α – glucozid Tinh bột khi gặp thuốc thử iốt sẽ có màu từ nâu đỏ đến xanh Tinh bột được cấu tạo bởi hai thành phần có cấu trúc khác nhau: amylose và amylopectin

Amylose là loại polysacarit có cấu tạo mạch thẳng Phân tử amylose gồm có

từ vài đến vài trăm nghìn gốc glucose liên kết với nhau bằng dây nối α – 1,4 – glucozit Amylose là loại có cấu tạo xoắn, mỗi vòng xoắn gồm 6 gốc glucose Trọng lượng phân tử của amylose vào khoảng 10.000 – 100.000 dalton [14]

Hình 1.2 Cấu trúc phân tử tinh bột

Amylopectin có cấu tạo phân nhánh Bên cạnh dây nối α – 1,4 – glucozit trong phân tử amylopectin còn có dây nối α – 1,6 – glucozit (ở đầu các nhánh) Mỗi nhánh nhỏ gồm khoảng 20 – 25 gốc glucozit Trọng lượng phân tử của amylopectin vào khoảng 50.000 – 1.000.000 dalton [14]

Nguồn tinh bột trong nước thải đô thị Hà Nội cũng rất phong phú, nó có thể

là thức ăn hằng ngày dư thừa như cơm, bún, phở, ngũ cốc… có thể từ các cơ sở sản xuất chế biến tinh bột, các làng nghề (làng bún Phú Đô)…

Mặc dù tinh bột là chất dễ bị phân hủy trong điều kiện tự nhiên, nhưng do sự phân hủy xảy ra trong điều kiện kỵ khí không có sự kiểm soát của con người nên dễ kết hợp với các chất ô nhiễm khác tạo ra các sản phẩm không mong muốn như

H2S, NH3… bên cạnh đó nguồn chất hữu cơ giàu năng lượng và dễ chuyển hóa này cũng là môi trường thuận lợi cho các vi sinh vật gây bệnh phát triển Trong thiên nhiên có nhiều loài vi sinh vật có khả năng tổng hợp ra các enzym phân giải tinh bột (amylase) [49] Amylase của vi sinh vật thường thuộc 3 loại sau [14]:

- Amylo – 1,4 – dextrinase (α – amylase hay men dịch hóa tinh bột) : enzym này có khả năng thủy phân một phần α – 1,6 - glucozit trong phân tử amylose hoặc amylopectin tạo thành chủ yếu là dextrin, ngoài ra còn có mantose và glucose

- Amylo – 1,4 – glucosidase (men đường hóa tinh bột) : enzym này tuy không

có khả năng phân giải α – 1,6 – glucozit nhưng có khả năng phân giải α – 1,4 – glucozit cho sản phẩm chủ yếu là glucose

- Amylo – 1,6 – dextrinase : enzym này có khả năng phân giải α – 1,6 – glucozit

vì vậy khi phối hợp với các enzym trên nó sẽ thủy phân triệt để tinh bột thành maltose và glucose

Ứng dụng vi sinh vật sinh enzym thuỷ phân tinh bột được nhiều nhà khoa học nghiên cứu Năm 2010, ở Trung Quốc, Zhou và cộng sự đã nghiên cứu sử dụng

vi sinh vật để xử lý nước thải chứa tinh bột: đầu tiên là sử dụng hệ vi sinh vật kỵ khí, sau đó sử dụng hệ vi sinh vật hữu hiệu (EM) hiếu khí và tuỳ nghi để xử lý tiếp, kết quả loại trừ được tới 99% COD trong nước thải [83]

1.2.1.3 Lipid (chất béo) và quá trìnhchuyển hoá lipid trong nước thải

Lipid (chất béo) là nhóm hợp chất hữu cơ tự nhiên rất phổ biến trong tế bào động thực vật, có thành phần hóa học và cấu tạo khác nhau nhưng có tính chất chung là không hòa tan trong nước mà hòa tan trong các dung môi hữu cơ như: ete, cloroform, benzen, toluen… Lipid là hợp chất cấu tạo quan trọng của màng sinh học, là nguồn cung cấp năng lượng (37,5.106

J/Kg) và góp phần cung cấp vitamin

A, D, E, K và F cho cơ thể (vì đây là các vitamin chỉ tan trong lipid) [36]

