Nghiên cứu mốI quan hệ giữa nước thảI có muốI và hệ vi khuẩn nitrat hóa so sánh vớI kết quả chạy bằng nước thảI thực tế trên mô hình thử nghiệm

Nghiên cứu mốI quan hệ giữa nước thảI có muốI và hệ vi khuẩn nitrat hóa so sánh vớI kết quả chạy bằng nước thảI thực tế trên mô hình thử nghiệm Nghiên cứu mốI quan hệ giữa nước thảI có muốI và hệ vi khuẩn nitrat hóa so sánh vớI kết quả chạy bằng nước thảI thực tế trên mô hình thử nghiệm luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

Nguyễn Viết Hoàng

NGHIÊN CỨU MỐI QUAN HỆ GIỮA NƯỚC THẢI CÓ MUỐI

VÀ HỆ VI KHUẨN NITRAT HÓA, SO SÁNH VỚI KẾT QUẢ CHẠY BẰNG

NƯỚC THẢI THỰC TẾ TRÊN MÔ HÌNH THỬ NGHIỆM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-*** -

Nguyễn Viết Hoàng

NGHIÊN CỨU MỐI QUAN HỆ GIỮA NƯỚC THẢI CÓ MUỐI

VÀ HỆ VI KHUẨN NITRAT HÓA, SO SÁNH VỚI KẾT QUẢ CHẠY BẰNG

NƯỚC THẢI THỰC TẾ TRÊN MÔ HÌNH THỬ NGHIỆM

Chuyên ngành: Công nghệ môi trường nước và nước thải

Mã số chuyên ngành: 62.85.06.01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1 PGS.TS NGUYỄN HỒNG KHÁNH

2 PGS.TS NGÔ THỊ NGA

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tập thể cán bộ nghiên cứu thuộc phòng Giải pháp công nghệ cải thiện môi trường, Viện Công nghệ môi trường, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam Đây không chỉ là nơi đào tạo giúp tôi trưởng thành hơn trong hoạt động nghiên cứu khoa học mà còn là nơi để tôi chia sẻ những khúc mắc gặp phải trong quá trình thực hiện luận án Lãnh đạo phòng cũng đã tạo điều kiện cho tôi được tiếp cận tới những kho kiến thức mới thông qua các khóa đào tạo, trao đổi khoa học

và hợp tác nghiên cứu với các đơn vị nghiên cứu có danh tiếng trong và ngoài nước nhờ

đó góp phần bổ trợ những kiến thức còn thiếu cho quá trình thực hiện nội dung nghiên cứu của luận án

Tôi xin gửi lời cảm ơn tới tổ chức KOICA, Hàn Quốc, PGS.TS Nguyễn Hồng Khánh, chủ nhiệm dự án KOICA, và Viện Công nghệ Môi trường, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã hỗ trợ kinh phí và thiết bị thí nghiệm cho các nội dung nghiên cứu thực nghiệm của luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn ThS Đào Ngọc Ánh và các cán bộ nghiên cứu thuộc phòng thí nghiệm Công nghệ sinh học môi trường, Viện Công nghệ sinh học, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã hết lòng giúp đỡ để thực hiện các công việc nhằm đánh giá sự thay đổi về tính đa dạng của tập đoàn vi sinh vật khi đưa vào môi trường nước có

độ mặn cao

Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn tới các thầy cô của Viện Khoa học và công nghệ môi trường, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Những kiến thức mà tôi được tiếp thu, tích lũy trong suốt thời gian học tập tại đây từ khi là một sinh viên đại học là nền tảng không thể thiếu để tôi có thể có đủ khả năng tiếp thu, trau dồi kiến thức mới phục vụ cho các nghiên cứu trong luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn Hội đồng chấm luận án Tiến sĩ cấp cơ sở và cấp trường

đã đưa ra những góp ý xác đáng để tôi có thể chỉnh sửa luận án hoàn chỉnh hơn

Để hoàn thành luận án này không thể không nhắc tới sự hỗ trợ và khuyến khích về tinh thần của những người thân trong gia đình và bạn bè!

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa sử dụng để bảo vệ một học vị nào, chưa được ai công bố trong bất kỳ một công trình nghiên cứu nào

Tác giả luận án

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC HÌNH iv

DANH MỤC BẢNG vii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT viii

LỜI MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN 5

1.1 Nguồn phát sinh nước thải chứa muối 5

1.2 Chu trình nitơ và quá trình nitrat hóa 9

1.2.1 Chu trình nitơ 9

1.2.2 Quá trình nitrat hóa 10

1.2.3 Cơ chế ảnh hưởng của muối tới quá trình sinh học 11

1.2.4 Quần xã vi sinh vật nitrat hóa 12

1.3 Khả năng thích nghi của vi khuẩn nitrat hóa với môi trường có nồng độ muối cao 13

1.4 Ảnh hưởng của muối tới quá trình nitrat hóa 14

1.4.1 Ảnh hưởng của muối tới giai đoạn oxy hóa amoni 14

1.4.2 Ảnh hưởng của muối tới giai đoạn oxy hóa nitrit 18

1.4.3 Ảnh hưởng của muối tới khả năng lắng của bùn 18

1.5 Nghiên cứu về động học ức chế của muối tới quá trình nitrat hóa 19

1.6 Mô hình hóa và mô phỏng quá trình nitrat hóa 20

1.7 Những nghiên cứu khác liên quan tới nội dung của luận án 23

1.7.1 Nghiên cứu sử dụng chủng vi khuẩn ưa mặn để nâng cao hiệu quả xử lý ở điều kiện nước thải có độ muối cao 23

1.7.2 Tốc độ tiêu thụ oxy 24

1.7.3 Công nghệ xử lý nước thải có muối 25

1.8 Những vấn đề còn tồn tại và nội dung nghiên cứu của luận án 26

1.8.1 Những vấn đề còn tồn tại 26

1.8.2 Vấn đề tập trung nghiên cứu của luận án 26

Chương 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 27

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 27

2.1.2 Nội dung nghiên cứu 27

2.2 Nghiên cứu sự thích nghi của vi khuẩn nitrat nước ngọt với môi trường có nồng độ muối cao 28

2.2.1 Mục đích và sơ đồ nghiên cứu 28

2.2.2 Vật liệu thí nghiệm 30

2.2.3 Quy trình thí nghiệm 33

2.2.4 Phương pháp xử lý số liệu 35

2.3 Đa dạng vi sinh vật trong môi trường nước ngọt và môi trường nước có nồng độ muối 30 g NaCl/L 37

2.3.1 Mục đích và sơ đồ nghiên cứu 37

2.3.2 Vật liệu thí nghiệm 38

2.3.3 Phương pháp thí nghiệm 38

2.4 Động học ức chế của muối tới quá trình nitrat hóa hai giai đoạn 41

2.4.1 Mục đích và sơ đồ nghiên cứu 41

2.4.2 Lựa chọn dạng của phương trình động học và phương pháp tính hằng số ức chế của muối tới hai giai đoạn của quá trình nitrat hóa 41

2.4.3 Vật liệu thí nghiệm 43

2.4.4 Quy trình thí nghiệm 45

2.5 Mô hình hóa và mô phỏng thử nghiệm quá trình nitrat hóa hai giai đoạn trong môi trường có muối 48

2.5.1 Mục đích và sơ đồ nghiên cứu 48

2.5.2 Mô hình mô phỏng quá trình nitrat hóa trong môi trường nước thải có nồng độ muối cao 48

2.5.3 Vật liệu thí nghiệm 51

2.5.4 Quy trình thí nghiệm 52

2.5.5 Phương pháp xác định hàm lượng vi sinh tự dưỡng nitơ 52

2.6 Đánh giá khả năng áp dụng của phương pháp thích nghi trên nước thải của đầm nuôi tôm thịt tại Hải Phòng 53

2.6.1 Mục đích nghiên cứu 53

2.6.2 Vật liệu thí nghiệm 54

2.6.3 Quy trình thí nghiệm 54

2.7 Phương pháp phân tích 55

Chương 3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 57

3.1 Khảo sát tính thích nghi của vi khuẩn nitrat hóa 57

3.1.1 Ảnh hưởng tức thời của độ muối tới giai đoạn oxy hóa amoni 57

3.1.2 Khảo sát sơ bộ khả năng thích nghi của vi khuẩn nitrat hóa với môi trường có

muối 58

3.1.3 Nhận xét 60

3.2 Sự thích nghi vi khuẩn nitrat hóa nước ngọt với môi trường có muối 61

3.2.1 Đánh giá khả năng thích nghi theo phương pháp nâng dần độ muối 61

3.2.2 Đánh giá khả năng thích nghi theo phương pháp nâng nồng độ muối trực tiếp 68

