Nước rỉ rác có hàm lượng ammonium và lân hòa tan (orthophosphate) quá cao sẽ gây hiện tượng nở hoa do sự phát triển quá nhiều của các loài tảo. Tuy nhiên có nhiều nhóm vi khuẩn có khả năng chuyển hóa nitơ, chúng chuyển ammonium thành nitrite (NO2), nitrate (NO3), khí nitơ (N2); nhóm vi khuẩn chuyển hóa lân hòa tan thành lân khó tan (polyphosphate) giúp làm sạch môi trường gọi là vi khuẩn tích lũy polyphosphate (poly_P). Thí nghiệm sử dụng phối hợp vi khuẩn Pseudomonas stutzeri dòng D3b và vi khuẩn Bacillus subtilis dòng DTT1 để xử lý ammonium và orthophosphate trong nước rỉ rác. Kết quả cho thấy sử dụng vi khuẩn Pseudomonas stutzeri dòng D3b kết hợp Bacillus subtilis dòng DTT1 có bổ sung nguồn dinh dưỡng glucose vào nước rỉ rác làm giảm ammonium và orthophosphate với hiệu suất loại bỏ ammonium là 96,01%; hiệu suất loại orthophosphate là 76,40% và hàm lượng khí ammoniac (NH3) thoát ra trong quá trình xử lý thấp nhất 202,33 mgl sau 36 giờ tiến hành thí nghiệm trong keo nhựa chứa 0,5 lít nước rỉ rác.
GI I THI U
Đặt vấn đề
Nước là nguyên liệu thiết yếu cho sản xuất và là nguồn sống đặc biệt Với sự gia tăng dân số toàn cầu, rác thải sinh hoạt ngày càng tăng cao, gây ô nhiễm nghiêm trọng đến môi trường Do đó, việc xử lý rác thải trở thành nhiệm vụ cấp bách hiện nay Bên cạnh đó, việc xử lý nước rò rỉ từ bãi rác, được gọi là nước rác, cũng là một vấn đề cần được chú ý.
Nước rỉ từ bãi rác cũ thường có nồng độ ammonium rất cao, dẫn đến hàm lượng nitơ cao, kích thích sự phát triển của rong rêu và tảo Hiện tượng này gây ra phú dưỡng hóa (eutrophication), làm ô nhiễm nguồn nước và gây thiếu hụt oxy hòa tan (DO) Ngoài ra, khí ammoniac có trong nước rỉ cũng độc hại đối với thủy sinh Hàm lượng nitrate cao trong nước rỉ gây nguy hại cho môi trường và sức khỏe con người.
Xử lý nitơ trong nước thải là một vấn đề quan trọng, vì nitơ chủ yếu tồn tại dưới dạng ammonium do quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ như protein và ure Quá trình khử đạm đóng vai trò thiết yếu trong việc loại bỏ ammonium và nitrate khỏi môi trường Trong xử lý nước thải, việc loại bỏ các hợp chất nitơ được thực hiện thông qua sự kết hợp của quá trình nitrification (oxy hóa ammonium thành nitrate) và quá trình khử nitrate.
Quá trình khử nitrat thành N2O hoặc N2 yêu cầu sự phối hợp liên tục giữa các nhóm vi sinh vật khác nhau, đặc biệt là vi khuẩn khử nitrat và vi khuẩn nitrát hóa (Lee et al., 2002).
Hiện nay, có nhiều công nghệ xử lý ammonium như tách khí, trao đổi ion, sinh học và lọc màng Trong số đó, phương pháp sinh học được ưa chuộng nhất nhờ hiệu quả cao và triệt để, đồng thời có chi phí vận hành và quản lý thấp Việc sử dụng các quy trình sinh học hiếu khí kết hợp với vi sinh vật cho phép xử lý hiệu quả ammonium và orthophosphate trong nước thải.
Dựa trên thực tiễn, đề tài "Nghiên cứu khả năng xử lý nước rỉ rác bằng vi khuẩn dị dưỡng" được thực hiện nhằm phát triển một biện pháp sinh học hiệu quả trong xử lý nước rỉ rác ở quy mô phòng thí nghiệm Mục tiêu là tìm ra giải pháp tối ưu có thể áp dụng thực tế để giải quyết vấn đề nước rỉ rác tại các bãi chôn lấp.
Mục tiêu đề tài
Sử dụng vi khuẩn khử đạm và vi khuẩn tích lũy polyphosph te để chuyển hó ammonium và orthophosph te trong nƣ c r r c ở quy mô phòng thí nghiệm.
Nội dung nghiên cứu
Để xử lý nước rỉ rác với thể tích 0,5 lít và 5 lít, cần xác định nguồn dinh dưỡng phù hợp để bổ sung Việc này giúp vi khuẩn khử đạm và vi khuẩn tích lũy polyphosphate có khả năng loại bỏ ammonium và orthophosphate trong nước rỉ rác một cách hiệu quả.
CHƯƠNG 2 LƯỢC HẢO TÀI LIỆU
Nƣ c r r c b o g m là phần dịch lỏng được hình thành từ quá trình phân huỷ chất thải rắn, bao gồm cả nước từ bên ngoài như nước mặt, nước mƣ và nước ngầm Phần dịch lỏng này chứa các sản phẩm phân huỷ sinh học và hoá học của chất thải rắn, được kéo theo bởi dòng nước thấm từ môi trường xung quanh (Trần Hiếu Nhuệ, 2005).
Mỗi tháng, các thành phố đều có ít nhất một bãi chôn lấp rác tập trung, dẫn đến ô nhiễm nghiêm trọng Lượng nước rỉ từ rác thải gây ảnh hưởng đến không khí, đất đai, nước mặt và nước ngầm, tạo ra những vấn đề môi trường đáng lo ngại (Lê Văn Kho, 1995).
Hình 1: Mô hình cân bằng lưu lượng nước (Nguồn: u nh Th Mỹ Phi, 2005)
Nư c r r c được hình thành khi theo một số con đường sau:
- Nƣ c sẵn có và tự hình thành khi phân h y r c hữu cơ trong bãi chôn lấp
- Mực nƣ c ngầm có thể dâng lên vào c c ô chôn r c
- Ngu n nƣ c mặt thấm vào qu c c cạnh c ô chôn rác
- Nƣ c từ c c khu vực kh c chảy qu , có thể thấm xuống ô chôn r c
- Nƣ c mƣ thấm trên bề mặt khu vực chôn lấp
2.1.2 Thành phần và đặc tính c nước rỉ r c
Thành phần hóa học của nước rác chủ yếu phụ thuộc vào mức độ phân hủy của rác (nhiệt độ, độ ẩm, thời gian, điều kiện môi trường), và có sự khác biệt rõ rệt tại từng bãi rác cụ thể.
Nước rác từ các bãi rác có mức độ phân hủy thấp (ẩm, mù khô, lạnh) trong giai đoạn acid hóa chứa 80-90% chất hữu cơ là các axit dễ bay hơi có khả năng phân hủy sinh học cao Ngược lại, nước rác từ bãi rác với mức độ phân hủy sâu (giai đoạn tạo khí metan và sắp kết thúc) chủ yếu chứa các chất hữu cơ trơ khó phân hủy như axit humic, fulvic, tanin, lignin và amonium với hàm lượng rất cao (Lê Văn Cật, 2007).
Bảng 1: Thành phần nước rỉ r c điển hình
(Nguồn: AP A –AWWA – WPCF, Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater,
Bãi lâu năm (trên 10 năm) Khoảng gi trị Trung bình
Nhu cầu oxy hó sinh hó (BOD 5 ), mg/l
T ng c rbon hữu cơ (TOC), mg/l
Nhu cầu oxy hó hó học (COD), mg/l
T ng c c chất lơ lửng (TSS), mg/l
Othophospho, mg/l Độ kiềm, C CO 3 , mg /l Độ pH
Giá trị pH của nước rạch thường nằm trong khoảng 7,0 – 9,5, với xu hướng chính là từ 7,6 đến 8,6, cho thấy tính kiềm Trong mùa khô, giá trị pH có xu hướng cao hơn so với mùa mưa Sự biến động pH trong nước rạch chủ yếu là do độ kiềm cao, quá trình phân hủy yếm khí sâu và hoạt động của tảo Độ kiềm trong nước rạch thường bị ảnh hưởng bởi muối bicarbonate khi pH dưới 8,2, trong khi khi pH trên 8,2, sự biến động độ kiềm trở nên không ổn định.