Lượng lipid thải ra từ hoạt động sống của con người (nấu nướng, giết mổ động vật…) một phần bị biến đổi bởi các chất tẩy rửa mạnh, một phần lớn còn lại theo nước trôi ra các cống rãnh Trong bùn thải từ các hệ thống thoát nước cũng có chứa các loại chất béo khác nhau và có thể sử dụng để sản xuất diesel sinh học [57,58] Theo Stephen và cộng sự (2007), hàm lượng lipid và chất béo có trong bùn thải từ các hệ thống xử lý nước thải đô thị là 20% chất khô [73], chứng tỏ lượng dầu mỡ trong nước thải đô thị cũng là lượng đáng kể Do lipid nhẹ hơn nước, nó nổi trên bề mặt nước thải gây cản trở sự khuếch tán oxy từ không khí vào nước và

vi sinh vật phân hủy lipid gây ra mùi khó chịu cũng làm ảnh hưởng đến môi trường

Lipid được nhiều loại vi sinh vật sử dụng làm nguồn thức ăn cacbon và nguồn năng lượng Để sử dụng nguồn năng lượng này, lipid sẽ bị các vi sinh vật phân giải thành các glycerol và acid béo dưới tác dụng của lipase Sau khi được phosphoryl hóa, glycerol sẽ được tiếp tục được oxy hóa thành dihydroxyacetone phosphat và bị phân giải trong con đường đường phân Trong khi đó, các acid béo trừ triaxylglycerol thường bị oxy hóa trong con đường β – oxy hóa sau khi chuyển thành các este của coenzyme A Trong chu trình này, các acid béo bị phân giải thành acetyl – CoA, sau đó acetyl – CoA đi vào chu trình Krebs Kết thúc quá trình này, lipid bị phân hủy thành CO2 và H2O [14] So với các loại cơ chất khác, như protein hay tinh bột, thì đây là loại cơ chất được đồng hóa với tốc độ chậm nên trong một số nguồn nước thải có thể xảy ra hiện tượng tích tụ lipid tồn lưu dần trong hệ thống xử lý và cần có giải pháp phụ trợ để loại bỏ khỏi hệ thống

1.2.2 Các hợp chất vô cơ trong nước thải đô thị

Thành phần nước thải đô thị ngoài chứa một lượng lớn chất hữu cơ còn có

cả những hợp chất vô cơ; đó là hợp chất nitơ vô cơ, phosphat vô cơ hay các ion kim loại Sự tồn tại của các hợp chất vô cơ trong nước với hàm lượng cao sẽ làm tăng mức độ ô nhiễm của nước thải, bởi khả năng gây độc và mất cân bằng sinh thái

1.2.2.1 Các hợp chất nitơ

Theo Sotirakou và cộng sự [71], hợp chất nitơ trong nước thải đô thị tồn tại dưới các dạng chính là các hợp chất nitơ hữu cơ (protein, peptid, acid amin) và nitơ

vô cơ (NH3, NH4+, NO2-, và NO3-) Quá trình chuyển hoá sinh học nguồn nitơ hữu

cơ trong tự nhiên nhờ vi khuẩn, một phần lượng nitơ này được đồng hóa quay trở lại thành nguồn nitơ hữu cơ trong cấu trúc tế bào (hấp thu dưới dạng các acid amin, hay nhờ năng lực khử nitrat đồng hóa các muối NH4+ và NO3- làm nguồn dinh dưỡng nitơ, để tổng hợp tế bào – hay năng lực tự dưỡng amin có ở nhiều loài vi sinh vật), phần còn lại trong điều kiện hiếu khí cuối cùng thường dẫn tới tích tụ muối nitrat (do quá trình oxy hóa - khử sinh học để thu nhận năng lượng của các vi khuẩn nitrit và vi khuẩn nitrat hoá, với hai giống điển hình là vi khuẩn

Nitrosomonas, vi khuẩn Nitrobacter) Tiếp theo, nhờ quá trình phân huỷ sinh học

thiếu khí hoặc kỵ khí (do quá trình oxy hóa - khử sinh học để thu nhận năng lượng của các loài vi khuẩn phản nitrat hóa) các muối nitrat này có thể chuyển hóa đến sản phẩm cuối cùng là N2

Nitơ vô cơ tồn tại ở 3 dạng chính là: ion amoni (NH4+), nitrit (NO2-) và nitrat (NO3

-) Dưới tác động của nhiều yếu tố hóa lý và do hoạt động của một số sinh vật các dạng nitơ này chuyển hóa lẫn nhau, tích tụ lại trong nước ăn và có độc tính đối với con người

Quá trình amon hóa protein:

Quá trình amon hóa protein là quá trình phân huỷ và chuyển hóa protein (cũng như các sản phẩm thủy phân trung gian của protein) thành NH4+, dưới tác dụng của các loài vi sinh vật:

Các hợp chất hữu cơ có N → NH3 hoặc NH4+

NH3+ H2O → NH4

+ + OH-

Quá trình chuyển hoá sinh học protein thành acid amindo nhiều vi sinh vật hiếu khí và kỵ khí có năng lực sinh tổng hợp hệ enzym protease ngoại bào gây ra [11], theo sơ đồ cơ chế:

Protein → polypeptid → peptid → acid amin Quá trình chuyển hoá tiếp theo, các acid amin này một phần sẽ được vi sinh vật hấp thu làm nguồn vật liệu cấu trúc nitơ để sinh trưởng và phát triển, còn một phần sẽ bị chuyển hóa theo cơ chế khử amin hóa (trong trường hợp vi sinh vật sử

dụng nguồn acid amin này làm vật liệu chỉ để thu nhận mạch khung cacbon vào mục tiêu chuyển hóa tiếp tục để thu năng lượng sinh học, hoặc để thu nhận vật liệu cấu trúc nên các thành phần khác không chứa nitơ trong tế bào như glucid, lipid…) Kết quả là quá trình khử amin hóa (dezamin) các acid amin đã dẫn đến xuất hiện và tích tụ dần NH3 tự do, hay dưới dạng NH4+ trong môi trường

Quá trình nirat hóa:

Quá trình nitrat hóa là quá trình oxy hóa tiếp tục nitơ amon, đầu tiên tạo thành nitrit và sau đó tạo thành nitrat Quá trình nitrat hóa bao gồm 2 giai đoạn chính là oxy hóa muối amon thành NO2

(nitrit hóa), giai đoạn oxy hóa nitrit thành

-NO3- (nitrat hóa) [76] và quá trình này được thực hiện chủ yếu bởi hai nhóm vi khuẩn tự dưỡng có năng lực chuyển hóa và sử dụng được nguồn năng lượng thoát

ra từ quá trình oxy hóa vô cơ amon và nitrit [75]

Giai đoạn 1: giai đoạn nitrit hóa

Bước đầu tiên của quá trình nitrat hoá, vi khuẩn sẽ oxy hoá amoni thành nitrit theo phương trình:

NH3 + 1,5O2 NO2- + H+ + H2O

Trong đó, Nitrosomonas là chi phổ biến nhất được phát hiện tham gia giai đoạn này, sau đó đến Nitrosococcus, Nitrosospira và Nitrospira Ngoài ra,

Nitrosolobus và Nitrosovibrio cũng có thể oxy hóa anoni [50,75,81] Chúng đều là

vi khuẩn gram âm, sinh ra các enzym hydroxylamine oxidoreductase (HAO) và ammonia monooxygenase (AMO) để oxy hóa amoni thu năng lượng [33] Những

vi khuẩn này còn có khả năng hoạt động tốt trong môi trường có hàm lượng nitrit cao, mà đối với vi sinh vật khác thì bị ức chế [60]

Điều đáng chú ý nữa là trong quá trình nitrit hóa, cơ chất NH3 chứ không phải là NH4

+

, bởi vậy quá trình oxy hóa amon xảy ra mạnh nhất ở pH trung tính 7,5

÷ 8,5 hoặc kiềm khi amoniac ở dạng không ion hóa (NH3) nhiều hơn [30]

Giai đoạn 2: giai đoạn nitrat hóa

Đó là giai đoạn oxy hóa nitrit thành nitrat do enzym nitritoxydase và cytochrom oxydase xúc tác

NO2- + 0,5O2 NO3

-Nitrobacter là chi phổ biến nhất được phát hiện thực hiện giai đoạn này

Ngoài ra còn có các vi sinh vật tự dưỡng khác cũng có khả năng oxy hoá nitrit

thành nitrat như: Nitrococcus, Nitrospira… [76,80] Nhìn chung, vi khuẩn nitrat

hóa có thể phát triển được trong điều kiện hiếu khí, và cả trong môi trường hạn chế

oxy Các chủng vi khuẩn Nitrobacter có thể phát triển trong môi trường tạp dưỡng hoặc dị dưỡng, nhưng các chủng Nitrospira, Nitrococcus, Nitrospina thường lại

không phát triển được trên môi trường dị dưỡng cacbon

Theo Philips và cộng sự, vi khuẩn oxy hóa amoni (AOB) sinh ra năng lượng lớn hơn vi khuẩn oxy hóa nitrit (NOB) trong quá trình oxy hóa nên có tốc độ tăng trưởng tốt hơn [66] Các vi khuẩn này hoạt động được trong môi trường có hàm

lượng oxy hòa tan thấp và Nitrosomonas có pH tối ưu là 8,1, Nitrobacter là 7,9

[43,60]

Quá trình phản nitrat hóa:

Là quá trình chuyển hóa NO3-thành N2để bù trả lại nitơ cho không khí được gọi là quá trình phản nitrat hóa [70] Trong tự nhiên có 2 dạng khử nitrat:

Quá trình đồng hóa (amon hóa nitrat): là quá trình khử nitrat thành NH4

+

Quá trình này xảy ra ở một số vi khuẩn như Bacillus, E coli, Aerobacter và ở nhiều

loài vi sinh vật khác Quá trình xảy ra trong điều kiện hiếu khí và có chức năng cung cấp amon cho tế bào dùng tổng hợp acid amin

Quá trình dị hóa (phản nitrat hóa): là quá trình khử NO3

hoặc NO2- thành nitơ phân tử, chỉ diễn ra trong điều kiện vi hiếu khí và điều kiện kỵ khí dưới sự tác động của các enzym nitrat reductase, nitrit reductase, nitrioxit reductase và nitrousoxit reductase [51], theo sơ đồ chuyển hóa sau:

-Quá trình phản nitrat hóa được thực hiện với sự tham gia của các vi khuẩn:

Pseudomonas, Azospirillum, Alcaligenes, Rhodopseudomonas, Propionibacterium, Achromobacter, Micrococcus, Paracoccus … ngoài ra, còn có một số vi khuẩn lưu

huỳnh như Thiobacillus, Sulfomonas Vi khuẩn Rhizobium cũng có khả năng khử

nitơ trong trường hợp môi trường thiếu oxy, vi khuẩn này có thể oxy hóa nitrat thành năng lượng cho cơ thể [55] Các vi khuẩn phản nitrat hóa có vai trò quan trọng trong xử lý nước thải đô thị, vì chúng loại bỏ nguồn nitơ liên kết độc hại đối với môi trường sinh thái Trong môi trường nước thải đô thị, nitrit và nitrat thường tồn tại dưới dạng muối của các kim loại kiềm và kiềm thổ Trong quá trình phân giải các muối kali, natri, canxi… sẽ kèm theo hình thành các muối cacbonat và kiềm Vì thế, quá trình phản nitrat hóa thường kèm theo sự kiềm hóa môi trường

Trong nước thải cuối quá trình xử lý sinh học, do hàm lượng chất hữu cơ còn lại trong đó thường rất ít, cho nên quá trình phản nitrat hóa xảy ra rất chậm Các nghiên cứu trên thế giới cho thấy nếu cung cấp chất nhận điện tử sẽ thúc đẩy nhanh quá trình phản nitrat hóa xảy ra; thí dụ có thể sử dụng một số chất cho điện

tử như: methanol, ethanol, acid acetic, focmaldehyt, dextrose ngoài ra còn có methan, cacbon monoxit (CO), hydrogen, thiosulphate (S2O3) [77] Nhu cầu về hàm lượng các chất này phụ thuộc vào hàm lượng NO3

độ quá cao khi xả trực tiếp ra môi trường mà không qua xử lý sẽ gây ra hiện tượng phú dưỡng nguồn nước, gây ảnh hưởng nghiêm trọng tới môi trường Theo quy chuẩn nước thải công nghiệp (QCVN 24:2009, cột B) thì hàm lượng phospho tổng

không được lớn hơn 6 mg/l Theo ngưỡng quy định trên, nước thải đô thị Hà Nội an toàn về chỉ tiêu về ô nhiễm phosphat, với hàm lượng phần lớn các mẫu dao động dưới 4 mg/l (bảng 1.1)

1.2.2.3 Các nguyên tố kim loại

Các nguyên tố kim loại trong nước thải như Fe, Cu, Mg, Mn, Zn thường ở mức cho phép Chúng là những nguyên tố đa lượng, vi lượng có sẵn trong nước sinh hoạt Trong hoạt động sinh hoạt và sản xuất, con người thải thêm vào nguồn nước một lượng nhỏ ion kim loại Một số ngành công nghiệp đặc biệt như gia công chế biến kim loại, gang thép thường có thải một số nguyên tố có tiềm năng độc hại như Cd, Pb…[37] Theo kết quả phân tích nước thải của Công ty TNHHNNMTV Thoát nước Hà Nội, lượng Fe trong nước thải đô thị Hà Nội nằm

ở mức trên dưới 1 mg/l [17], thấp hơn ngưỡng quy định trong QCVN 08:2008/BTNMT cột B2 cho phép là 2 mg/l [19]

1.2.3 Vi sinh vật trong nước thải đô thị

Trong thành phần nước thải đô thị, ngoài hợp chất hữu cơ và vô cơ còn có chứa một lượng lớn vi sinh vật, trong đó có cả vi sinh vật gây bệnh Hệ vi sinh vật trong nước thải đô thị thường mang đặc tính thích ứng và biến đổi khác nhau, phụ thuộc vào nguồn gốc và đặc tính của chính nguồn thải đó Chúng có thể bao gồm cả

vi khuẩn, nấm, tảo và nguyên sinh động vật có nguồn gốc từ chất thải trong quá trình sinh hoạt hoặc từ đất (nước mưa chảy tràn) Tuy nhiên trong môi trường nước thải đô thị có tải trọng ô nhiễm lớn thì vi khuẩn thường giữ vị trí ưu thế về số lượng [54] Với đặc trưng mọi nguồn thải đều chảy chung về hệ thống sông thoát chung,

hệ vi sinh vật trong nước thải đô thị Hà Nội lớn về lượng và đa dạng phong phú về chủng loại, bao gồm cả hệ vi sinh vật hữu ích và các vi sinh vật gây bệnh