3.2.3 So sánh ảnh hưởng của cách thức nâng nồng độ muối tới sự thích nghi của vi sinh vật nitrat hóa 73

3.2.4 Bàn luận về kết quả nghiên cứu 74

3.3 Đa dạng vi sinh vật trong môi trường nước ngọt và môi trường nước có nồng độ muối 30 g NaCl/L 79

3.3.1 Hình thái vi sinh vật 79

3.3.2 Đa dạng vi sinh vật trong môi trường nước ngọt và môi trường có nồng độ muối 30 g NaCl/L 79

3.4 Động học ức chế của muối tới quá trình nitrat hóa hai giai đoạn 83

3.4.1 Tỷ lệ và khối lượng của hai nhóm vi khuẩn oxy hóa nitrit và amoni 84

3.4.2 Xác định hằng số ảnh hưởng của muối tới giai đoạn oxy hóa amoni và giai đoạn oxy hóa nitrit 86

3.5 Mô phỏng thử nghiệm quá trình nitrat hóa ở độ muối 30 g NaCl/L 89

3.5.1 Các giả thuyết cho mô hình 89

3.5.2 Chạy thử mô hình với các thông số đầu vào giả định 90

3.5.3 Thông số đầu vào và các thông số động học của mô hình 93

3.5.4 Kết quả mô phỏng và bàn luận 94

3.6 Đánh giá khả năng áp dụng quy trình thích nghi trên nước thải của đầm nuôi tôm nước lợ 98

3.6.1 Tải lượng oxy hóa nitơ 98

3.6.2 Biến thiên NH4+ , NO2- và NO3- theo thời gian thích nghi 100

3.6.3 Quan sát hình thái vi sinh vật trên kính hiển vi điện tử quét 101

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 104

CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ LIÊN QUAN TỚI LUẬN ÁN 106

TÀI LIỆU THAM KHẢO 107

PHỤ LỤC 121

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Chu trình nitơ trong nước 10

Hình 2.1 Sơ đồ nghiên cứu sự thích nghi của vi khuẩn nitrat nước ngọt với môi trường có nồng độ muối cao 29

Hình 2.2 Mô hình hệ thiết bị thí nghiệm dạng mẻ 32

Hình 2.3 Biến đổi nồng độ muối ở các bình phản ứng theo thời gian 34

Hình 2.4 Mô tả sự thay đổi nồng độ NH4+, NO2- theo thời gian trên thiết bị dạng mẻ 35

Hình 2.5 Sơ đồ nghiên cứu đa dạng vi sinh vật ở môi trường nước ngọt và môi trường nước có nồng độ muối 30 g NaCl/L 37

Hình 2.6 Quy trình kỹ thuật DGGE đánh giá đa dạng vi sinh vật 39

Hình 2.7 Sơ đồ nghiên cứu động học ức chế của muối tới quá trình nitrat hóa hai giai đoạn 40

Hình 2.8 Hình ảnh vật liệu mang Bio-POP chụp bằng kính hiển vi điện tử quét 44

Hình 2.9 Mô hình thiết bị hô hấp kế 45

Hình 2.10 Cách thức xác định OUR của quá trình nitrat hóa 2 giai đoạn 46

Hình 2.11 Sơ đồ nghiên cứu mô hình hóa và mô phỏng thử nghiệm quá trình nitrat hóa hai giai đoạn trong môi trường có nồng độ muối cao 47

Hình 2.12 Mô hình thiết bị thí nghiệm liên tục (AS-Tester) 51

Hình 3.1 Mối quan hệ giữa k và nồng độ muối (I) 57

Hình 3.2 Khả năng thích nghi của vi sinh vật tại các độ muối khác nhau 58

Hình 3.3 Biến thiên nồng độ NH4+ trong mẻ thí nghiệm (I=30 g NaCl/L) 59

Hình 3.4 Biến thiên nồng độ NH4+ và NO2- trong các môi trường có độ muối khác nhau (NH4-I và NO2-I: nồng độ NH4+ và NO2- tại nồng độ muối I) 60

Hình 3.5 Biến động của giá trị k với mức nâng độ muối 5 g NaCl/L 62

Hình 3.6 Biến động của giá trị k với mức nâng độ muối 10 g NaCl/L 62

Hình 3.7 Biến động của giá trị kvới mức nâng độ muối 20 g NaCl/L 62

Hình 3.8 Biến đổi của ΔP NO2 và ΔNO2 theo thời gian thích nghi (bình B) 65

Hình 3.9 Biến đổi của ΔP NO2 và ΔNO2 theo thời gian thích nghi (bình C) 65

Hình 3.10 Biến đổi của ΔP NO2 và ΔNO2 theo thời gian thích nghi (Bình D) 65

Hình 3.11 Biến đổi của MLSS tại các độ muối khác nhau 67

Hình 3.12 Tỷ số MLVSS/MLSS tại các độ muối khác nhau 67

Hình 3.13 SS của nước sau khi lắng tại các độ muối khác nhau 68

Hình 3.14 Biến động của k theo thời gian 69

Hình 3.15 Biến đổi của ΔP NO2 và ΔNO2 theo thời gian thích nghi 71

Hình 3.16 Hàm lượng MLSS của các thiết bị phản ứng 72

Hình 3.17 Kết quả phân tích SS của nước sau khi lắng 73

Hình 3.18 Hình ảnh vi sinh vật của (a) mẫu vi sinh nước ngọt và (b) mẫu vi sinh nước mặn dưới kính hiển vi điện tử quét 78

Hình 3.19 Điện di đồ DGGE của mẫu vi sinh vật bám dính trên giá thể mang polyurethane ở môi trường nước ngọt (M2) và mẫu vi sinh vật bám dính trên giá thể mang ở môi trường có nồng độ muối 30 g NaCl/L (M1) 81

Hình 3.20 Mối quan hệ giữa 1/OUR Ins và độ muối (I) 87

Hình 3.21 Mối quan hệ giữa 1/OUR Inb với độ muối (I) 87

Hình 3.22 Nồng độ NH4+, NO2- và NO3- đầu vào và đẩu ra thiết bị xử lý theo các thời gian lưu thủy lực khác nhau (1) đầu vào (2) đầu ra 89

Hình 3.23 Kết quả mô phỏng thử nghiệm với bộ số liệu giả định 91

Hình 3.24 Ảnh hưởng của hàm lượng vi sinh đầu ra tới kết quả mô hình 92

Hình 3.25 Kết quả mô phỏng hàm lượng NH4+ (trường hợp 1) 95

Hình 3.26 Kết quả mô phỏng hàm lượng NO2- (trường hợp 1) 96

Hình 3.27 Kết quả mô phỏng hàm lượng NH4+ (trường hợp 2) 96

Hình 3.28 Kết quả mô phỏng hàm lượng NO2- (trường hợp 2) 97

Hình 3.29 Kết quả mô phỏng hàm lượng NH4+ (trường hợp 3) 97

Hình 3.30 Kết quả mô phỏng hàm lượng NO2- (trường hợp 3) 98

Hình 3.31 Biến đổi của tải lượng oxy hóa nitơ theo thời gian vận hành 99

Hình 3.32 Biến thiên NH4+, NO2- , NO3- theo thời gian vận hành (v) đầu vào, (r) đầu ra của thiết bị 101

Hình 3.33 Hình ảnh mẫu vi sinh bám dính trên giá thể mang khi hoạt động với (a)

nước thải nhân tạo (I ~ 0 g NaCl/L) và (b) nước thải của đầm nuôi tôm nước lợ tại Hải Phòng (I = 13,7 g NaCl/L) 102

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Đặc tính ô nhiễm của một số loại nước thải chứa muối 7

Bảng 1.2 Các dạng tồn tại của nitơ 9

Bảng 1.3 Tóm tắt một số công bố điển hình về ảnh hưởng của muối tới quá trình nitrat hóa của các tác giả trên thế giới 15

Bảng 1.4 Tóm tắt các công trình nghiên cứu về động học ức chế của muối tới quá trình nitrat hóa 21

Bảng 1.5 Thông số kỹ thuật của hệ thống xử lý nước thải của Công ty Suhyup 25

Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật của vật liệu mang Bio-POP 43

Bảng 2.2 Đặc tính ô nhiễm nước thải nuôi tôm chân trắng 54

Bảng 3.1 Thời gian thích nghi của vi khuẩn oxy hóa amoni (ngày) 63

Bảng 3.2 Giá trị trung bình của k khi vi sinh vật hoạt động ổn định 63

Bảng 3.3 Thời gian thích nghi của nhóm vi khuẩn oxy hóa nitrit (ngày) 64

Bảng 3.4 Giá trị trung bình của k khi hệ vi sinh đi vào hoạt động ổn định 70

Bảng 3.5 So sánh ảnh hưởng của cách thức nâng độ muối tới sự thích nghi của vi khuẩn nitrat hóa 73