Cặn không tan chủ yếu bao gồm chất hữu cơ như vi sinh vật và tảo Mặc dù hàm lượng cặn không tan có khối lượng riêng thấp, nhưng chúng gây ra độ đục cao do thường có màu sẫm.
Acid hữu cơ dễ b y hơi (VFA)
Acid hữu cơ dễ bay hơi là sản phẩm trung gian trong quá trình phân hủy yếm khí, bao gồm các acid béo có phân tử lượng thấp (C1 đến C6) nên dễ dàng bay hơi Chúng được hình thành trong quá trình acid hóa từ các sản phẩm phân hủy trước đó Giai đoạn tiếp theo là sự hình thành khí metan từ các loại acid này kết hợp với khí hydro.
Nhu cầu oxy hó học, độ oxy hó
Nhu cầu oxy hó học là đại lƣợng thể hiện n ng độ chất hữu cơ có thể oxy hó đƣợc trong điều kiện phản ứng cụ thể
Trong nước rửa, hợp chất nitơ tồn tại dưới nhiều dạng khác nhau, bao gồm các thành phần hữu cơ như protein và acid amin, cũng như ammonium, ammoniac, nitrite và nitrate Ngoài những dạng chính này, còn có một số dạng khác có thể xuất hiện trong nước rửa.
Chu trình biến đổi hợp chất nitơ trong nước rạch bao gồm quá trình phân hủy các phân tử hữu cơ như protein thành các axit amin và sau đó thành ammonium Một phần ammonium được vi sinh vật sử dụng để tổng hợp tế bào Trong điều kiện thích hợp, quá trình oxy hóa ammonium sẽ diễn ra, chuyển đổi thành nitrite và nitrate, sau đó khử nitrite và nitrate thành khí N2 Trong quá trình phân hủy, vi sinh vật hoặc tảo lắng xuống đáy và chu trình tiếp tục diễn ra tương tự.
Hàm lƣợng phosph te trong nƣ c r r c không c o, ng ng v i mức độ c nƣ c thải sinh hoạt
Ngoài c c thành phần hữu cơ nƣ c r r c còn chứ c c loại muối vô cơ: Cl - ,
HCO 3 - , SO 4 2- , Mg 2+ , Ca 2+ , Fe và c c kim loại nặng ch yếu ở dạng phức v i chất hữu cơ (Lê Văn C t, 2007) C c thành phần vô cơ tạo r t ng chất t n (ch yếu) c nƣ c r r c, quyết định độ dẫn điện và độ muối c r c
2.2 Công nghệ xử lý nước rỉ r c
Mức độ ô nhiễm của nước thải được đánh giá qua các chỉ tiêu cơ bản như nhu cầu oxy sinh hóa (BOD), nhu cầu oxy hóa học (COD) và tổng chất rắn lơ lửng (TSS) (Phạm Văn Ty và Vũ Nguyên Thành, 2007).
2.2.1 C c bước cơ bản trong xử lý nước rỉ r c
Xử lý cấp 1: g m c c qu trình xử lý sơ bộ nhƣ lắng, lọc nhằm loại r c c vật rắn có kích thƣ c l n, kim loại nặng
Xử lý cấp 2 là giai đoạn quan trọng trong quá trình sinh học, giúp khử hầu hết các tạp chất hữu cơ có thể phân hủy sinh học Các phương pháp như hoạt hóa bùn, lọc sinh học và oxy hóa sinh học được áp dụng trong các hệ thống phân hủy yếm khí, mang lại hiệu quả cao trong việc cải thiện chất lượng nước.
Xử lý cấp 3: g m vi lọc, kết t , đông tụ, hấp thu bằng th n hoạt tính, tr o đ i ion, các quá trình khử c c chất dinh dƣỡng, clo hó , ozone hóa
2.2.2 Nguyên tắc lự chọn công nghệ xử lý nước rỉ r c
Trong điều kiện thực tế ở Việt N m, việc lự chọn công nghệ xử lý nƣ c r r c phải theo c c nguyên tắc s u:
Chất lượng nước sau xử lý phải đạt tiêu chuẩn để xả vào nguồn nước tự nhiên Nước sau xử lý có thể được xả vào sông hoặc hồ gần nhất, và ngoài ra còn có thể được sử dụng cho trồng trọt.
- Phải đảm bảo mức độ n toàn c o trong trường hợp có sự th y đ i l n về lưu lƣợng và n ng độ nƣ c r rác giữ mù khô và mù mƣ
- Đơn giản, dễ vận hành, có tính n định c o, vốn đầu tƣ và chi phí quản lý phải là thấp nhất
- Phù hợp v i điều kiện Việt N m, nhƣng phải m ng tính hiện đại và có khả năng sử dụng trong một thời gi n dài
- Việc lự chọn công nghệ xử lý nƣ c r r c dự trên c c yếu tố s u:
+ Lưu lượng và thành phần nư c r r c
+ Tiêu chuẩn thải nƣ c r r c s u khi xử lý vào ngu n
+ Điều kiện thực tế về quy hoạch, xây dựng và vận hành c bãi chôn lấp + Điều kiện về đị chất công trình và đị chất thuỷ văn
+ Điều kiện về kỹ thuật (xây dựng, lắp r p và vận hành)
+ Khả năng về vốn đầu tƣ
- Có khả năng th y đ i dễ dàng khi p dụng c c qu trình xử lý m i hiệu quả c o
- Phải có khả năng t i sử dụng c c ngu n chất thải (năng lƣợng, phân bón, )
2.2.3 Phương ph p sinh học trong xử lý nước rỉ r c
2.2.3.1 Ưu điểm c phương ph p sinh học trong xử lý nước rỉ r c
Phương pháp xử lý bằng sinh học ngày càng được chú ý nghiên cứu nhờ vào chi phí thấp hơn so với các biện pháp hóa học Quy trình này không chỉ đơn giản và hiệu quả mà còn dễ thực hiện, làm cho nó trở thành lựa chọn hấp dẫn cho nhiều ứng dụng.
Biện ph p sinh học thì không có hiện tượng t i ô nhiễm đối v i môi trường
LƯỢC KHẢO T I LI U
T ng qu n về vi sinh vật sử dụng trong xử lý nƣ c r r c
2.3.1 Ngu n nitơ và c rbon vi sinh vật sử dụng trong xử lý nước rỉ r c Đ số vi khuẩn nƣ c là c c sinh vật dị dƣỡng c rbon tức là nhóm đƣợc nuôi dƣỡng bằng c c chất hữu cơ Số lƣợng l n trong đó lại là vi khuẩn hoại sinh sống trên nguyên liệu c c c động vật và thực vật chết, còn vi khuẩn ký sinh thì nói chung ch chiếm số ít Vi khuẩn nƣ c có khả năng sử dụng những n ng độ chất dinh dƣỡng rất nhỏ Chúng có thể sống tự do trong nƣ c hoặc b m vào c c cơ chất rắn, đ số có khả năng sống theo cả 2 c ch (Kiều Hữu Ánh và Ngô Tự Thành, 1985)
Vi khuẩn và vi sinh vật sống dùng chất dinh dƣỡng N, P, BOD làm thức ăn để chuyển hó chúng thành c c chất trơ không t n, thành tế bào m i
Nguồn nitơ được vi sinh vật sử dụng để chuyển hóa toàn bộ nitơ hữu cơ và vô cơ, đóng vai trò quan trọng trong quá trình tạo ra protein, axit nucleic và các polymer của tế bào (Nguyễn Văn Phước, 2007).
Qu trình khử nitrate đòi hỏi phải cung cấp ngu n c rbon Điều này có thể thực hiện bằng một trong b c ch s u đây (Lê Quang Huy et al., 2009):
+ Cấp ngu n c rbon từ bên ngoài nhƣ meth nol, nƣ c thải đô thị hoặc cet te
Sử dụng BOD để xử lý nước rỉ rác có thể làm giảm hàm lượng carbon bằng cách tuần hoàn lại phần nước sau khi đã nitr hóa vào vùng thiếu khí ở đầu công trình Một phương pháp khác là dẫn một phần nước rỉ rác sau xử lý sơ bộ vào vùng chứa nitr tế.
+ Sử dụng ngu n c rbon c chính tế bào do qu trình hô hấp nội sinh
Nhiều nghiên cứu trƣ c đây cũng cho thấy hiệu quả khử nitrate khi b sung cid cetic tốt hơn so v i việc b sung meth nol:
Nghiên cứu của Christesson et al (1994) cho thấy rằng vi sinh vật cần thời gian dài hơn để thích nghi với methanol so với axit acetic, vì nguồn carbon từ axit acetic dễ tiêu thụ hơn methanol.