Vi sinh vật được coi là hữu ích trong nước thải là những vi sinh vật có khả năng làm giảm các chất ô nhiễm, góp phần làm sạch môi trường như phân huỷ các hợp chất hữu cơ, sử dụng các nguyên tố khoáng, tiêu diệt vi sinh vật gây bệnh trong nước thải và không độc hại với con người cũng như các sinh vật thuỷ sinh Những

vi sinh vật hữu ích này thường được khai thác, tuyển chọn để ứng dụng vào xử lý nước thải Theo nghiên cứu của Nguyễn Văn Cách về hệ vi sinh vật bản địa trong nước thải đô thị Hà Nội, chỉ cần xác lập điều kiện công nghệ phù hợp hoạt hóa được năng lực sinh học của hệ vi sinh vật bản địa thì chính các vi sinh vật này cũng

đủ năng lực chuyển hóa an toàn các chất ô nhiễm trong nước thải [2] Trong thực

tế, có rất nhiều vi sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn có nguồn gốc từ nước thải đô thị đã

được ứng dụng trong xử lý nước thải như Bacillus, Pseudomonas, Clostridium,

Nitrosomonas, Nitrobacter Ngoài vi khuẩn còn có nhiều loài nấm men

(Saccharomyces, Candida, ), nấm mốc (Aspergillus ), tảo, nguyên sinh động vật

sẵn có trong nước thải cũng được coi là vi sinh vật hữu ích, cùng tham gia vào chuỗi chuyển hoá các chất ô nhiễm trong môi trường nước thải [59]

Hệ vi sinh vật gây bệnh trong nước thải đô thị Hà Nội có nguồn gốc từ quá trình vệ sinh của con người, từ nước thải của bệnh viện mà điển hình là những vi khuẩn gây bệnh đường ruột Nhóm trực khuẩn đường ruột đặc biệt rất nguy hiểm ở chỗ chúng rất dễ thích nghi với cơ thể người và chúng có thể tồn tại hàng tuần, thậm chí vài tháng ngoài tự nhiên [11] Trong nước thải đô thị chứa các vi sinh vật gây bệnh đường ruột cho người, gia súc, gia cầm là: trực khuẩn đường ruột

(Escherichia), vi khuẩn bệnh thương hàn và phó thương hàn - typhy và paratyphy (Salmonella), vi khuẩn bệnh lỵ Disenterie (Shigella), vi khuẩn bệnh tả (Vibrio

cholerae) [45]

- Vi khuẩn Escherichia coli: thường sống trong ruột già của người và một số

động vật máu nóng, rồi được thải ra môi trường theo phân, song lại bị chết nhanh ở

môi trường ngoài, nên E coli được chọn làm vi sinh vật chỉ thị ô nhiễm Nghĩa là ở đâu có nhiều E coli chứng tỏ có ô nhiễm phân và có ô nhiễm các loại vi sinh vật gây bệnh đường ruột khác Một số ít chủng E coli có thể gây các bệnh như: tiêu

chảy, kiết lỵ, viêm đường tiết niệu, viêm gan, viêm phế quản, viêm màng phổi [78]

Để đánh giá nhanh mức độ ô nhiễm này người ta thường lựa chọn xác định chỉ tiêu

về Coliforms, theo đó sẽ nhận diện được đồng thời 4 giống là Escherichia,

Citrobacter, Klebsiella và Enterobacter Theo kết quả phân tích nước thải của

Công ty TNHHNNMTV Thoát nước Hà Nội, mật độ Coliform trong nước thải đô

thị Hà Nội thường cao hơn nhiều, so với ngưỡng quy định trong QCVN 08:2008/BTNMT cột B2 cho phép 10000 MPN/100ml [17,19]

- Vi khuẩn Salmonella: được tìm thấy trong cả động vật máu nóng và lạnh

(chó, mèo, chim, chuột, cá v.v ) Trong số các vi khuẩn này, có loại chỉ gây bệnh đối với người (typhy), có loại gây bệnh cả đối với người lẫn động vật (paratyphy) Chúng gây ra các bệnh thương hàn, phó thương hàn [11,63] Trong nước thải vì có

sự cạnh tranh với các loài vi khuẩn khác nên Salmonella chỉ sống được khoảng 40 ngày và khi clorua hoá nước cấp cũng tiêu diệt được Salmonella [11]

- Vi khuẩn Shigella: xâm nhập vào cơ thể qua miệng rồi phát triển ở niêm

mạc, đại tràng Khi tế bào vi khuẩn chết, giải phóng nội độc tố, chúng ngấm vào

thần kinh và phản ứng lại gây tổn thương ruột Trực khuẩn lỵ Shigella có thể truyền

do tiếp xúc trực tiếp, qua thức ăn nước uống, đặc biệt là do ruồi nhặng Shigella gây

bệnh cho người và linh trưởng nhưng không gây bệnh cho các loài động vật có vú

khác [67] So với Salmonella thì Shigella kém bền vững hơn, chúng có thể tồn tại ở

nước sông tới 3 tháng, ở nước cấp thành phố 1 tháng, ở nước thải 1 tuần Đối với

dung dịch sát trùng, Shigella bị tiêu diệt ngay bởi phenol 5 % [11]