Bảng 3.6 Mối quan hệ giữa các dòng tách từ gel DGGE và các đại diện gần gũi 82

Bảng 3.7 Mật độ vi khuẩn oxy hóa amoni và vi khuẩn oxy hóa nitrit 84

Bảng 3.8 COD của sinh khối và tốc độ tiêu thụ oxy của quá trình oxy hóa amoni và quá trình oxy hóa nitrit ở các nồng độ muối khác nhau 85

Bảng 3.9 Các thông số động học của quá trình nitrat hóa hai giai đoạn ở điều kiện có sự ức chế của muối 87

Bảng 3.10 Kết quả tính toán hàm lượng sinh khối theo OUR 93

Bảng 3.11 Thông số đầu vào của mô hình 93

APHA Hiệp hội sức khỏe cộng đồng Mỹ

b nb Tốc độ phân hủy nội sinh tại điều kiện hiếu khí đối với vi khuẩn oxy

hóa nitrit (1/ngày)

b ns Tốc độ phân hủy nội sinh tại điều kiện hiếu khí đối với vi khuẩn oxy

hóa amoni (1/ngày)

BOD Nhu cầu oxy hóa sinh học (mg O2/L)

COD Nhu cầu oxy hóa hóa học (mg O2/L)

F/M Tỷ số thức ăn/sinh khối (Food/Microogranism)

K Alk Hằng số bão hòa đối với cơ chất là độ kiềm (mg/L)

K I,nb Hằng số ức chế của muối tới quá trình oxy hóa nitrit ( g NaCl/L)

K I,NH4 Hằng số ức chế của amoni tới quá trình oxy hóa nitrit (mg N/L)

K I,ns Hằng số ức chế của muối tới quá trình oxy hóa amoni ( g NaCl/L)

K nb Hằng số bão hòa đối với cơ chất là nitrit đối với vi khuẩn oxy hóa nitrit

(mg N/L)

K ns Hằng số bão hòa đối với cơ chất là amoni đối với vi khuẩn oxy hóa

amoni (mg N/L)

K O2 Hằng số bão hòa đối với hàm lượng oxy hòa tan (mgO2/L)

MLVSS Hàm lượng sinh khối bay hơi (mg/L)

NH4,0+ Nồng độ amoni trong nước thải đầu vào (mg N/L)

NR Số lượng vật liệu mang trong thiết bị phản ứng (chiếc)

Nresp Số lượng vật liệu mang đưa vào thiết bị hô hấp kế (chiếc)

r max Tốc độ tăng trưởng cực đại của vi sinh vật (mg COD/ngày)

r nb Tốc độ tăng trưởng sinh khối của vi khuẩn oxy hóa nitrit (mg

COD/ngày)

R nb Tỷ lệ giữa tốc độ tăng trưởng sinh khối của vi khuẩn oxy hóa nitrit ở

điều kiện có muối và không có muối

r nb,I Tốc độ tăng trưởng sinh khối của vi sinh vật oxy hóa nitrit ở môi

trường có nồng độ muối I (mg COD/ngày)

r ns Tốc độ tăng trưởng sinh khối của vi khuẩn oxy hóa amoni (mg

COD/ngày)

R Tỷ lệ giữa tốc độ tăng trưởng sinh khối của vi khuẩn oxy hóa amoni ở

điều kiện có muối và không có muối

r ns,I Tốc độ tăng trưởng sinh khối của vi sinh vật oxy hóa amoni ở môi

trường có nồng độ muối I (mg COD/ngày)

r OUR,nb Tỷ lệ giữa tốc độ tiêu thụ oxy của vi khuẩn oxy hóa nitrit giữa điều

kiện có muối và không có muối

r OUR,ns Tỷ lệ tốc độ tiêu thụ oxy của vi khuẩn oxy hóa amoni giữa điều kiện có

muối và không có muối

X nb,0 Nồng độ vi sinh oxy hóa nitrit tại thời điểm t=0 (mg COD/L)

X nb,1 Nồng độ vi sinh oxy hóa nitrit đầu ra (mg COD/L)

X ns,0 Nồng độ vi sinh oxy hóa amoni tại thời điểm t=0 (mg COD/L)

X ns,1 Nồng độ vi sinh oxy hóa amoni đầu ra (mg COD/L)

X resp hàm lượng sinh khối tính toán từ OUR (mg COD/L)

Y nb Năng suất sinh khối của vi khuẩn oxy hóa nitrit (g COD/g N)

Y ns Năng suất sinh khối của vi khuẩn oxy hóa amoni (g COD/g N)

ΔNO2 Hiệu số của NO2- còn lại sau phản ứng giữa môi trường có muối và môi

trường không có muối (mg N/L)

ΔP NO2 Hiệu số của NO2- max ở môi trường có muối và môi trường không có

muối (mg N/L)

40, 83, 98] Hiện nay, nhiều ngành sản xuất đang phải đối mặt với nguy cơ ô nhiễm

do sự tồn tại của các hợp chất nitơ trong nước thải có nồng độ muối cao Cụ thể, ở Việt Nam, nước thải của các trang trại nuôi tôm đã và đang gây lên những tác động nghiêm trọng tới môi trường sinh thái và sức khỏe cộng đồng [5, 72, 74, 112]

Nghiên cứu của các tác giả trong và ngoài nước đã cho thấy muối ảnh hưởng tới quá trình nitrat hóa (cả giai đoạn oxy hóa amoni và giai đoạn oxy hóa nitrit) Tuy nhiên, kết quả của những nghiên cứu đã được công bố lại khó có thể áp dụng trực tiếp vào điều kiện ở Việt Nam bởi một số lý do sau:

1) Do sự khác nhau về quần xã vi sinh vật và điều kiện thí nghiệm nên các kết quả nghiên cứu vẫn còn một số điểm chưa tương đồng về mức độ ảnh hưởng của muối tới giai đoạn oxy hóa amoni, giai đoạn oxy hóa nitrit và khả năng lắng của bùn

2) Chưa có nghiên cứu hoàn chỉnh nhằm so sánh sự thích nghi của quần xã vi khuẩn nitrat hóa theo những cách thức nâng nồng độ muối khác nhau

3) Mô hình động học ức chế của muối tới quá trình nitrat hóa hai giai đoạn, một trong những công cụ quan trọng giúp cho việc thiết kế và vận hành hệ thống

xử lý nước thải, vẫn còn những mặt hạn chế nhất định

Do vậy, đề tài “Nghiên cứu mối quan hệ giữa nước thải có muối và hệ vi khuẩn nitrat hóa, so sánh với kết quả chạy bằng nước thải thực tế trên mô hình thử nghiệm” được lựa chọn nhằm làm rõ những vấn đề khoa học nêu trên Từ đó, đưa ra

cơ sở khoa học và phương pháp nghiên cứu giúp cho việc thiết kế và vận hành hệ thống xử lý nước thải có độ mặn cao

2 Mục tiêu nghiên cứu

 Nghiên cứu khả năng thích nghi của vi sinh vật nitrat hóa của hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt với môi trường nước thải có nồng độ muối cao

 Xác định định lượng mức độ ức chế của muối (chủ yếu là NaCl) tới quá trình nitrat hóa hai giai đoạn

 Đánh giá khả năng áp dụng của quy trình thích nghi với nước thải của đầm nuôi tôm nước lợ

3 Phạm vi nghiên cứu của luận án

Quá trình nitrat hóa chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác nhau từ yếu tố môi trường tới tính chất của quần xã vi sinh vật sử dụng Tổ hợp của các yếu tố ảnh hưởng nêu trên đưa ra một bài toán lớn và phức tạp Do đó, phạm vi nghiên cứu của luận án được giới hạn như sau:

1) Nghiên cứu riêng ảnh hưởng của muối (chủ yếu là muối NaCl) tới quá trình nitrat hóa Nồng độ muối lớn nhất trong các nghiên cứu là 30 g NaCl/L 2) Vi khuẩn nitrat hóa sử dụng trong nghiên cứu là vi khuẩn nitrat hóa của hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt

4 Nội dung nghiên cứu

Để đạt được các mục tiêu nêu trên, luận án đã thực hiện các nội dung nghiên cứu sau:

 So sánh ảnh hưởng của các phương pháp nâng độ muối khác nhau tới sự thích nghi của vi khuẩn nitrat hóa Từ đó, lựa chọn ra được phương pháp nâng độ muối phù hợp và thời gian cần thiết để vi khuẩn nitrat hóa hoạt động