Nghiên cứu của Józef Trel cho thấy tốc độ khử nitrate bằng axit acetic cao hơn từ 2 đến 3 lần so với methanol Bên cạnh đó, axit acetic còn có một số ưu điểm như giảm lượng axit H2SO4 cần thêm vào và ít mất mát do bay hơi hơn so với methanol.
Trivedi et al (2000) tìm thấy 22 đến 30 loại nƣ c thải công nghiệp nhƣ chất thải bi và c n rƣợu thúc đẩy tốc độ khử nitrate hó nh nh hơn
Việc tìm ngu n c rbon bên ngoài cho qu trình khử nitrate nƣ c r nhằm giảm thiểu chi phí ho chất là cần thiết cho c c trạm xử lý nƣ c r rác hiện n y
Theo nghiên cứu của Hung Soo Joo và cộng sự (2006), để nâng cao hiệu quả loại bỏ ammonium và giảm thiểu sự hình thành ammoni trong quá trình xử lý nước thải, cần bổ sung nguồn carbon như 10 g/l sodium citrate dehydrate và 5 g/l glucose, đồng thời điều chỉnh pH phù hợp.
2.3.2 Vi sinh vật trong xử lý nước rỉ r c
Khử nitơ sinh học thông thường bao gồm quá trình nitr hóa và khử nitrate Trong quá trình nitr hóa, amoni được chuyển hóa thành nitrite, sau đó nitrite tiếp tục được oxy hóa thành nitrate và cuối cùng là khí nitơ Quá trình này liên quan đến hai loại vi khuẩn tự dưỡng là Nitrosomonas và Nitrobacter.
Nitrosomonas thường sống ở những khu vực có nồng độ ammoniac cao và các muối vô cơ, chẳng hạn như trong bùn, nước cống, nước ngọt, và các thảm thực vật bị ô nhiễm với nhiều hợp chất nitơ, nhằm tránh ánh sáng Ngược lại, Nitrobacter không có khả năng di động và cần bám vào bề mặt của các vật chất như đất, đá, hoặc một giếng sinh học Chúng phát triển tốt nhờ tiết ra một chất nhầy từ màng bao bên ngoài, nhưng không thể sống trong môi trường khô Trong nước, Nitrobacter có thể tồn tại trong thời gian ngắn dưới các điều kiện bất lợi nhờ vào các vật chất dự trữ bên trong tế bào, nhưng khi các vật chất này cạn kiệt, chúng sẽ chết.
(Ngu n: http://uv-vietnam.com.vn/NewsDetail.aspx?newsId98, ngày 27/07/2012)
Quá trình khử nitrat thành khí nitơ (N2), khí N2O hoặc NO diễn ra trong môi trường thiếu oxy và cần một chất cho electron, có thể là chất hữu cơ hoặc vô cơ Một số vi khuẩn tham gia vào quá trình này bao gồm Bacillus, Pseudomonas và Methanomonas.
Paracoccus, Spirillum, Thiobacillus, Achromobacterium, Denitrobacillus, Micrococus và Xanthomonas là những vi khuẩn khử nitrat quan trọng (Metcaf và Eddy, 2004) Phần lớn các vi khuẩn này là dị dưỡng, nghĩa là chúng sử dụng carbon từ các hợp chất hữu cơ để tổng hợp tế bào Tuy nhiên, cũng có một số loài vi khuẩn tự dưỡng, chúng có khả năng nhận carbon từ các hợp chất vô cơ để phục vụ cho quá trình tổng hợp tế bào.
Theo nghiên cứu c C o Ngọc Điệp et l (2009) nhiều dòng vi khuần
Pseudomonas stutzeri được phân lập tại Viện Nghiên cứu và Phát triển Công nghệ Sinh học, cho thấy khả năng phát triển trên môi trường có 500 mg/l ammonium, 100 mg/l nitrite và 500 mg/l nitrate trong khoảng thời gian 24 đến 48 giờ Vi khuẩn này có khả năng loại bỏ ammonium, nitrite và nitrate trong nước ô nhiễm trong vòng 3 đến 4 ngày Khi kết hợp với Acinetobacter lwoffii, hai dòng vi khuẩn này đã loại bỏ thành công ammonium, nitrite và nitrate trong nước thải của trại heo quy mô 600 con tại Tiền Giang chỉ trong 6 ngày (Lê Quang Khôi, 2009) Các nghiên cứu của Nguyễn Thị Hoàng Nam (2008) và Trần Như Ngọc (2010) cũng đã ứng dụng các dòng vi khuẩn này trong xử lý nước thải.
Pseudomonas stutzeri có hiệu quả oxy hó monium trong nƣ c r r c rất tốt
Bảng 4: Một số loại vi khuẩn và chức năng c chúng
Pseudomonas Phân h y hidr tc rbon, protein, phản nitr te hóa
Bacillus Phân h y hidr tc rbon, protein, …
Zooglea Tạo thành chất nhày (polys cc ride), hình thành chất keo tụ
Nitrococcus denitrificans Phản nitr te hó
Thiobacillus denitrificans Phản nitr te hó
Acinetobacter Phản nitr te hó
Desulfovibrio Khử sulf te, khử nitr te
( Nguồn: Ths Lâm Vĩnh Sơn, http://giaiphapcn.com/dulieubaigiang/baigianglythuyet/gtnt/chuong4-
2.3.2.1 Vi khuẩn khử đạm Pseudomonas stutzeri
Gi i: B cteri , Ngành: Proteobacteria, L p: G mm Proteob cteri , Bộ: Pseudomonadales, Họ: Pseudomon d ce e, Chi: Pseudomonas, Loài: Pseudomonas stutzeri (Ngu n: http://en.wikipedia.org/wiki/Pseudomonas_stutzeri, ngày 01/08/2012).
Pseudomonas là một giống vi khuẩn có vai trò quan trọng trong chu trình carbon và nitơ Pseudomonas stutzeri được phân lập lần đầu bởi Burri và Stutzer vào năm 1895, ban đầu có tên là Bacillus denitrificans II Sau đó, vi khuẩn này được đổi tên thành Pseudomonas stutzeri bởi Niel và Allen vào năm 1952.
Pseudomonas stutzeri là loại vi khuẩn Gram âm, hình que, có khả năng di chuyển nhờ vào roi, không tạo bào tử và thuộc nhóm vi khuẩn hiếu khí Khuẩn lạc của chúng có đặc điểm nhăn nheo, khô và bám chặt với nhau Loài vi khuẩn này có khả năng sống trong một khoảng nhiệt độ rất rộng.
4 0 C đến 45 0 C, tùy thuộc vào đặc tính riêng c từng dòng (L luc t et l., 2006)
Pseudomonas stutzeri là một loài vi khuẩn không sắc tố có khả năng khử nitrat thành khí N2 và tạo myl se, nhưng không có khả năng tạo gel tin se Loài này có thể phát triển trong môi trường maltose và tinh bột, đồng thời có phản ứng âm tính trong các kiểm tra arginine dihydrolase và sự phân hủy glycogen Pseudomonas stutzeri chủ yếu được tìm thấy trong nước và đất, là một loài có tính đa dạng sinh học cao, sống không kiên định và phân bố rộng rãi trên nhiều vùng địa lý.
Pseudomonas stutzeri có khả năng khử nitơ qua nhiều con đường khác nhau, bao gồm khử nitrate thành N2 mà không tích lũy nitrite, khử nitrate theo hai bước (từ NO3- thành NO2- và từ NO2- thành N2) và khử nitrate với sự tích tụ nitrite ở nồng độ thấp.
2.3.2.2 Vi khuẩn tích lũy polyphosphate Bacillus subtilis
Gi i: Bacteria, Ngành: Firmicutes, L p: Bacilli, Bộ: Bacillales, Họ: Bacillaceae, Chi: Bacillus, Loài: Bacillus subtilis (Ngu n: http://en.wikipedia.org/wiki/Bacillus_subtilis, ngày 26/07/2012)
Vi khuẩn Bacillus subtilis b n đầu đƣợc đặt tên là Vibrio subtilis bởi Ehrenberg vào năm 1835 và đến năm 1872 đƣợc đ i tên thành Bacillus subtilis bởi Ferdin nd
Cohn (Ngu n: http://en.wikipedia.org/wiki/Bacillus_subtilis, ngày 26/07/2012)
Bacillus subtilis là trực khuẩn Gr m dương, hỡnh que (dài 2 – 3 àm, rộng 0,7 -
PHƯƠNG TI N V PHƯƠNG PHÁP NGHI N C U
Thời gi n và đị điểm thí nghiệm
Thời gi n từ tháng 06 đến th ng 08 năm 2012
Tất cả các thí nghiệm được tiến hành tại phòng thí nghiệm Vi sinh vật đất thuộc Viện Nghiên cứu và Phát triển Công nghệ Sinh học, Trường Đại học Cần Thơ.