- Vi khuẩn Vibrio cholera là phẩy khuẩn kích thước 1,5 - 2μm, gram âm

[4,11] gây bệnh truyền nhiễm nguy hiểm và có thể lây lan qua môi trường nước bị

ô nhiễm Vi khuẩn Vibrio xâm nhập vào cơ thể bằng con đường ăn uống, phát triển

ở niêm mạc tiểu tràng, giải phóng nội độc tố gây ra một loạt các triệu chứng điển hình như: cơ thể người bệnh bị mất nước nghiêm trọng (có thể tới 30 lít/ngày đêm), nôn mửa và đi ngoài lỏng cấp tính… và nếu không điều trị kịp thời bệnh có tỷ lệ tử vong rất cao Nước thải là môi trường tốt đối với chúng, nên chúng có thể tồn tại được dài tới 7 tháng; vì vậy, chúng rất nguy hiểm với đời sống cộng đồng dân cư

đô thị [16]

Ngoài các vi khuẩn gây bệnh đường ruột còn có các vi sinh vật gây bệnh

khác cư trú trong nước thải đô thị như: vi khuẩn Leptospira (gây bệnh sốt da vàng

và sốt rét), Amip Eltamoeba histolytica (gây bệnh lỵ), virus Polyomealit (gây bệnh

bại liệt),

Vi sinh vật và quá trình tự làm sạch nước:

Vi sinh vật (chủ yếu là vi khuẩn), cùng với nguyên sinh động vật, các động vật, thực vật phù du… có quan hệ sống cộng sinh (hoặc hội sinh) trong nước, nhờ

đó nước có thể tự làm sạch [10] Hoạt động của giới thủy sinh trong nước sẽ tạo thành một vòng khép kín và có thể tóm tắt như sau:

Hình 1.3 Sơ đồ quan hệ của hệ sinh thái nước (nguồn: [10])

- Tảo và các thực vật thủy sinh khác, sử dụng các khoáng chất do vi sinh vật

và động vật trong nước tạo ra Mặt khác, chúng là nguồn cung cấp oxy, làm giá bám và che chắn ánh mặt trời cho vi sinh vật, là nguồn thức ăn của động vật thủy sinh và vi sinh vật

- Vi sinh vật (phân bố ở khắp mọi nơi trong nước và có đủ 3 nhóm: hiếu khí hoạt động ở lớp nước trên, tùy nghi hoạt động ở lớp giữa, kỵ khí hoạt động ở lớp nước đáy và bùn) đóng vai trò chính trong quá trình phân hủy hợp chất hữu cơ Hay nói cách khác chất hữu cơ (hydratcacbon, protein, lipid) chính là nguồn dinh dưỡng của vi sinh vật CO2 và các chất khoáng do vi sinh vật tạo ra là nguồn dinh dưỡng cho tảo và các thực vật thủy sinh khác

- Động vật trong nước điển hình là cá sẽ ăn các loại động, thực vật phù du

Cá lớn lại ăn cá bé Xác của động vật được vi sinh vật phân hủy

Như vậy, nhờ hoạt động cân bằng của giới thủy sinh trong nước nên nước có thể tự làm sạch Tuy nhiên, hệ sinh thái trong các con sông (hồ) ở nội thành Hà Nội luôn bị tác động xấu do hàng ngày phải tiếp nhận lượng nước thải đô thị lớn, có chứa nhiều chất hữu cơ (có cả chất độc) làm cho lượng oxy hòa tan trong nước rất thấp, vi sinh vật hiếu khí không đủ oxy để hoạt động, cho nên chúng mất hoàn toàn khả năng tự làm sạch Trong trường hợp này cần phải có sự hỗ trợ của các giải pháp công nghệ

Chất rắn trong nước thải đô thị chia làm hai loại: chất rắn hữu cơ và chất rắn

vô cơ Chất rắn hữu cơ có nguồn gốc tự nhiên từ động vật, thực vật, vi sinh vật hoặc cũng có thể là chất hữu cơ tổng hợp; còn chất rắn vô cơ là cát, sỏi, phù sa và các muối khoáng [56]

Tuỳ thuộc vào trạng thái vật lý, có thể chia ra: chất rắn lơ lửng, chất rắn dạng keo và chất rắn hòa tan; bao gồm cả chất rắn hữu cơ và vô cơ, ở dạng chất rắn lắng được hoặc chất rắn dạng keo và có thể tách ra khỏi nước thải bằng các phương pháp vật lý như lắng hoặc lọc Tùy theo kích thước hạt, trọng lượng riêng của chúng, tốc độ dòng chảy và các tác nhân hóa học mà các chất lơ lửng có thể lắng xuống đáy, nổi lên mặt nước hoặc ở trạng thái lơ lửng Chất rắn lắng được là một phần của chất rắn lơ lửng, bao gồm 75% hữu cơ và 25% vô cơ, có thể lắng được trong một khoảng thời gian nhất định Chất rắn dạng keo là chất rắn không thực sự hoà tan, có khoảng 65% hữu cơ và vô cơ chiếm khoảng 35% [56]