ổn định trong môi trường mới

 Đánh giá đa dạng của quần xã vi khuẩn nitrat hóa khi thay đổi độ muối của môi trường bằng kỹ thuật điện di gel với dải nồng độ chất biến tính (DGGE)

và quan sát hình thái của vi sinh vật trên kính hiển vi điện tử quét (SEM)

 Nghiên cứu về mô hình động học ức chế của muối tới quá trình nitrat hóa hai

giai đoạn Từ đó, có thể tính toán được cụ thể mức độ ảnh hưởng của muối tới từng giai đoạn của quá trình nitrat hóa

 Mô phỏng thử nghiệm quá trình nitrat hóa hai giai đoạn ở môi trường có độ muối cao

 Áp dụng thử nghiệm quy trình thích nghi đề xuất với đối tượng nước thải lấy

từ đầm nuôi tôm nước lợ tại Hài Phòng

5 Đóng góp mới của luận án

 Đã nghiên cứu được sự thích nghi của vi khuẩn nitrat hóa với môi trường có nồng độ muối cao theo cách thức nâng dần nồng độ muối và nâng trực tiếp nồng độ muối

 Xác định đa dạng vi sinh vật ở môi trường nước ngọt và môi trường nước có nồng độ muối 30 g NaCl/L

 Luận án đã đưa ra được mô hình động học mô tả sự ức chế của muối tới quá trình nitrat hóa hai giai đoạn và đã mô phỏng thử nghiệm quá trình ở thiết bị quy mô phòng thí nghiệm

 Luận án đã đưa ra được quy trình thí nghiệm để tính toán hàm lượng sinh khối của hai nhóm vi khuẩn oxy hóa amoni và vi khuẩn oxy hóa nitrit dựa trên việc cải tiến phương pháp của các tác giả đi trước

6 Tính khoa học và thực tiễn của luận án

Luận án đã chứng minh được bằng thực nghiệm quá trình thích nghi của vi sinh vật nitrat hóa Lựa chọn được cách thức nâng nồng độ muối (nâng trực tiếp) nhằm rút ngắn thời gian thích nghi và giảm tính phức tạp trong giai đoạn vận hành khởi động thiết bị xử lý

Luận án đã đánh giá đa dạng của quần xã vi sinh vật ở môi trường nước ngọt

và môi trường nước có nồng độ muối 30 g NaCl/L bằng kỹ thuật DGGE

Luận án đã đưa ra được mô hình động học ức chế của muối tới quá trình nitrat hóa hai giai đoạn Các thông số động học của mô hình đã được kiểm chứng lại thông qua bước mô phỏng thử nghiệm ở quy mô phòng thí nghiệm

Quy trình thích nghi đề xuất đã được áp dụng thử đối với nước thải lấy tại đầm nuôi tôm tại Hải Phòng có nồng độ muối 13,7 g NaCl/L và cho thấy sự phù hợp nhất định

7 Bố cục của luận án

Luận án bao gồm 105 trang với 46 hình và 18 bảng Luận án tham khảo 125 tài liệu trong và ngoài nước Bố cục của luận án gồm những phần chính sau đây:

Lời mở đầu (4 trang): Đặt vấn đề, mục tiêu, phạm vi, nội dung nghiên cứu

và tính mới của luận án

Chương 1: Tổng quan (22 trang): Trình bày về nguồn phát sinh và đặc tính

ô nhiễm của nước thải chứa muối; các công trình nghiên cứu liên quan tới nội dung nghiên cứu của luận án Từ đó, xác định các vấn đề còn tồn tại và cần giải quyết

Chương 2: Phương pháp nghiên cứu (30 trang): Chương 2 tập trung mô tả

quy trình thí nghiệm và cơ sở lý thuyết của các nội dung nghiên cứu trong luận án

Chương 3: Kết quả và bàn luận (47 trang): Chương 3 trình bày các kết

quả nghiên cứu chính và bàn luận về kết quả thu được, so sánh với các quả nghiên cứu của các tác giả trong và ngoài nước

Kết luận và kiến nghị (2 trang): Phần kết luận tóm tắt lại các kết quả chính

đạt được và kiến nghị về các hướng nghiên cứu tiếp theo

Danh mục các công trình công bố liên quan tới luận án, phụ lục và tài liệu tham khảo

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1.Nguồn phát sinh nước thải chứa muối

Muối (thuật ngữ muối dùng trong luận án được hiểu là muối NaCl) được biết

đến là một trong những chất có khả năng gây ức chế quá trình hoạt động của vi sinh vật do muối làm thay đổi lực ion của môi trường, thay đổi áp suất thẩm thấu giữa trong và ngoài màng tế bào, dẫn tới tốc độ của quá trình trao đổi chất bị giảm đi

Nước thải chứa muối phát sinh từ nhiều hoạt động sản xuất khác nhau như chế biến thủy hải sản đóng hộp và đông lạnh [7, 41, 91, 97, 114], chế biến rau quả đóng hộp [66, 71, 123]; tinh chế dầu mỏ và sản xuất khi đốt [8, 57], thuộc da [78]

và chôn lấp chất thải rắn [63] Với một số nước khan hiếm nguồn nước ngọt như Hồng Kông, Singapo, việc sử dụng nước biển cho các công trình vệ sinh nhằm tiết kiệm nguồn nước ngọt cũng khiến cho hàm lượng muối trong nước thải sinh hoạt tăng cao [17, 28, 121, 124]

Bảng 1.1 liệt kê thành phần và nồng độ ô nhiễm của một số loại nước thải chứa muối chính Các kết quả cho thấy hợp chất của nitơ là một trong những thành phần ô nhiễm chính có mặt trong nhiều dòng thải có nồng độ muối cao Tùy thuộc vào nguồn phát sinh mà nồng độ của nitơ có trong nước thải có thể dao động từ vài

mg N/L tới hàng nghìn mg N/L Mặc dù, nước thải của ngành chế biến rau quả đóng hộp cũng có nồng độ muối cao nhưng thành phần ô nhiễm của nước thải chủ yếu là chất hữu cơ do sử dụng nguyên liệu có nguồn gốc thực vật

Ở Việt Nam, ngành công nghiệp nuôi tôm (tôm giống và tôm thịt) là một trong những nguồn phát sinh nước thải chứa muối quan trọng Theo báo cáo của FAO, tổ chức Lương thực Quốc tế, Việt Nam là một trong ba quốc gia sản xuất tôm lớn nhất thế giới với sản lượng 349 000 tấn/năm [39] Tổng diện tích nuôi tôm của Việt Nam là khoảng 580 000 ha [76] Để cung cấp con giống cho trang trại nuôi tôm thịt, Việt Nam cũng có khoảng trên 5000 trang trại nuôi tôm giống với sản lượng trên 30 tỷ con giống/năm [88] Tuy nhiên, những vấn đề môi trường đi kèm với sự phát triển của ngành nuôi tôm ngày càng trở lên trầm trọng và nhức nhối ở nhiều địa phương Nhiều công trình nghiên cứu đã cho thấy chất lượng môi trường

nước mặt đang bị suy thoái nghiêm trọng do phải tiếp nhận trực tiếp nước thải có nồng độ nitơ, chất hữu cơ và phốt pho cao không qua xử lý từ trang trại nuôi tôm [5,

72, 74, 112] Ô nhiễm nước mặt là một trong những nguyên nhân khiến dịch bệnh ở các ao nuôi tôm bùng phát mạnh Ở một số tỉnh như Tiền Giang, Cà Mau, Bạc Liêu, Sóc Trăng, tỷ lệ ao nuôi bị dịch bệnh là khoảng từ 20 – 60% Hậu quả là nhiều doanh nghiệp, cá nhân nuôi tôm đã lâm vào cảnh nợ nần, phá sản [96] Theo báo cáo quan trắc môi trường tháng 8/2010 của Trung tâm Quốc gia quan trắc cảnh báo môi trường và phòng ngừa dịch bệnh thủy sản khu vực miền Trung, nhiều vùng nuôi từ Quảng Ngãi tới Ninh Bình có hiện tượng ô nhiễm nước trong ao nuôi Chất lượng nước cấp cho các vùng nuôi chưa đảm bảo Những yếu tố trên khiến cho tỷ lệ các vùng nuôi bị dịch bệnh và bị ô nhiễm có thể lên tới 50% [113]

Những kết quả nghiên cứu của các tác giả trong và ngoài nước được trình bày ở trên cho thấy đặc tính và thành phần ô nhiễm của nước thải có muối phụ thuộc vào ngành sản xuất Trong đó, hợp chất của nitơ là một trong những thành phần ô nhiễm quan trọng Do nước thải phát sinh từ hoạt động nuôi tôm là một trong những dạng nước thải quan trọng ở Việt Nam nên tính chất của dạng nước thải này (nồng độ muối và nồng độ amoni) được lựa chọn làm cơ sở để xây dựng các nghiên cứu thực nghiệm của luận án