Phương tiện thí nghiệm
Nƣ c r r c đƣợc lấy từ bãi r c Tân Long, xã Tân Long, huyện Phụng Hiệp, t nh Hậu Gi ng
Nước rửa rau củ được bổ sung các thành phần dinh dưỡng như glucose, trisodium citrate dehydrate và acid acetic, được chiết xuất từ thùng rác thải hữu cơ như rau củ, đầu cá, ruột cá thu thập tại chợ Xuân Khánh, Thành phố Cần Thơ.
Vi khuẩn khử đạm: Pseudomonas stutzeri dòng D3b (phòng Vi sinh vật đất, Viện Nghiên cứu và Ph t triển Công nghệ Sinh học, Trường Đại học Cần Thơ)
Vi khuẩn tích lũy polyphosphate: Bacillus subtilis dòng DTT1 (phòng Vi sinh vật đất, Viện Nghiên cứu và Ph t triển Công nghệ Sinh học, Trường Đại học Cần Thơ)
3.2.2 Dụng cụ, tr ng thiết bị
Sử dụng trang thiết bị và dụng cụ nghiên cứu trong phòng Vi sinh vật đất thuộc Viện Nghiên cứu và Phát triển Công nghệ Sinh học, Trường Đại học Cần Thơ, là một phần quan trọng trong việc nâng cao chất lượng nghiên cứu và phát triển công nghệ sinh học Các thiết bị hiện đại hỗ trợ việc phân tích và đánh giá các vi sinh vật trong đất, từ đó cung cấp dữ liệu quý giá cho các nghiên cứu về sinh thái và nông nghiệp bền vững Việc đầu tư vào cơ sở vật chất sẽ góp phần thúc đẩy sự phát triển của các dự án nghiên cứu và ứng dụng công nghệ sinh học tại địa phương.
Cốc th y tinh, bình t m gi c c c loại
Keo nhự (dung tích 1 lít, 10 lít)
Thùng nhự dung tích 30 lít thu mẫu nƣ c r r c
M y sục khí, ống dẫn khí
Thiết bị kh c (đèn c n, sút-p p xe đạp, băng keo non, keo d n…)
3.2.3.1 Môi trường nuôi vi khuẩn khử đạm
Các hó chất ph 1 lít môi trường lỏng nuôi vi khuẩn khử đạm Pseudomonas stutzeri (Hung soo Joo et al., 2006)
Bảng 5: Thành phần 1 lít môi trường nuôi vi khuẩn khử đạm (pH 6)
Thành phần Hàm lƣợng (g, ml)
CuSO 4 5H 2 O: 1,6 g/l CoCl 2 5H 2 O: 1,6 g/l Môi trường nuôi cấy vi khuẩn khử đạm được điều ch nh về pH 6 bằng HCl hoặc N OH, KOH
3.2.3.2 Môi trường nuôi vi khuẩn tích lũy polyphosphate
Bảng 6: Thành phần 1 lít môi trường lỏng nuôi vi khuẩn tích lũy polyphosphate (Smolders et al., 1994)
Thành phần Hàm lƣợng (g, ml)
Stock: dung dịch khoáng vi lƣợng bao g m:
Na 2 MoO 4 2H 2 O: 0,06 g/l ZnSO 4 7H 2 O: 0,12 g/l CoCl 2 6H 2 O: 0,15 g/l Ethylene diamine tetraacetic acid (EDTA): 10 g/l
Môi trường nuôi vi khuẩn tích lũy polyphosphate được điều ch nh về pH 7 bằng HCl hoặc N OH, KOH
3.2.3.3 C c hó chất sử dụng để đo đạm
Dung dịch EDTA (C 10 H 14 N 2 O 8 Na 2 2H 2 O - Ethylene diamine tetraacetic acid disodium salt) hòa tan 6g EDTA v i 100ml nƣ c khử kho ng
Dung dịch phenol-sodium nitroprusside dehydrate: hòa tan 7g phenol (C 6 H 5 OH) và 0,034g sodium nitroprusside dehydrate (Na 2 Fe(CN) 5 NO.2H 2 O) thêm nƣ c đ
100ml, dung dịch này đƣợc bảo quản lạnh
Dung dịch Sodium hypochloride: hò t n 4,98g Na 2 HPO 4 ; 1,48g NaOH và 20ml NaClO thêm nƣ c đ 100ml
Dung dịch đạm chuẩn N_NH 4 + 1 mg/l
3.2.3.4 C c hó chất sử dụng để đo lân
+ 70 ml acid sulfuric đậm đặc (H 2 SO 4 đậm đặc) vào 500 ml nƣ c khử khoáng (1) + 6 gram ammonium molypdate (NH 4 ) 6 Mo 2 O 24 4H 2 O vào 25 ml nƣ c khử khoáng cho tan (2)
+ 0,1454 gram Potasssium antymonyl tartrate (KSbC 4 H 4 O 6 ) vào 100 ml nƣ c khử khoáng (3)
+ Trộn (1), (2), (3) và thêm nƣ c cho đ 1 lít
Dung dịch B: 200ml dung dịch A + 1,056g acid ascorbic
Dung dịch lân chuẩn P_P 2 O 5 10 mg/l.
Phương ph p nghiên cứu
3.3.1 Phương ph p nuôi cấy vi khuẩn
Nuôi vi khuẩn khử đạm Pseudomonas stutzeri D3b và vi khuẩn tích lũy polyphosphate Bacillus subtilis DTT1.
Nuôi cấy làm đ ng đều giống:
Dùng que cấy chuyển khuẩn lạc đã ròng từ ống nghiệm thạch nghiêng đ ng đƣợc lưu trữ trong t lạnh, cấy ri s ng ống nghiệm m i
Hút 1 ml nƣ c khử kho ng vô trùng cho vào ống nghiệm chứ vi khuẩn, lắc đều
Hút 100 l dịch huyền phù vi khuẩn cho vào bình t m gi c 250 ml chứ 100 ml môi trường nuôi cấy, tạo giống cấp 1
S u khi nhân giống cấp 1, tiến hành cấy chuyền tiếp s ng môi trường m i, tạo giống cấp 2
C c bình nuôi cấy vi khuẩn đƣợc đặt trên m y lắc, lắc 150 vòng/phút, nhiệt độ
Bảng 7: Bố trí thí nghiệm 1
+ Bacillus subtilis DTT1) pH Ngu n dinh dƣỡng b sung
NT1 500 ml Có Không Không Không
NT2 500 ml Có 5%VK – 25 ml Không Không
NT3 500 ml Có 5%VK – 25 ml pH 6 Không
NT4 500 ml Có 5%VK – 25 ml pH 7 Không
NT5 500 ml Có 5%VK – 25 ml pH 8 Không
NT6 500 ml Có 5%VK – 25 ml pH 9 Không
NT7 500 ml Có 5%VK – 25 ml Không 5 g/l trisodium citrate dehydrate
NT8 500 ml Có 5%VK – 25 ml Không 5 g/l glucose
NT9 475 ml Có 5%VK – 25 ml Không 5% (25 ml) nƣ c r r c
NT10 450 ml Có 5%VK – 25 ml Không 10% (50 ml) nƣ c r r c
- Vi khuẩn đƣợc sử dụng v i t lệ 1:1 (vi khuẩn khử đạm Pseudomonas stutzeri
D3b: vi khuẩn tích lũy polyphosphate Bacillus subtilis DTT1)
Nước rửa cự sử dụng trong thí nghiệm này được thu thập từ bãi rác Tân Long, xã Phụng Hiệp, tỉnh Hậu Giang Để đảm bảo chất lượng mẫu, cần lựa chọn và rửa kỹ thùng đựng mẫu, sau đó dùng tay cầm thùng nhúng vào khoảng giữa cống chứa nước rửa cự tại bãi rác để lấy nước rửa cự Sau khi lấy mẫu, thùng cần được đậy kín và ghi rõ ngày thu mẫu nước rửa cự.