Trong các công nghệ xử lý nước thải, người ta thường tách phân ly cơ học trước xử lý lượng chất rắn dễ lắng như rác, cát sỏi Còn phần lớn lượng các chất rắn lơ lửng khác sẽ có thể biến đổi và lắng được, do hiệu ứng phân hủy các chất ô nhiễm làm thay đổi đặc tính hóa lý môi trường, được tích tụ đồng thời với vi sinh vật trong bùn hoạt tính, hoặc người ta sử dụng thêm các giải pháp kỹ thuật phụ trợ (thí dụ: bổ sung thêm chất trợ lắng, chất keo tụ ) để chuyển thành dạng lắng được

để loại ra khỏi môi trường nước thải

1.3 Các giải pháp công nghệ xử lý nước thải đô thị

1.3.1 Tổng quan về các giải pháp công nghệ xử lý nước thải đô thị

Để xử lý triệt để hoặc giảm bớt các thành phần ô nhiễm trong nước thải đô thị, tuỳ thuộc đặc trưng và mức độ ô nhiễm của nguồn thải, trong mối tương quan với yêu cầu chất lượng của nước sau xử lý mà người ta có thể áp dụng các giải pháp công nghệ khác nhau Với nguồn nước thải đô thị thông thường, có độ ô nhiễm hữu cơ cao và không chứa chất độc hại, người ta thường phổ biến lựa chọn giải pháp xử lý sinh học nhờ vi sinh vật làm chủ đạo, phối hợp đồng thời với các kỹ thuật xử lý phụ trợ khác như cơ học, hoá học, hoá lý để hỗ trợ và nâng cao chất lượng – hiệu quả chung cho quá trình xử lý [9,48,74]

Các phương pháp xử lý không mang bản chất sinh học thường bao gồm: Phương pháp cơ học tách các tạp chất không tan có kích thước lớn (như lọc tách rác, lắng cát, ly tâm hoặc tuyển nổi để loại bỏ một phần cấu tử lơ lửng…) ra

khỏi nước thải

Phương pháp xử lý hóa học, về bản chất là sử dụng lượng hoá chất nhất định

bổ sung vào nước thải, để chuyển hóa phân hủy loại bỏ thành phần ô nhiễm, hay chuyển chúng thành dạng dễ bị phân hủy hơn hoặc để loại bỏ cấu tử ô nhiễm khỏi môi trường xử lý dễ dàng hơn Các phương pháp hoá học có ưu điểm là cho kết quả nhanh nhưng lại có nhược điểm rất lớn là việc sử dụng nhiều hoá chất, đồng nghĩa với tạo thêm ô nhiễm môi trường ngay từ khâu sản xuất, sau đó lại tạo ra ô nhiễm thứ cấp cho môi trường và thường đi kèm tăng đáng kể chi phí xử lý

Các phương pháp hoá lý thường được ứng dụng trong các công trình xử lý nước thải là keo tụ, hấp phụ, trao đổi ion, tuyển nổi để xử lý phân ly các chất rắn

lơ lửng, chất màu, ion kim loại và cả vi sinh vật Kỹ thuật keo tụ, với các chất keo

tụ phổ biến Al2(SO4)3, FeCl3 được khai thác hỗ trợ để liên kết các hạt lơ lửng khó lắng lại thành cặn có kích thước và trọng lượng lớn hơn và lắng được, rồi dùng biện pháp lắng hoặc tuyển nổi để loại trừ [9,10] Kỹ thuật hấp phụ thường ứng dụng để loại trừ các cấu tử mang màu, mang mùi đặc trưng, nhạy cảm, cấu tử nguy hại, hay các kim loại nặng ra khỏi môi trường nước thải nhờ sử dụng các vật liệu có hoạt

tính hấp phụ như than hoạt tính, xỉ, silicagen Trong nhiều công nghệ xử lý nước thải đô thị, các phương pháp xử lý phụ trợ được khai thác ứng dụng rất phổ biến, mang lại hiệu quả xử lý loại bỏ ô nhiễm cũng như hiệu quả kinh tế chung tương đối cao và ít khi gây ô nhiễm thứ cấp

Các giải pháp xử lý sinh học các chất ô nhiễm, về bản chất là khai thác năng lực trao đổi chất của các hệ sinh học để chuyển hóa các thành phần ô nhiễm làm sạch nước thải Giải pháp này tập trung chủ yếu vào khai thác năng lực của hai đối tượng thực vật và các loài vi sinh vật