Bảng 1.1 Đặc tính ô nhiễm của một số loại nước thải chứa muối

(g NaCl/L)

TN (mg N/L)

NH4+ (mg N/L)

TP (mg/L)

COD (mg O2/L)

BOD (mg O2/L)

Tài liệu tham khảo Ngành nuôi tôm

Nước rác (bãi rác ở thành phố Hồ Chí Minh)

: Không bao gồm nước ở bể rửa và ngâm

(3): Độ muối trong nước rác là tổ hợp của nhiều ion khác nhau, số liệu trình bày trong bảng là nồng độ muối của tổng các ion hòa tan và

đã được quy đổi tương đương về g NaCl/L

1.2.Chu trình nitơ và quá trình nitrat hóa

Trong lĩnh vực xử lý nước thải, chu trình chuyển hóa của nitơ có thể được

mô tả như hình dưới đây (Hình 1.1)

Nitơ hữu cơ trong tế bào vi sinh vật và nitơ hữu cơ có trong nước thải được chuyển về dạng vô cơ (NH4+) thông qua quá trình phân hủy nội sinh và quá trình thủy phân, tương ứng

NH4+ được oxy hóa tới NO2- và NO3- trong môi trường hiếu khí bởi các nhóm vi sinh vật tự dưỡng nitơ thông qua quá trình nitrat hóa

NO3- và NO2- được chuyển hóa về N2 thông qua quá trình khử nitrat Quá trình được thực hiện nhờ các vi khuẩn dị dưỡng tùy nghi với sự có mặt của các chất cho điện tử (ví dụ, chất hữu cơ) trong môi trường thiếu khí

N2 trong không khí được đưa vào chu trình nitơ thông qua quá trình cố định đạm Tuy nhiên, quá trình cố định đạm ít xảy ra trong hệ thống xử lý nước thải

Trong hệ thống xử lý nước thải, nitơ vô cơ (NH4+, NO3-) được chuyển hóa thành nitơ hữu cơ chủ yếu thông qua quá trình tổng hợp tế bào của vi sinh vật

Một quá trình khác làm giảm tổng lượng nitơ có trong nước là quá trình

Anamox (ANaerobic AMmonium OXidation) Quá trình này khử NO2- về N2 với sự

có mặt của NH4+ Nhóm vi khuẩn thực hiện quá trình Anamox mới chỉ được phát hiện và định dạng trong vòng 20 năm trở lại đây Đây có thể coi là một phát hiện lớn gây nhiều sự chú ý trong giới khoa học Anamox là tên thương mại của một công nghệ xử lý amoni được Trường đại học kỹ thuật Deft phát triển

Hình 1.1 Chu trình nitơ trong nước

Trong các quá trình mô tả ở trên, luận án tập chung vào quá trình chuyển hóa từ NH 4 + tới NO 2 - và từ NO 2 - tới NO 3 - (quá trình nitrat hóa hai giai đoạn) Một

số điểm chính về cơ chế phản ứng, các yếu tố ảnh hưởng và quần xã vi sinh vật tham gia vào quá trình nitrat hóa được trình bày ở mục tiếp theo

1.2.2.Quá trình nitrat hóa

Nitrat hóa là quá trình oxi hóa NH4+ tới NO2- (giai đoạn oxy hóa amoni) và

từ NO2- tới NO3- (giai đoạn oxy hóa nitrit) nhờ vi sinh vật Hai quá trình trên đều được thực hiện bằng các vi sinh vật đặc chủng và được phân thành hai nhóm chính

là nhóm vi khuẩn oxy hóa amoni và nhóm vi khuẩn oxy hóa nitrit Cả hai nhóm này đều có tốc độ tăng trưởng riêng thấp [34] Vi khuẩn nitrat hóa cũng rất nhạy cảm với các yếu tố môi trường (pH, nhiệt độ, DO) cũng như sự hiện diện của các chất độc hay chất ức chế [34, 40, 98] Trong quy trình công nghệ xử lý nitơ bằng phương pháp sinh học thì nitrat hóa được coi là giai đoạn chậm nhất [82]

Phản ứng của quá trình nitrat hóa có thể được mô tả qua hai phương trình sau:

Giai đoạn 1: giai đoạn oxy hóa amoni

→ (1.1) Giai đoạn 2: giai đoạn oxy hóa nitrit

→ (1.2)

Ở giai đoạn 1, cả NH4+ đóng vai trò làm cơ chất Ở giai đoạn 2, NH4+ lại đóng vai trò là chất ức chế vì có sự hình thành NH3 khi nồng độ NH4+ cao Độ kiềm ảnh hưởng tới cả hai giai đoạn Độ kiềm vừa đóng vai trò là nguồn cung cấp cacbon

để tạo thành sinh khối của các vi sinh vật tự dưỡng nitơ, vừa đóng vai trò làm chất đệm để duy trì pH ở khoảng phù hợp cho phản ứng Theo lý thuyết, tỷ lệ giữa độ kiềm và nồng độ nitơ cần được duy trì tối thiểu là 7,14 (g/g) Để oxy hóa hết 1 g N-

NH4+ cần 4,57 g O2 [98]

1.2.3.Cơ chế ảnh hưởng của muối tới quá trình sinh học

Muối ảnh hưởng tới các quá trình hóa – lý trong nước (do làm thay đổi lực ion) dẫn tới sự thay đổi tính hòa tan và tính phân ly của một số chất tham gia vào quá trình nitrat hóa như O2, NH4+ v.v Nồng độ oxy hòa tan trong nước cất và nước biển giảm từ 8,4 về 6,45 mgO2/L, tương ứng [117] Nhiều nghiên cứu cũng cho thấy nồng độ của NH4+ bị giảm nhẹ ở môi trường có nồng độ muối cao [56, 90, 104] Muối cũng gây ảnh hưởng tới cân bằng của [CO32-] và [HCO3-] trong nước [83] Những thay đổi nêu trên khiến cho quá trình nitrat hóa bị ảnh hưởng ở môi trường

có nồng độ muối cao

Muối có thể gây ra những tác động trực tiếp tới tính chất vật lý và cấu trúc của tế bào sống do làm thay đổi áp suất thẩm thấu giữa trong và ngoài màng tế bào

Sự thay đổi của áp suất thẩm thấu làm giảm lượng nước tự do trong màng nguyên sinh chất khiến tế bào bị mất nước và phát triển chậm vì vậy làm giảm tốc độ phản ứng sinh hóa xảy ra trong tế bào [35]

Đến nay, cơ chế thích nghi của vi sinh vật với môi trường có nồng độ muối cao đều được coi là do sự thay đổi về tính chất và cấu trúc của màng tế bào để chống lại sự thay đổi của áp suất thẩm [36] Tuy nhiên, cũng có tác giả cho rằng cơ chế thích nghi cụ thể của vi khuẩn nitrat hóa với môi trường có độ mặn cao vẫn chưa được làm rõ [83]

1.2.4.Quần xã vi sinh vật nitrat hóa

Nitrosomonas europea và Nitrobacter spp vẫn được coi là hai chủng vi sinh

vật chủ đạo thực hiện quá trình nitrat hóa trong hệ thống xử lý nước thải [40, 98] Tuy nhiên, những kết quả nghiên cứu gần đây đã cho thấy quần xã vi sinh vật nitrat hóa trong hệ thống xử lý nước thải phức tạp và đa dạng hơn nhiều Ngoài

Nitrosomonas europea/eutropha và Nitrobacter spp., trong quần xã vi sinh vật nitrat

hóa của hệ thống xử lý nước thải còn có mặt nhiều loài vi sinh vật khác có khả năng

tham gia vào quá trình nitrat hóa như Nitrosomonas oligotropha, Nitrosomonas

marina, Nitrosomonas communis và các loài trong dòng Nitrosospira, Nitrosococcus mobilis, Nitrosomonas cryotolerans (nhóm vi khuẩn oxy hóa amoni)

và Nitrospira (nhóm vi khuẩn oxy hóa nitrit) [6, 25, 31, 45, 70, 103, 120] và nhiều

vi sinh vật không nuôi cấy được khác [29, 32, 33, 70, 120]

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng nhiều loại vi sinh vật có khả năng chịu mặn tồn tại trong quần xã vi sinh vật của hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt, ví dụ như

Nitrosomonas europea, Nitrosococcus mobilis (các vi sinh vật oxy hóa amoni) [20,

21, 47, 65, 82, 119], Nitrospira và Nitrobacter (những vi sinh vật oxy hóa nitrit) [82]