- Điều ch nh pH bằng cid cetic CH 3 COOH hoặc sodium hydroxide NaOH
Nguồn dinh dưỡng bổ sung vào nước rửa chén bao gồm trisodium citrate dehydrate, glucose, acid acetic, và nước rửa chén được chiết xuất từ thùng rác thải hữu cơ như rau củ, đầu cá, ruột cá,… được thu thập tại chợ Xuân Khánh, Thành phố Cần Thơ.
Hình 3: Mô hình thí nghiệm 1 (ngày 06/6/2012)
- Chuẩn bị 60 keo nhự có dung tích 1 lít:
30 keo nhựa có nắp được gắn với hai vòi sục khí, bao gồm một vòi sục khí và một vòi dẫn khí NH3 Nắp được hàn kín với thân keo nhựa để ngăn chặn sự thoát khí, đảm bảo an toàn và hiệu quả cho việc sử dụng.
Để tiến hành thí nghiệm, chuẩn bị 30 keo nhựa có nắp, mỗi keo chứa 500 ml acid sulfuric 0,035 mol/l nhằm thu nhận khí NH3 Để pha chế acid sulfuric 0,035 mol/l, trộn 1000 ml nước cất với 3,43 ml H2SO4 đậm đặc.
Hệ thống sử dụng vòi sục khí nhỏ để truyền khí từ máy sục khí vào keo chứa nước qua ống dẫn gắn liền Khí NH3 thải ra được dẫn qua keo nhựa, đảm bảo quá trình hoạt động hiệu quả.
- T ng lƣợng nƣ c r r c sử dụng cho thí nghiệm là 20 lít:
+ Bố trí vào 30 đơn vị thí nghiệm (500 ml/đơn vị [keo nhự có sút-páp xe đạp]) c 10 nghiệm thức
+ Mỗi nghiệm thức đƣợc lặp lại 3 lần, mỗi lần lặp đều đƣợc thu khí NH 3 thoát ra
Thí nghiệm được thực hiện với phương pháp sục khí liên tục trong 12 giờ, sau đó tiến hành lấy mẫu để phân tích các chỉ tiêu pH, NH4+ (bao gồm NH4+ trong mẫu nước và NH4+ trong keo nhựa chứa H2SO4 0,035 mol/l thu khí NH3), cũng như PO43- Quá trình phân tích sẽ tiếp tục cho đến khi nồng độ NH4+ không còn thay đổi.
Để đảm bảo tính đồng đều trong các nghiệm thức, cần kiểm soát hàm lượng khí sục vào và duy trì các điều kiện ngoại cảnh tĩnh động, đồng thời theo dõi liên tục trong suốt quá trình vận hành mô hình.
Mẫu phân tích cần được bảo quản trong tủ lạnh nếu chưa được phân tích ngay Mục tiêu của thí nghiệm là xác định ảnh hưởng của pH, vi khuẩn khử đạm, vi khuẩn tích lũy polyphosphate và nguồn dinh dưỡng đến hiệu suất loại bỏ ammonium và orthophosphate trong nước rửa ở thể tích 500 ml.
Từ kết quả thí nghiệm 1, chọn r nghiệm thức tốt nhất thích hợp để tiến hành thí nghiệm 2 bố trí ở thể tích l n hơn (5 lít)
Bảng 8: Bố trí thí nghiệm 2
NT1 5000 ml Có Không Không
NT2 5000 ml Có 5% VK – 250 ml Không
NT3 5000 ml Có 5% VK – 250 ml 5 g/l trisodium citrate dehydrate
NT4 5000 ml Có 5% VK – 250 ml 5 g/l glucose
NT5 4750 ml Có 5% VK – 250 ml 5% (250 ml) nƣ c r r c
NT6 4500 ml Có 5% VK – 250 ml 10% (500 ml) nƣ c r r c
- Vi khuẩn đƣợc sử dụng v i t lệ 1:1 – vi khuẩn khử đạm Pseudomonas stutzeri D3b: vi khuẩn tích lũy polyphosphate Bacillus subtilis DTT1
- Nƣ c r r c sử dụng trong thí nghiệm này là nƣ c r rác đƣợc lấy từ bãi rác Tân Long, xã Tân Long, huyện Phụng Hiệp, t nh Hậu Gi ng
Hình 4: Mô hình thí nghiệm xử lý nước rỉ r c ở thể tích 5 lít (ngày 20/7/2012)
- Chuẩn bị 36 keo nhự dung tích 10 lít:
+ T ng lƣợng nƣ c r r c sử dụng cho thí nghiệm 2 là 90 lít bố trí vào 18 đơn vị thí nghiệm (5000 ml/đơn vị) c 6 nghiệm thức, mỗi nghiệm thức đƣợc lặp lại 3 lần
+ Mỗi lần lặp c mỗi nghiệm thức đều đƣợc thu khí NH 3 bằng bình chứ
- C c đơn vị thí nghiệm đƣợc bố trí sục khí liên tục
- Lấy mẫu để phân tích ch tiêu pH, NH4
+, NH 3 (đƣợc thu trong keo nhự chứ
Trong nghiên cứu tại phòng Vi sinh vật đất, Viện Nghiên cứu và Phát triển Công nghệ Sinh học, dung dịch H₂SO₄ với nồng độ 0,035 mol/l và ion PO₄³⁻ được theo dõi trong 24 giờ Thời gian theo dõi này kéo dài cho đến khi hàm lượng NH₄⁺ không có sự thay đổi.
Lấy 1 lít mẫu nước ở đầu vào và đầu ra để gửi phân tích chỉ tiêu COD, TSS, TKN, TP tại Trung tâm Kỹ thuật và Ứng dụng Công nghệ Cần Thơ.
Mục tiêu thí nghiệm: x c định khả năng xử lý mmonium và orthophosph te trong nƣ c r r c c vi khuẩn và ngu n dinh dƣỡng thích hợp b sung vào nƣ c r r c
3.3.3 Phương ph p phân tích c c chỉ tiêu hó lý
3.3.3.1 Đo pH (phương ph p điện thế-m y đo pH)
Hằng ngày, tiến hành theo dõi pH trong tất cả các nghiệm thức bằng máy đo pH Mỗi nghiệm thức cần lấy khoảng 5 ml mẫu bằng cách rót vào ly nhựa, để tránh làm nhiễm các mẫu với nhau.
Rử sạch điện cực bằng bình ti chứ nƣ c cất, bật m y
Để hiệu chuẩn pH về giá trị trung tính (pH = 7), bạn cần sử dụng các dung dịch pH chuẩn Đặt điện cực của pH kế vào mẫu cần đo và chờ cho giá trị pH hiển thị trên máy ổn định trước khi đọc kết quả.
S u mỗi lần đo phải rử điện cực thật sạch bằng nƣ c cất r i l u khô bằng giấy mềm, ngâm điện cực vào dung dịch bảo quản điện cực
3.3.3.2 Đo đạm NH 4 + (phương ph p Indophenol Blue)
Tiến hành đo nồng độ ammonium (NH4+) hàng ngày trong tất cả các nghiệm thức của thí nghiệm Việc xác định hàm lượng NH4+ trong môi trường nhằm đánh giá khả năng khử đạm của các chủng vi khuẩn thông qua phương pháp so màu trên máy quang phổ tại bước sóng 636 nm, dựa vào phương pháp Indophenol Blue (Keeney Nelson, 1982).
Khí NH3 khi kết hợp với dung dịch sulfuric 0,035 mol/l sẽ chuyển đổi thành dạng NH4+, do đó hàm lượng NH3 được đo dựa trên hàm lượng NH4+ có trong mẫu nước thải Phương pháp này áp dụng cho phân tích mẫu nước thải có độ cứng tổng cộng nhỏ hơn 400 mg/l và nồng độ nitrite nhỏ hơn 5 mg/l (Scheiner, 1976) Trong phương pháp Indophenol, phenol và hypochlorite phản ứng trong môi trường kiềm, tạo thành phenylquinone-monoimine, sau đó phản ứng với ammonium để hình thành Indophenol có màu xanh, được minh họa qua phương trình sau.
NH 4 + + Phenol Hypochloride ion (môi trường kiềm)
Cường độ màu tùy thuộc vào n ng độ hiện diện c mmonium và sodium nitroprusside được thêm vào để làm tăng cường độ hiện màu trong dung dịch
Các bước tiến hành đo đạm NH 4 + :
Bước 1: Dựng dãy đường chuẩn gồm 6 ống nghiệm với các thể tích nước cất lần lượt là 2,5; 2; 1,5; 1; 0,5; 0 ml, được đánh số từ 0 đến 5 Sau đó, cho lần lượt 0; 0,5; 1; 1,5; 2; 2,5 ml dung dịch đạm chuẩn có hàm lượng 1 mg/l vào các ống nghiệm tương ứng.