Hầu hết các loài thực vật rất nhạy cảm với sự có mặt của các ion kim loại, thậm chí ở nồng độ rất thấp Theo tài liê ̣u nghiên cứu , thế giới có ít nhất 400 loài thuô ̣c 45 họ thực vật có khả năng hấp thụ kim loại [42] Các loài thực vật này không chỉ có khả năng sống được trong môi trường bị ô nhiễm bởi các kim loại độc hại mà còn có khả năng hấp thụ và tích tụ các kim loại này trong các bộ phận khác nhau của cơ thể với nồng độ kim loại cao hơn hàng trăm lần so với khi chúng phát triển trong môi trường bình thường khác Nhờ vậy, trong những năm gần đây, người ta quan tâm rất nhiều về công nghệ sử dụng thực vật để xử lý môi trường đất

và nước bị ô nhiễm bởi các kim loại, các hợp chất hữu cơ (gián tiếp thông qua vi sinh vật khoáng hoá các hợp chất hữu cơ), thuốc súng và các chất phóng xạ Trên thế giới, giải pháp sử dụng thực vật đã cho thấy lợi thế kinh tế xử lý ô nhiễm khi khai thác được các vùng đất ướt rộng lớn Ở Việt Nam đã xuất hiện giải pháp sử dụng cỏ vetiver, lau, sậy, cỏ lồng vực, bèo tây, hoa súng để xử lý làm sạch nước trong một số hồ nội thành và kết quả thu được bước đầu là tích cực

So với các giải pháp sinh học sử dụng thực vật thì các giải pháp sinh học khai thác năng lực phong phú và đa dạng của hệ vi sinh vật để xử lý nước thải đô thị nói riêng và xử lý nước thải ô nhiễm hữu cơ nói chung được ứng dụng rộng rãi hơn nhiều [2] Đặc điểm hết sức đa dạng về chủng loại cũng như năng lực chuyển hóa cơ chất trong từng loài, cùng với năng lực thích ứng cao với điều kiện sống và

sự biến đổi của điều kiện môi trường ngoài, đã cho phép về nguyên tắc, mọi cơ chất trong tự nhiên đều có thể chuyển hóa được nhờ năng lực trao đổi chất của các loài

vi sinh vật tương ứng [4,8,10] Trong xử lý nước thải đô thị, hệ vi sinh vật tương ứng sẽ chuyển hóa các hợp chất hữu cơ và một số chất khoáng chứa trong nước thải

để sinh trưởng và phát triển (làm nguồn vật liệu cấu trúc và nguồn cung cấp năng lượng để xây dựng, đổi mới cấu trúc tế bào và phục vụ nhu cầu sinh sản), do vậy nước được làm sạch Các vi sinh vật được ứng dụng trong xử lý nước thải bao gồm

vi khuẩn (là chủ yếu), vi nấm, tảo và động vật nguyên sinh [4,8]

1.3.2 Giải pháp vi sinh vật trong xử lý nước thải đô thị

Trong hầu hết các công trình xử lý nước thải ô nhiễm hữu cơ, đặc biệt là xử

lý nước thải đô thị, giải pháp sinh học thường được xem là giải pháp phổ dụng, kinh tế, thân thiện với môi trường sinh thái nhất Cơ sở của phương pháp vi sinh vật là khai thác năng lực trao đổi chất của các loài vi sinh vật khác nhau, tồn tại và phát triển trong hệ thống xử lý nước thải (hình thành do quá trình phát triển cạnh tranh tự nhiên, hay có sự can thiệp bổ sung thêm chế phẩm vi sinh vật do con người

bổ sung vào), để phân hủy hay chuyển hóa các thành phần ô nhiễm trong nước thải

Cơ chế quá trình chuyển hóa này có thể là các chuyển hóa sinh học trực tiếp (do vi sinh vật sử dụng được chất ô nhiễm làm nguồn cung cấp năng lượng hay vật liệu để xây dựng tế bào và phục vụ cho quá trình sinh sản), phân hủy gián tiếp (do quá trình trao đổi chất của vi sinh vật đã tạo ra các chất hoặc tạo ra môi trường làm phân hủy kéo theo chất ô nhiễm, thí dụ: tạo kết tủa trực tiếp, tạo phức với ái lực hấp phụ tạo bùn cao, hay phản ứng tạo sản phẩm bay hơi), do quá trình tích tụ (do vi sinh vật hấp thu và tích lũy trong tế bào, hay chỉ hấp phụ giữ lại trên bề mặt tế bào); hoặc nhờ các chuyển hóa tích hợp của các hiệu ứng trên Qua các quá trình này, các chất ô nhiễm một phần được chuyển hóa thành các các cấu tử thân thiện với môi trường (CO2, N2, nước ), được khoáng hoá trở thành chất vô cơ không độc hại

và một phần được chuyển hóa tích tụ bên trong hay trên bề mặt tế bào vi sinh vật (rồi sau đó dễ dàng loại ra được khỏi môi trường nước thải, khi tách phân ly bùn hoạt tính)

Với các hợp phần cơ bản (protein, hydratcacbon, lipid và các cấu tử cấu thành tương ứng của chúng), các chất hữu cơ thường là thành phần gây ô nhiễm chủ đạo trong nước thải sinh hoạt đô thị Quá trình chuyển hóa sinh học ba thành phần cơ bản này ở vi sinh vật bắt đầu từ quá trình thủy phân ngoại bào vật liệu hữu cơ trên