Các kết quả nghiên cứu gần đây đã cho thấy quần xã vi sinh vật nitrat hóa rất đa dạng Nhiều chủng vi sinh vật chịu mặn tồn tại ngay trong quần xã vi sinh vật

nitrat hóa nước ngọt của hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt Vì vậy, nguồn sinh khối của hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt (một trong những nguồn sinh khối có thể lấy với khối lượng lớn) có thể là một lựa chọn để cấp vi sinh vật cho các hệ thống xử lý nước thải có nồng độ muối cao

1.3.Khả năng thích nghi của vi khuẩn nitrat hóa với môi trường có nồng độ muối cao

Nâng dần độ muối là cách thức được sử dụng phổ biến để thích nghi vi khuẩn nitrat hóa nước ngọt với môi trường nước mặn như trong nghiên cứu của Dahl và các cộng sự (nâng dần nồng độ Cl- lên 10 g/L trong 45 ngày) [28], nghiên cứu của Campos và các cộng sự (nâng tới nồng độ 14 g NaCl/L theo bước nhảy 1 g NaCl/L trong 144 ngày) [17], hay trong nghiên cứu của Boran Kartavà các cộng sự (thích nghi vi khuẩn Anamox với môi trường có nồng độ muối 30 g NaCl/L theo cách thức nâng dần nồng độ muối theo bước nhảy 5 g NaCl/L trong thời gian 100 ngày) [62]

G.H Chen và cộng sự đã so sánh sự thích nghi của vi khuẩn nitrat hóa với môi trường có hàm lượng 30 g Cl-

/L theo các bước nhảy 2 g Cl-/L và 10 g Cl-/L [23] Thí nghiệm được thực hiện liên tục trong 200 ngày Kết quả cho thấy, hai cách thức nâng độ muối có ảnh hưởng tương đương nhau ở nồng độ Cl- <10 g/L, bước nhảy nhỏ cho kết quả tốt hơn ở nồng dộ Cl- từ 10 – 20 g/L và ngược lại ở nồng độ

Cl- từ 20 – 30 g/L

Ngoài ra, nhiều nghiên cứu khác về quá trình nitrat hóa trong môi trường nước mặn cũng sử dụng vi khuẩn nitrat hóa của hệ thống xử lý nước thải không chứa muối Tuy nhiên, cách thức thích nghi và thời gian thích nghi không được đề cập cụ thể ở các nghiên cứu này

Những nghiên cứu trình bày ở trên đã cho thấy vi khuẩn nitrat hóa nước ngọt

có khả năng thích nghi và hoạt động ổn định ở môi trường có độ mặn cao bằng cách nâng dần độ muối Kết quả này cũng phù hợp với sự tồn tại của một số chủng vi khuẩn nitrat hóa có khả năng chịu mặn được đề cập tới trong những nghiên cứu về

tính đa dạng của quần xã vi sinh vật nitrat hóa trong hệ thống xử lý nước thải (trình bày ở mục 1.2.4)

1.4.Ảnh hưởng của muối tới quá trình nitrat hóa

Do nitrat hóa là giai đoạn chậm nhất của quá trình xử lý nitơ nên nhiều công trình nghiên cứu về sự ảnh hưởng của muối tới giai đoạn này đã được công bố Bảng 1.3 liệt kê một số công trình nghiên cứu đại diện về quá trình nitrat hóa trong môi trường nước có nồng độ muối cao Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng ảnh hưởng của muối tới 1) giai đoạn oxy hóa amoni, 2) giai đoạn oxy hóa nitrit và 3) khả năng lắng của sinh khối là ba vấn đề chính cần được quan tâm, xem xét trong quá trình nghiên cứu Tuy nhiên, kết quả được công bố bởi những tác giả khác nhau vẫn cho thấy một số điểm chưa tương đồng và đôi khi còn có phần trái ngược

1.4.1.Ảnh hưởng của muối tới giai đoạn oxy hóa amoni

Các nghiên cứu đều cho thấy tốc độ oxy hóa amoni giảm khi nồng độ muối tăng Tuy nhiên, mức độ ức chế của muối tới giai đoạn oxy hóa amoni lại biến động trong khoảng khá rộng giữa nghiên cứu của các tác giả khác nhau (Bảng 1.3) Nghiên cứu của Dincer và Kargi cho thấy mức độ ức chế tăng từ 5% tới 60% khi nồng độ muối tăng từ 6 tới 36 g Cl-/L [1] Tuy nhiên, một nghiên cứu khác của hai tác giả này lại cho thấy mức độ ức chế tăng từ 10% tới 20% khi nồng độ muối tăng

từ 18 – 30 g Cl-/L [2] Mức độ ức chế 100% ở nồng độ muối 18 g Cl-/L được công

bố trong nghiên cứu của Campos và các cộng sự [17] Nghiên cứu của Moussa và các cộng sự cho thấy mức độ ức chế là 33% ở nồng độ muối 10 g Cl-/L [82]

Nguyên nhân của sự không tương đồng này có thể là do sự khác nhau về quần xã vi sinh vật (nguồn sinh khối), cấu trúc thiết bị phản ứng, cách thức nâng nồng độ muối và điều kiện phản ứng trong các công trình nghiên cứu đã được công

bố Trong đó, quần xã vi sinh vật và cách thức nâng nồng độ muối có thể là những yếu tố gây nhiều ảnh hưởng nhất [82]

Bảng 1.3 Tóm tắt một số công bố điển hình về ảnh hưởng của muối tới quá trình nitrat hóa của các tác giả trên thế giới

Loại g Cl-/L pH T (oC)

Loại nước thải (1)

Nguồn sinh khối (2)

do thiếu hụt DO, không phải do

10 g Cl/L

PF

Khi Cl- > 20 g/L, NO2- là sản phẩm chính của quá trình nitrat hóa

10 g Cl/L

PF

Khi Cl-< 20 g/L, các bông bùn dạng hạt có khả năng chuyển động tốt được hình thành

Muối gây ảnh hưởng mạnh tới quá trình oxy hóa amoni hơn quá trình oxy hóa nitrit

Hoạt tính được hồi phục lại trạng thái ban đầu khi giảm độ muối

Ít gây ảnh hưởng tới khả năng lắng của bùn khi nâng dần nồng

EN - Nitrosomonas và Nitrobacter trong hệ vi sinh hỗn hợp; DA – bùn của công trình xử lý nước thải sinh hoạt có quá trình nitrat

hóa; EC - vi khuẩn nitrat hóa đã được làm giàu; SA - bùn lấy từ thiết bị bùn hoạt tính đã thích nghi với muối;

(3)

LA - hệ bùn hoạt tính quy mô phòng thí nghiệm; LS - hệ bùn hoạt tính quy mô thực; LBA - thiết bị dạng mẻ quy mô phòng thí

nghiệm; QA - thiết bị sử dụng vật liệu mang cellular mao quản lớn để cố định khuẩn nitrat hóa; PA - thiết bị bùn hoạt tính quy mô pilot;

PF - thiết bị tầng sôi quy mô pilot; SBR - thiết bị mẻ kế tiếp

(nm) không đo

1.4.2.Ảnh hưởng của muối tới giai đoạn oxy hóa nitrit

Ảnh hưởng của nồng độ muối tới giai đoạn oxy hóa nitrit của các nghiên cứu

đã công bố cũng cho thấy một số điểm không tương đồng khi so sánh giữa mức độ ảnh hưởng của muối tới giai đoạn oxy hóa nitrit và giai đoạn oxy hoá amoni

Nghiên cứu của tác giả Moussa và các cộng sự [82], tác giả Hunik và các cộng sự [48, 49] cho thấy muối có ảnh hưởng mạnh tới quá trình oxy hóa amoni hơn là quá trình oxy hóa nitrit

Tuy nhiên, một số nghiên cứu khác lại chỉ ra rằng hiện tượng tích lũy nitrit xảy ra rõ ràng ở nồng độ muối cao Tức là, muối ảnh hưởng tới giai đoạn oxy hóa nitrit mạnh hơn nhiều so với giai đoạn oxy hóa amoni Nghiên cứu của Dincer và Kargi (2001) cho thấy NO2- bị tích lũy khi nồng độ Cl- vượt quá 12 g/L Tác giả Vredenbregt và các cộng sự đưa ra kết luận NO2- là dạng sản phẩm chính của quá trình nitrat hóa ở 20 g Cl-/L [118] Nghiên cứu của G.H Chen và các cộng sự cũng

chỉ ra rằng Nitrobacter (vi khuẩn oxy hóa nitrit) không tồn tại ở môi trường có nồng