KẾT QUẢ V THẢO LUẬN
Thí nghiệm 1
4.1.1 Ảnh hưởng c pH, vi khuẩn khử đạm, vi khuẩn tích lũy polyphosph te, trisodium citr te dehydr te, glucose và nước rỉ r c đến pH c nước rỉ r c
Hình 7 cho thấy ảnh hưởng của pH, vi khuẩn khử đạm, vi khuẩn tích lũy polyphosphate, trisodium citrate dehydrated, glucose và nước rỉ rác đến giá trị pH của nước rỉ rác theo thời gian Những yếu tố này có vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh pH, ảnh hưởng đến quá trình phân hủy và xử lý nước rỉ rác.
NT2 = Vi khuẩn Pseudomonas stutzeri D3b + Bacillus subtilis DTT1
NT3 = Vi khuẩn Pseudomonas stutzeri D3b + Bacillus subtilis DTT1 + pH 6
NT4 = Vi khuẩn Pseudomonas stutzeri D3b + Bacillus subtilis DTT1 + pH 7
NT5 = Vi khuẩn Pseudomonas stutzeri D3b + Bacillus subtilis DTT1 + pH 8
NT6 = Vi khuẩn Pseudomonas stutzeri D3b + Bacillus subtilis DTT1 + pH 9
NT7 = Vi khuẩn Pseudomonas stutzeri D3b + Bacillus subtilis DTT1 + 5 g/l trisodium citrate dehydrate NT8 = Vi khuẩn Pseudomonas stutzeri D3b + Bacillus subtilis DTT1 + 5 g/l glucose
NT9 = Vi khuẩn Pseudomonas stutzeri D3b + Bacillus subtilis DTT1 + 5 % nƣ c r r c
NT10 = Vi khuẩn Pseudomonas stutzeri D3b + Bacillus subtilis DTT1 + 10 % nƣ c r r c
Hình 7 minh họa sự thay đổi đáng kể của pH trong các nghiệm thức theo thời gian, cho thấy pH của nước rửa rau đã tăng lên và ổn định trong khoảng từ 9,08 đến 9,30 Sau 36 giờ thí nghiệm, sự khác biệt về pH giữa các nghiệm thức không có ý nghĩa thống kê.
Nghiệm thức vi khuẩn với pH 6 (NT3) và pH 7 (NT4) ban đầu có pH lần lượt là 6 và 7, nhưng sau đó pH tăng mạnh lên 9 Tuy nhiên, không có sự khác biệt có ý nghĩa thống kê giữa các nghiệm thức này.
Sử dụng KOH và acid acetic để tăng, giảm pH nƣ c r r c đầu vào đến gi trị 6,
7, 8, 9 nhằm tạo môi trường thích hợp cho quá trình ph t triển c vi sinh vật pH c c c nghiệm thức tăng có thể đƣợc giải thích bằng c c phản ứng xảy r nhƣ sau:
Sự phân h y c c hợp chất hữu cơ chứ nitơ tạo khí ammoniac (NH 3 ) bởi c c vi sinh vật (Bitton, 2005)
R – CH - COOH + O 2 R-COOH + NH 3 + CO 2 (phản ứng 1)
R – CH - COOH + 2H + RCH3 + NH3 +CO2 (phản ứng 2)
R – CH - COOH + H 2 O RCH 2 OH + NH 3 +CO 2 (phản ứng 3)
NH 3 lấy H + trong nƣ c r r c làm giảm ion H + trong nƣ c r r c:
Sự khử NO 3 - và NO 2 - bởi vi sinh vật khử nitr te (Laobusnanant et al., 2009) 2NO 2 - + 6H + + 6e - N 2 + 2OH - + 2H 2 O (phản ứng 5)
Phản ứng phân huỷ chất hữu cơ chứa nitơ do vi sinh vật trong nước rửa sẽ tạo ra các hợp chất như NH3 và CO2, dẫn đến sự giải phóng ion NH4+ và tăng pH trong nước Đồng thời, các phản ứng do vi khuẩn khử đạm thực hiện cũng góp phần làm tăng tính kiềm và giá trị pH trong môi trường nước rửa.
Trong suốt qu trình thí nghiệm, pH c qu trình luôn tăng thậm chí tăng đến gi trị trên 9 Điều này có thể do những nguyên nhân s u:
+ Một phần NH 3 thoát ra do qu trình sục khí c mô hình làm pH tăng
Sự biến đổi này liên quan đến hoạt động của các vi sinh vật có sẵn trong nước rác và các chủng vi khuẩn khử đạm Pseudomonas stutzeri D3b, cùng với vi khuẩn tích lũy polyphosphate Bacillus subtilis DTT1 được bổ sung vào nước rác.
4.1.2 Ảnh hưởng c pH, vi khuẩn khử đạm, vi khuẩn tích lũy polyphosph te, trisodium citr te dehydr te, glucose và nước rỉ r c đến hàm lượng NH 4 + (mg/l) c nước rỉ r c
NT1 NT2 NT3 NT4 NT5 NT6 NT7 NT8 NT9 NT10
Hình 8: Ảnh hưởng c pH, vi khuẩn khử đạm, vi khuẩn tích lũy polyphosphate, trisodium citr te dehydr te, glucose và nước rỉ r c đến hàm lượng
* Những số theo s u trên cột cùng 1 chữ không kh c biệt ý nghĩ ở thống kê ở mức 1%.
NT2 = Vi khuẩn Pseudomonas stutzeri D3b + Bacillus subtilis DTT1
NT3 = Vi khuẩn Pseudomonas stutzeri D3b + Bacillus subtilis DTT1 + pH 6
NT4 = Vi khuẩn Pseudomonas stutzeri D3b + Bacillus subtilis DTT1 + pH 7
NT5 = Vi khuẩn Pseudomonas stutzeri D3b + Bacillus subtilis DTT1 + pH 8
NT6 = Vi khuẩn Pseudomonas stutzeri D3b + Bacillus subtilis DTT1 + pH 9
NT7 = Vi khuẩn Pseudomonas stutzeri D3b + Bacillus subtilis DTT1 + 5 g/l trisodium citrate dehydrate NT8 = Vi khuẩn Pseudomonas stutzeri D3b + Bacillus subtilis DTT1 + 5 g/l glucose
NT9 = Vi khuẩn Pseudomonas stutzeri D3b + Bacillus subtilis DTT1 + 5 % nƣ c r r c
NT10 = Vi khuẩn Pseudomonas stutzeri D3b + Bacillus subtilis DTT1 + 10 % nƣ c r r c
Hình 8 minh họa hiệu quả của oxy hóa ammonium trong các nghiệm thức thí nghiệm Cụ thể, nghiệm thức vi khuẩn kết hợp với trisodium citrate dehydrated (NT7) và nghiệm thức vi khuẩn kết hợp với glucose (NT8) cho thấy hàm lượng ammonium (mg/l) thấp nhất trong suốt quá trình thí nghiệm, và sự khác biệt này không có ý nghĩa thống kê so với các nghiệm thức khác.
Hàm lượng ammonium (NH4+) trong các nghiệm thức vi khuẩn (NT2, NT3, NT4, NT5, NT6) thấp hơn nghiệm thức đối chứng (NT1) Sự giảm hàm lượng ammonium so với nghiệm thức đối chứng là do hiệu quả hoạt động của vi khuẩn khử đạm Pseudomonas stutzeri D3b và vi khuẩn tích lũy polyphosphate Bacillus subtilis DTT1 được bổ sung vào nước rửa.
NT3, NT4, NT5, và NT6 được điều chỉnh pH để tối ưu hóa hoạt động của vi khuẩn khi bổ sung vào nước rửa chén Axit acetic và KOH cũng được thêm vào công thức này nhằm điều chỉnh pH, từ đó cung cấp nguồn dinh dưỡng cần thiết cho vi khuẩn.
Nghiệm thức vi khuẩn NT9 và NT10, khi bổ sung 5% và 10% nước rửa chén, cho thấy hàm lượng ammonium cao nhất và có sự khác biệt có ý nghĩa so với các nghiệm thức khác Việc thêm nước rửa chén vào NT9 và NT10 cung cấp nguồn dinh dưỡng bổ sung cho vi khuẩn, giúp tăng cường hàm lượng ammonium trong hai nghiệm thức này Sự gia tăng này cho thấy tầm quan trọng của yếu tố bổ sung dinh dưỡng trong quá trình hoạt động của vi khuẩn.
Pseudomonas stutzeri D3b + Bacillus subtilis DTT1 nhƣng hàm lƣợng mmonium trong c c nghiệm thức này vẫn còn c o s u 36 giờ thí nghiệm
Hàm lượng ammonium giảm dần theo thời gian do các phản ứng phân hủy hợp chất hữu cơ chứa nitơ diễn ra dưới tác động của vi sinh vật trong nước Quá trình này tạo ra các sản phẩm như NH3, góp phần làm giảm nồng độ ammonium trong môi trường.
Khi khối vi khuẩn tăng, hàm lượng NH4+ giảm nhanh trong 12 giờ đầu Sau khoảng 24 đến 36 giờ, tốc độ giảm hàm lượng NH4+ chậm lại Theo Blaszcyk (1995), quá trình khử nitrat có thể diễn ra qua hai bước: khử NO3- thành NO2-, sau đó NO2- tiếp tục được khử thành N2.
Quá trình loại bỏ nitơ thông qua oxy hóa ammonium (NH4+) thành nitrogen (N2) và nitrite (NO2-) diễn ra với sự tham gia của các chất nhận điện tử Điều này có thể được giải thích bằng các phản ứng hóa học đã được nêu rõ trong các phương trình (7) và (8) của Ku l.
Do sự hoạt động mạnh mẽ c c vi sinh vật oxy hó NH 4 + trong qu trình t ng hợp cơ chất, hình thành sinh khối theo phản ứng s u:
Hình 9: Ảnh hưởng c pH, vi khuẩn khử đạm, vi khuẩn tích lũy polyphosphate, trisodium citr te dehydr te, glucose và nước rỉ r c đến hàm lượng
NH 4 + (mg/l) c nước rỉ r c theo thời gi n
NT2 = Vi khuẩn Pseudomonas stutzeri D3b + Bacillus subtilis DTT1
NT3 = Vi khuẩn Pseudomonas stutzeri D3b + Bacillus subtilis DTT1 + pH 6
NT4 = Vi khuẩn Pseudomonas stutzeri D3b + Bacillus subtilis DTT1 + pH 7
NT5 = Vi khuẩn Pseudomonas stutzeri D3b + Bacillus subtilis DTT1 + pH 8
NT6 = Vi khuẩn Pseudomonas stutzeri D3b + Bacillus subtilis DTT1 + pH 9
NT7 = Vi khuẩn Pseudomonas stutzeri D3b + Bacillus subtilis DTT1 + 5 g/l trisodium citrate dehydrate NT8 = Vi khuẩn Pseudomonas stutzeri D3b + Bacillus subtilis DTT1 + 5 g/l glucose
NT9 = Vi khuẩn Pseudomonas stutzeri D3b + Bacillus subtilis DTT1 + 5 % nƣ c r r c
NT10 = Vi khuẩn Pseudomonas stutzeri D3b + Bacillus subtilis DTT1 + 10 % nƣ c r r c
S u 12 giờ hàm lƣợng mmonium (NH 4 + ) c 10 nghiệm thức giảm mạnh
Sau 36 giờ có sự kh c biệt giữ c c nghiệm thức; nghiệm thức vi khuẩn + 5% nƣ c r r c (NT9) và nghiệm thức vi khuẩn + 10% nƣ c r r c (NT10) có hàm lƣợng
Nghiên cứu cho thấy, nghiệm thức với LSD 0,01 đạt 27,63 mg/l ammonium, cho thấy sự khác biệt có ý nghĩa với hiệu suất loại bỏ ammonium lần lượt là 71,83% và 66,64% Đặc biệt, nghiệm thức vi khuẩn kết hợp với trisodium citrate dehydrate (NT7) đạt hiệu suất 95,43%, trong khi nghiệm thức vi khuẩn kết hợp với glucose (NT8) loại bỏ được 96,01% hàm lượng ammonium trong nước, so với nghiệm thức đối chứng (NT1) chỉ đạt 71,56% Điều này chứng tỏ hiệu quả vượt trội của dòng vi khuẩn trong việc xử lý ammonium.
Pseudomonas stutzeri D3b và Baillus subtilis DTT1 v i ngu n dinh dƣỡng b sung vào nƣ c r r c là trisodum citrate dehydrate, glucose
Thành phần nitơ đƣợc ƣ chuộng nhất để xây dựng tế bào là monium (Lê Văn
C t, 2007), điều này giải thích sự sụt giảm monium qu 36 giờ c c c nghiệm thức có ch ng Pseudomonas stutzeri D3b và Bacillus subtilis DTT1
Sự giảm hàm lƣợng NH 4 + có thể do nhiều nguyên nhân:
+ Qu trình oxy ho mmonium bởi c c vi sinh vật thông qua quá trình nitrate hóa; qu trình trên đƣợc thực hiện bởi vi khuẩn Pseudomonas stutzeri (Su et al., 2001)
+ Một trong c c yếu tố có khả năng để làm giảm mmonium trong nƣ c là phản ứng hó học:
NH 4 + + OH - NH 4 OH NH 3 + H 2 O (phản ứng 9)
Phản ứng 9 xảy r khi pH > 9 (10 hoặc 11), NH 4 + chuyển hó thành NH 3 trong điều kiện tho ng khí (Bitton, 2005)
Theo nghiên cứu của Sikorski và cộng sự (2002), vi khuẩn Pseudomonas stutzeri có khả năng phát triển trong môi trường chứa hợp chất nitơ như ion ammonium hoặc nitrite, kết hợp với một phân tử hữu cơ đơn giản làm nguồn carbon và năng lượng Để xử lý nước thải hiệu quả, đặc biệt trong việc loại bỏ ammonium, cần áp dụng các quy trình như sục khí, khuấy trộn liên tục và bổ sung nguồn carbon (Ob j et al., 2003; Nguyễn Thị Hoàng Nam, 2009).
Phân tích cho thấy nghiệm thức vi khuẩn kết hợp với trisodium citrate dehydrate (NT7) và glucose (NT8) có hiệu quả xử lý ammonium tốt nhất Trong điều kiện hiếu khí, vi khuẩn Pseudomonas stutzeri D3b thể hiện khả năng xử lý vượt trội.
Thí nghiệm 2
4.2.1 Ảnh hưởng c vi khuẩn khử đạm, vi khuẩn tích lũy pol yphosphate, glucose, trisodium citr te dehydr te, nước rỉ r c đến gi trị pH c nước rỉ r c
Giá trị pH ban đầu của thí nghiệm dao động từ 7,21 đến 7,43, không có sự khác biệt đáng kể giữa các nghiệm thức Sau 24 giờ, pH tăng mạnh lên khoảng 8,53 – 9,14, và tất cả các nghiệm thức đều có xu hướng tăng pH theo thời gian mà không có sự khác biệt thống kê vào thời điểm 72 giờ Sự gia tăng giá trị pH trong nước rỉ rác có thể được giải thích qua các phản ứng hóa học đã diễn ra Đặc biệt, tại thời điểm 24 giờ, nghiệm thức có vi khuẩn và glucose (NT4) đạt pH 8,33, không có sự khác biệt có ý nghĩa so với các nghiệm thức khác do hoạt động mạnh mẽ của vi khuẩn sử dụng glucose, dẫn đến sự tổng hợp chất tế bào, hình thành sinh khối, tiêu thụ NH4+ và sản sinh H+, gây ra pH thấp hơn so với các nghiệm thức còn lại.
NT1 NT2 NT3 NT4 NT5 NT6
Ảnh hưởng của vi khuẩn khử đạm, vi khuẩn tích lũy polyphosphate, trisodium citrate dehydrated, glucose và nước rỉ rác đến giá trị pH của nước rỉ rác theo thời gian được thể hiện trong Hình 14 Những yếu tố này có vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh pH, ảnh hưởng đến quá trình phân hủy và chất lượng nước rỉ rác.
NT2 = Vi khuẩn Pseudomonas stutzeri D3b + Bacillus subtilis DTT1
NT3 = Vi khuẩn Pseudomonas stutzeri D3b + Bacillus subtilis DTT1 + 5 g/l trisodium citrate dehydrate NT4 = Vi khuẩn Pseudomonas stutzeri D3b + Bacillus subtilis DTT1 + 5 g/l glucose
NT5 = Vi khuẩn Pseudomonas stutzeri D3b + Bacillus subtilis DTT1 + 5 % nƣ c r r c
NT6 is a combination of Pseudomonas stutzeri D3b and Bacillus subtilis DTT1, along with a 10% nutrient solution The pH levels increase throughout the treatment process when these bacteria are added, enhancing the efficacy of nutrient application in water.