độ Cl- lớn hơn 10 g/L [22] Campos và các cộng sự cũng nhận thấy hiện tượng tích lũy nitrit ở môi trường nước thải có độ muối cao, tuy nhiên, tác giả đã chứng minh được hiện tượng tích lũy nitrit không phải do muối mà do sự thiếu hụt O2 [17]

1.4.3.Ảnh hưởng của muối tới khả năng lắng của bùn

Muối làm tăng trọng lượng riêng của nước, làm thay đổi áp suất thẩm thấu giữa trong và ngoài màng tế bào dẫn tới hiện tượng co nguyên sinh chất [87, 99] và làm giảm sự phát triển của các vi khuẩn dạng sợi khiến cho khả năng tạo bông của

vi sinh vật kém đi [37] Những ảnh hưởng nêu trên khiến cho khả năng lắng của bùn

ở môi trường nước thải có độ mặn cao bị ảnh hưởng

Các kết quả nghiên cứu được công bố liên quan tới quá trình nitrat hóa trong môi trường có độ mặn cao lại cho thấy khả năng lắng của bùn chỉ giảm rõ rệt khi nâng trực tiếp độ muối lên tới 30 g NaCl/L [82, 93, 94] Tuy nhiên, khi vi sinh vật hoạt động ổn định, khả năng lắng của bùn ít bị ảnh hưởng, thậm chí còn được cải thiện [17, 82, 118] Các tác giả cũng đã giải thích sự cải thiện khả năng lắng của bùn ở môi trường có nồng độ muối cao là do hai cơ chế sau đây:

- Cơ chế chọn lọc: các bông bùn nhẹ có khả năng lắng kém bị rửa trôi nên trong thiết bị chỉ còn lại các bông bùn có trọng lượng riêng lớn

- Do sự tương tác giữa lực tĩnh điện (giảm lớp điện tích kép) và liên kết ưa nước khiến kích thước các bông bùn tăng lên nhờ đó cải thiện được tốc độ lắng của bông bùn sinh học

Ảnh hưởng của muối tới quá trình nitrat hóa đã được nhiều công trình nghiên cứu khác nhau công bố, tuy nhiên, còn nhiều điểm không tương đồng về hiện tượng tích lũy nitrit, khả năng lắng của bùn sinh học hay sự dao động mạnh về mức

độ ức chế của muối tới quá trình oxy hóa amoni

1.5.Nghiên cứu về động học ức chế của muối tới quá trình nitrat hóa

Động học ức chế của muối tới quá trình nitrat hóa đã được đề cập trong nhiều nghiên cứu khác nhau nhằm mục đích đưa ra các biểu thức/phương trình toán học để mô tả mối quan hệ giữa nồng độ muối và tốc độ/hiệu quả của quá trình nitrat hóa Bảng 1.4 liệt kê một số mô hình động học ức chế của muối tới quá trình nitrat hóa của các tác giả trên thế giới

Do khó có thể xác định riêng khối lượng của hai nhóm vi khuẩn oxy hóa amoni và oxy hóa nitrit trong hệ vi sinh vật hỗn hợp nên trong nhiều nghiên cứu, nitrat hóa được coi là quá trình một giai đoạn (amoni được oxy hóa trực tiếp về nitrat) [2, 115, 116]

Tác giả Hunik và các cộng sự nghiên cứu ảnh hưởng của muối tới giai đoạn oxy hóa amoni và giai đoạn oxy hóa nitrit và cho thấy tốc độ oxy hóa amoni và nitrit đều giảm tuyến tính khi nồng độ muối tăng Nồng độ muối gây ảnh hưởng mạnh tới quá trình oxy amoni hơn là quá trình oxy hóa nitrit [48, 49] Nhưng nghiên

cứu này lại thực hiện trên hai hệ vi sinh vật thuần chủng riêng biệt (Nitrosomonas

europaea, vi khuẩn oxy hóa amoni, và Nitrobacter agilis, vi khuẩn oxy hóa nitrit)

chứ không thực hiện với hệ vi sinh hỗn hợp

Omar Sánchez và các cộng sự đưa ra mô hình động học ức chế của muối tới quá trình nitrat hóa hai giai đoạn với hệ vi sinh vật hỗn hợp hoạt động ổn định ở

của cả hai quá trình oxy hóa amoni và nitrit đều giảm theo quy luật đường thẳng khi nồng độ muối tăng, quá trình oxy hóa nitrit bị ảnh hưởng bởi nồng độ muối nhiều hơn so với quá trình oxy hóa amoni

Động học ức chế của muối tới quá trình nitrat hóa đã được đề cập tới trong một số nghiên cứu Tuy nhiên, nghiên cứu về động học ức chế của muối tới quá trình nitrat hóa hai giai đoạn với hệ vi sinh hỗn hợp vẫn còn hạn chế Nguyên nhân chủ yếu là do quần xã vi sinh vật sử dụng trong nghiên cứu chưa thực sự có đủ thời gian để thích nghi với môi trường mới Do đó, mô hình đưa ra chỉ có thể mô tả sự ảnh hưởng tức thời chứ khó có thể áp dụng để mô tả sự ảnh hưởng lâu dài của muối tới quá trình nitrat hóa hai giai đoạn

1.6.Mô hình hóa và mô phỏng quá trình nitrat hóa

Trên Thế giới, lĩnh vực mô hình hóa trong công nghệ xử lý nước và nước thải đã và đang được phát triển rất mạnh trong những năm gần đây Một trong những mô hình đầu tiên mang tính thương mại được phát triển là mô hình bùn hoạt tính (ASM – Activated Sludge Model) với các phiên bản ASM1, ASM2 và ASM3 v.v Mô hình ASM được phát triển bởi nhóm nghiên cứu mô hình toán học ứng dụng trong thiết kế và vận hành hệ thống xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học của Hiệp hội chất lượng nước Quốc tế (IAWQ) [46] Trong mô hình ASM, hầu như tất cả các quá trình sinh học chính xảy ra trong thiết bị xử lý như quá trình xử

lý chất hữu cơ bằng phương pháp hiếu khí, quá trình nitrat hóa, khử nitrat hóa và loại bỏ phốt pho đều đã được đề cập tới Các thông số của mô hình đã được hiệu chuẩn và kiểm chứng tính chính xác Tuy nhiên, mô hình chỉ áp dụng cho các đối tượng nước thải thông thường (không có chất độc, chất ức chế)

Tác giả Ilenia Iacopozzi và các cộng sự đã phát triển mô hình ASM3_2N với quá trình nitrat hóa là quá trình gồm 2 bước (oxy hóa từ NH4+ tới NO2- và từ NO2-tới NO3-) để khắc phục hạn chế của mô hình ASM3 là chỉ coi quá trình nitrat hóa có một bước chuyển hóa duy nhất từ NH4+ về NO3- [50] Ngoài ra, còn rất nhiều nghiên cứu được công bố trên các tạp chí chuyên ngành về vấn đề mô hình hóa và

mô phỏng quá trình sinh học trong xử lý nước thải Nhìn chung, các mô hình đều kế

thừa hoặc cải tiến từ mô hình ASM

Bảng 1.4 Tóm tắt các công trình nghiên cứu về động học ức chế của muối tới quá trình nitrat hóa

TT Quá trình Nguồn sinh

vi sinh vật nước ngọt, nước mặn (tỷ lệ 1:1)

Vận hành tới khi thiết bị đạt trạng thái ổn định

0 – 60 g NaCl/L

Vi sinh vật nước ngọt:

R NH4-N = 3,024*e-0,1978*SHỗn hợp vi sinh vật nước ngọt, nước mặn (tỷ lệ 1:1):

Vận hành tới khi thiết bị đạt trạng thái ổn định

Thích nghi với môi trường 24 g NaCl/L

0 – 60 g NaCl/L Oxy hóa amoni: r AO=-0,008*S+0,67

Oxy hóa nitrit: r NO=-0,015*S+1,07 [101]

(mg/L); (2) r AO: tốc độ oxy hóa amoni (mg N-NH4+/mgVSSAO/phút); r NO: tốc độ oxy hóa nitrit (mg N-NO2-/mg VSSNO/phút); S: nồng

độ muối ( g NaCl/L); (3), (4): V/V m : hoạt tính (%); C: nồng độ muối (mM); R NH4-N : tốc độ oxy hóa amoni (mg N/g sinh khối/h); R-NH4:

tốc độ xử lý amoni (mg N/L/h);

Moussa và các cộng sự đã cải tiến mô hình ASM1 ở giai đoạn nitrat hóa (từ một giai đoạn thành hai giai đoạn) để mô tả hoạt động của hệ thống xử lý nước thải thuộc da (Ecco Tannery Holland B.V WWTP) ở giai đoạn ổn định [81] Các thông

số động học trong mô hình được chuẩn lại bằng các số liệu phân tích chất lượng nước trung bình hàng năm của hệ thống xử lý Đây có lẽ là công trình nghiên cứu duy nhất được công bố về mô hình hóa hệ thống xử lý nước thải có độ mặn cao