Kết quả nghiên cứu của Huỳnh Thị Cẩm Tú (2009) và Nguyễn Hoài Vững (2009) cho thấy rằng khi xử lý nước thải từ chăn nuôi heo và nuôi cá, pH có xu hướng tăng theo thời gian khi bổ sung vi khuẩn Pseudomonas stutzeri Giá trị pH này nằm trong tiêu chuẩn QCVN 24:2009/BTNMT loại A, với phạm vi pH từ 6 đến 9.
4.2.2 Ảnh hưởng c vi khuẩn khử đạm, vi khuẩn tích lũy polyphosph te, trisodium citr te dehydr te, glucose và nước rỉ r c đến hàm lượng NH 4 + (mg/l) c nước rỉ r c
NT 1 NT 2 NT 3 NT 4 NT 5 NT 6
Hình 15: Ảnh hưởng c vi khuẩn khử đạm, vi khuẩn tích lũy polyphosph te, trisodium citr te dehydr te, glucose và nước rỉ r c đến hàm lượng NH 4 + (mg/l) c nước rỉ r c
Ghi chú: Những số theo s u trên cột cùng 1 chữ không kh c biệt ý nghĩ ở thống kê ở mức 1%
NT2 = Vi khuẩn Pseudomonas stutzeri D3b + Bacillus subtilis DTT1
NT3 = Vi khuẩn Pseudomonas stutzeri D3b + Bacillus subtilis DTT1 + 5 g/l trisodium citrate dehydrate
NT4 = Vi khuẩn Pseudomonas stutzeri D3b + Bacillus subtilis DTT1 + 5 g/l glucose
NT5 = Vi khuẩn Pseudomonas stutzeri D3b + Bacillus subtilis DTT1 + 5 % nƣ c r r c
NT6 = Vi khuẩn Pseudomonas stutzeri D3b + Bacillus subtilis DTT1 + 10 % nƣ c r r c
Hình 15 minh họa hiệu quả của oxy hóa ammonium đối với vi khuẩn dị dưỡng trong điều kiện hiếu khí khi bổ sung nguồn dinh dưỡng Hàm lượng ammonium trong các nghiệm thức khác nhau có sự khác biệt đáng kể và có ý nghĩa thống kê.
Nghiệm thức vi khuẩn + 10% nước rửa chén (NT6) cho thấy hàm lượng ammonium cao nhất với 485,81 mg/l, có sự khác biệt có ý nghĩa so với tất cả các nghiệm thức khác Ngược lại, nghiệm thức vi khuẩn + glucose (NT4) lại có hàm lượng ammonium thấp nhất Mặc dù nghiệm thức vi khuẩn (NT2) được tác động bởi yếu tố vi khuẩn và sục khí, nhưng hàm lượng ammonium vẫn cao hơn so với nghiệm thức đối chứng (NT1) chỉ sục khí.
Thời điểm H àm lƣợ ng N H 4 (m g /l )
NT1 NT2 NT3 NT4 NT5 NT6
Hình 16 thể hiện ảnh hưởng của vi khuẩn khử đạm, vi khuẩn tích lũy polyphosphate, trisodium citrate dehydrated, glucose và nước rỉ rác đến hàm lượng NH4+ (mg/l) trong nước rỉ rác theo thời gian Sự tương tác giữa các yếu tố này có vai trò quan trọng trong việc quản lý chất lượng nước rỉ rác.
NT2 = Vi khuẩn Pseudomonas stutzeri D3b + Bacillus subtilis DTT1
NT3 = Vi khuẩn Pseudomonas stutzeri D3b + Bacillus subtilis DTT1 + 5 g/l trisodium citrate dehydrate NT4 = Vi khuẩn Pseudomonas stutzeri D3b + Bacillus subtilis DTT1 + 5 g/l glucose
NT5 = Vi khuẩn Pseudomonas stutzeri D3b + Bacillus subtilis DTT1 + 5 % nƣ c r r c
NT6 = Vi khuẩn Pseudomonas stutzeri D3b + Bacillus subtilis DTT1 + 10 % nƣ c r r c
Hình 16 cho thấy hàm lƣợng hàm lƣợng NH 4 + (mg/l) có chiều hƣ ng giảm theo thời gi n đƣợc giải thích thông qu c c phản ứng (1), (2), (3), (7), (8), (9)
Quá trình xử lý sinh học khử nitrat có pH tối ưu nằm trong khoảng từ 7 đến 9; ngoài vùng này, tốc độ khử nitrat sẽ giảm đáng kể Việc so sánh các quy trình xử lý sinh học khác nhau cho thấy tầm quan trọng của việc duy trì pH trong khoảng tối ưu để đạt hiệu quả cao nhất trong quá trình khử nitrat.
LSD 0,01 = 24,89 trong ngƣỡng gi i hạn này nên vi khuẩn đều oxy hó monium trong nƣ c r r c rất tốt
Hàm lượng NH4+ trong nghiệm thức vi khuẩn + glucose (NT4) đã giảm đáng kể với hiệu suất oxy hóa ammonium đạt 90,83% Vi khuẩn dị dưỡng sử dụng chất hữu cơ để xây dựng tế bào, đồng thời thực hiện phản ứng loại bỏ ammonium Quá trình khử nitrat và tổng hợp tế bào diễn ra song song Tại nghiệm thức vi khuẩn + trisodium citrate dehydrate (NT3) và nghiệm thức vi khuẩn + glucose (NT4), vi khuẩn dị dưỡng tận dụng nguồn dinh dưỡng có sẵn, bổ sung vào nước thải để làm giảm hàm lượng NH4+ hiệu quả, đồng thời hình thành sinh khối tế bào vi khuẩn.
Nghiệm thức vi khuẩn NT5 và NT6, được bổ sung nước rỉ rác với hàm lượng ammonium đầu vào cao hơn các nghiệm thức khác, cho thấy hiệu suất xử lý khác nhau Sau 72 giờ, nghiệm thức NT6 ghi nhận lượng ammonium còn lại là 268,9 mg/l, với hiệu suất xử lý đạt 67%, thấp hơn so với nghiệm thức đối chứng NT1, có hiệu suất đạt 74,92%.
Quá trình xử lý nước rỉ rác bằng vi khuẩn Pseudomonas stutzeri D3b và Bacillus subtilis DTT1 kết hợp với nguồn dinh dưỡng glucose đã chứng minh hiệu quả cao trong việc giảm hàm lượng ammonium.
4.2.3 Ảnh hưởng c vi khuẩn khử đạm, vi khuẩn tích lũy polyphosph te, trisodium citr te dehydr te, glucose và nước rỉ r c đến hàm lượng NH 3 (mg/l) thoát ra c nước rỉ r c
Hàm lượng NH3 trong nghiệm thức đối chứng (NT1) là 210,57 mg/l, như thể hiện trong Hình 17 Tất cả các nghiệm thức đều được sục khí liên tục với lượng khí đầu vào như nhau.
Nghiệm thức vi khuẩn (NT2) và nghiệm thức vi khuẩn + trisodium citrate dehydrate (NT3) có hàm lượng ammoniac thấp hơn so với nghiệm thức đối chứng (NT1), nhưng cao hơn nghiệm thức vi khuẩn + glucose (NT4) Khí NH3 được tạo thành từ quá trình phân hủy hợp chất hữu cơ chứa nitơ trong điều kiện có oxy, với sự tham gia của vi khuẩn Pseudomonas stutzeri D3b và Bacillus subtilis DTT1, dẫn đến lượng khí NH3 qua bình thu khí ít hơn so với nghiệm thức đối chứng (NT1) Nghiệm thức vi khuẩn + glucose (NT4) có hàm lượng NH3 thấp nhất là 96,70 mg/l, cho thấy việc bổ sung glucose vào nước rác tạo nguồn dinh dưỡng carbon thích hợp cho sự phát triển và tăng sinh của vi khuẩn.
Nghiệm thức vi khuẩn NT6 với 10% nước c r r c có hàm lượng NH3 cao nhất, cho thấy sự khác biệt rõ rệt so với các nghiệm thức khác Hàm lượng NH4+ đầu vào của nghiệm thức NT6 cũng là yếu tố quan trọng, vì khi tiến hành sục khí, lượng NH3 sinh ra từ quá trình phân hủy chất hữu cơ sẽ tăng lên đáng kể.
NT 1 NT 2 NT 3 NT 4 NT 5 NT 6