Mặc dù, các mô hình ứng dụng trong lĩnh vực xử lý nước thải đã được phát triển mạnh nhưng chủ yếu tập trung cho đối tượng nước thải không có mặt các chất

ức chế lạ Tuy nhiên, ít công trình nghiên cứu đề cập tới mô hình mô tả quá trình nitrat hóa trong nước thải có độ muối cao

1.7.Những nghiên cứu khác liên quan tới nội dung của luận án

1.7.1.Nghiên cứu sử dụng chủng vi khuẩn ưa mặn để nâng cao hiệu quả xử lý ở điều kiện nước thải có độ muối cao

Để nâng cao hiệu quả của quá trình xử lý sinh học ở môi trường có muối, một số nghiên cứu được thực hiện theo hướng bổ sung hoặc sử dụng các vi sinh vật

có tính ưa mặn vào thiết bị xử lý [38, 59-61]

Các công trình công bố đã cho thấy, việc bổ sung/sử dụng vi sinh vật ưa mặn [3, 38, 58, 59, 61, 66] hoặc nấm men [86] giúp hiệu quả xử lý hữu cơ tăng lên từ 20 – 30% Hiệu quả đặc biệt rõ ở môi trường có nồng độ muối lớn hơn 20 g NaCl/L [38, 59, 61]

Vi khuẩn xử lý nitơ ưa mặn cũng được sử dụng trong nghiên cứu của nhiều tác giả khác nhau Amit Gross và các cộng sự đã sử dụng vi khuẩn nitơ phân lập từ đất tại khu vực nuôi trồng hải sản để rút ngắn thời gian khởi động thiết bị lọc sinh học để xử lý nước nuôi tôm có nồng độ muối 2 g NaCl/L [43]

Catalan Sakairi và các cộng sự tiến hành bám dính vi khuẩn nitrat hóa và khử nitrat hóa (phân lập từ bùn tại vùng phát sinh nước thải) trên vật liệu mang polyester

và cellular mao quản lớn để xử lý nitơ trong nước mặn [20, 21] Tải lượng oxy hóa nitơ của thiết bị sử dụng vật liệu mang cellular và polyester đạt 1,62 và 5,20 kg

N/m3 vật liệu mang/ngày, tương ứng Tuy nhiên, tải lượng này vẫn nhỏ hơn 6 lần khi so với môi trường nước ngọt

Fikret Kargi và Ahmet Uygur cho thấy việc bổ sung vi khuẩn ưa mặn vào thiết bị SBR chỉ giúp hiệu quả nitrat hóa ở nồng độ muối 50 g NaCl/L tăng lên 15%

Ở nồng độ muối nhỏ hơn, mức độ cải thiện không đáng kể [61]

1.7.2.Tốc độ tiêu thụ oxy

Tốc độ tiêu thụ oxy (OUR – Oxygen Uptake Rate) là một đại lượng được sử dụng để đánh giá hoạt tính của vi sinh vật hiếu khí OUR được đo bằng thiết bị hô hấp kế Do phương pháp đo OUR khá đơn giản, tiết kiệm hóa chất, không tốn thời gian và có khả năng tự động hóa cao nên trong vài thập niên qua, OUR đã được sử

dụng rộng rãi để xác định các thông số động học của quá trình xử lý sinh học [24,

55, 64, 67, 73, 105, 107], xác định mức độ ảnh hưởng của các chất ức chế tới quá trình xử lý sinh học [42] và là một công cụ trợ giúp trong kiểm soát hoạt động của

hệ thống xử lý [79, 106, 111]

OUR cũng được sử dụng để xác định riêng nồng độ của nhóm vi khuẩn tự

dưỡng xử lý nitơ và nhóm vi khuẩn dị dưỡng xử lý hữu cơ có trong hỗn hợp bùn hoạt tính [27, 122] Những nghiên cứu này được triển khai xuất phát từ chính nhu cầu thực tiễn của các nhà thiết kế công nghệ Trong lĩnh vực công nghệ môi trường, nồng độ sinh khối được xác định thông qua các chỉ tiêu như MLSS, VSS Vì vậy, MLSS, VSS chỉ thể hiện được tổng khối lượng vi sinh vật có trong hệ thống xử lý

mà không thể hiện được khối lượng của từng nhóm vi sinh vật (nhóm vi sinh vật oxy hóa hữu cơ, nhóm vi sinh vật oxy hóa amoni, oxy hóa nitrit) Trong khi đó, những phương pháp xác định riêng từng nhóm vi sinh bằng các kỹ thuật phân tích sinh học lại đưa ra các số liệu không tương thích với những mô hình và công thức toán học thường được sử dụng trong lĩnh vực công nghệ xử lý nước thải [122]

Tuy nhiên, những nghiên cứu đã công bố liên quan tới OUR mới chỉ xác định

riêng được hai nhóm vi khuẩn tự dưỡng và dị dưỡng chứ chưa thể tách riêng được khối lượng của hai nhóm vi khuẩn oxy hóa amoni và oxy hóa nitrit [122]

1.7.3.Công nghệ xử lý nước thải có muối

Một nguyên tắc chung thường được áp dụng để xử lý các dòng nước thải có

độ mặn cao trên thực tế là trộn lẫn các dòng nước thải có độ mặn cao với các dòng thải có độ mặn thấp để giảm hàm lượng muối trong nước thải cần xử lý tới ngưỡng

có thể xử lý bằng phương pháp sinh học và kéo dài thời gian lưu thủy lực để đạt được hiệu quả xử lý mong muốn Cách tiếp cận này thường được áp dụng đối với các nhà máy sản xuất bởi ngoài nước thải sản xuất còn có nước thải sinh hoạt, nước thải phát sinh từ công đoạn rửa sàn v.v

Hệ thống xử lý nước thải với công suất 130 – 160m3/ngày của Công ty Suhyup, thuộc Tập đoàn thủy sản Quốc gia Hàn Quốc, sử dụng công nghệ tuyển nổi kết hợp với yếm khí, thiếu khí và hiếu khí với thời gian lưu thủy lực của giai đoạn hiếu khí lên tới gần 2 ngày là một ví dụ (Bảng 1.5) Nồng độ muối và TN và COD trong nước thải đầu vào là 10 g NaCl/L, 80 mg N/L và 350 mg O2/L

Bảng 1.5 Thông số kỹ thuật của hệ thống xử lý nước thải của Công ty Suhyup

1.8.Những vấn đề còn tồn tại và nội dung nghiên cứu của luận án

1.8.1.Những vấn đề còn tồn tại

Hợp chất của nitơ là một trong những thành phần ô nhiễm chính trong nhiều dòng nước thải có nồng độ muối cao Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện tập trung vào giai đoạn nitrat hóa bởi đây là giai đoạn chậm nhất của quá trình xử lý nitơ Tuy nhiên, một số vấn đề sau vẫn còn tồn tại:

- Mức độ ảnh hưởng của muối tới giai đoạn oxy hóa amoni, oxy hóa nitrit và khả năng lắng của bông bùn vẫn còn một số điểm chưa tương đồng

- Chưa có nghiên cứu hoàn chỉnh nhằm so sánh sự thích nghi của quần xã vi khuẩn nitrat hóa theo các cách thức nâng nồng độ muối khác nhau

- Mô hình động học ức chế của muối tới quá trình nitrat hóa hai giai đoạn ít được đề cập

Vì vậy, quá trình nitrat hóa trong môi trường nước thải có hàm lượng muối cao là một vấn đề cần được nghiên cứu thêm nhằm phù hợp với điều kiện thực tế ở Việt Nam

1.8.2.Vấn đề tập trung nghiên cứu của luận án

Những vấn đề được tập trung nghiên cứu trong khuôn khổ của luận án bao gồm:

1) Nghiên cứu sự thích nghi của vi khuẩn nitrat hóa của hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt (sau đây được gọi là vi khuẩn nitrat hóa nước ngọt) với môi trường nước thải nồng độ muối cao theo các cách thức nâng nồng độ muối khác nhau Từ đó, đề xuất quy trình nâng độ muối phù hợp

2) Xác định định lượng mức độ ức chế của muối (chủ yếu là NaCl) tới quá trình nitrat hóa hai giai đoạn khi vi khuẩn nitrat hóa đã hoạt động ổn định

3) Nghiên cứu khả năng áp dụng của quy trình thích nghi với nước thải của đầm nuôi tôm nước lợ