Luận văn thạc sĩ Khoa học: Đánh giá ảnh hưởng của màng vi sinh trong hệ phản ứng màng vi sinh chuyển động (MBBR) yếm khí đến hiệu quả sinh khí metan

Màng vi sinh bám dính trên vật liệu mang đóng vai trò quan trọngđối với xử lý các chất hữu cơ trong điều kiện yếm khí của hệ MBBR, và ảnh hưởngtới quá trình sinh khí metan — nguồn tài ng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Nguyễn Thị Nga

LUẬN VĂN THAC SY KHOA HỌC

Hà Nội - 2024

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘITRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Nguyễn Thị Nga

Chuyên ngành: Khoa hoc Môi trường

Mã số: 8440301.01

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Thị Hà

TS Nguyễn Trường Quân

Hà Nội - 2024

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, cho em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới PGS.TS Nguyễn

Thị Hà — Bộ môn Công nghệ môi trường, Khoa Môi trường, Truong Dai hoc Khoa

học Tự nhiên — Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo mọi điều kiện tốt nhất và tận tình

hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn thạc sỹ khoa học

này Tiếp theo, em xin chân thành cảm ơn TS Nguyễn Trường Quân — Trung tâmNghiên cứu Công nghệ môi trường và Phát triển bền vững (CETASD), Trường Đại

học Khoa học Tự nhiên — Đại học Quốc gia Hà Nội đã tận tình hướng dẫn, quan tâm,

góp ý và động viên em trong quá trình thực hiện đề tài tại trung tâm

Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô Khoa Môi trường, Trường Đại họcKhoa học Tự nhiên đã giảng dạy và cung cấp cho em các kiến thức chuyên môn và

các kỹ năng cần thiết và tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình học tập tại khoa

Em xin gửi lời cảm ơn tới đề tài “Nghiên cứu xác định các thông số động họctrong mô phỏng dé thiết kế hệ thống xử lý yếm khí nước thải chăn nuôi lợn” mã số

QG.22.07 đã hỗ trợ về trang thiết bị, điều kiện nghiên cứu cho em trong quá trình

thực hiện luận văn.

Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, đồng nghiệp và bạn bè đã

khuyến khích và hỗ trợ em trong quá trình học tập và hoàn thiện luận văn của mình.

Trong quá trình hoàn thành luận văn, không tránh khỏi những thiếu sót, em rấtmong nhận được sự góp ý từ thầy cô dé có được các nghiên cứu hoàn chỉnh hơn trong

tương lai.

Em xin chân thành cảm on!

Hà Nội, thang 01 năm 2024

Học viên

Nguyễn Thị Nga

CHƯƠNG 1 TONG QUAN 2:- 22-5222 2E22E12E1221212112112212717171211 21c crei 3

1.1 TONG QUAN VỀ QUÁ TRINH PHAN HUY YÉM KHÍ NƯỚC THAI

HÌNH THÀNH KHÍ METAN 2-2 E+E£+EE+EE£EEEEEEE2E122171 7112112112 crxe 3

1.1.1 Ô nhiễm thành phần hữu cơ và dinh dưỡng trong nước thải 31.1.2 Quá trình phân hủy yếm khí nước thải giàu hữu cơ . - 8

1.1.3 Các yếu tổ anh hưởng đến quá trình phân hủy yếm khí 10

1.2 CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THAI BANG HE PHAN UNG MANG VI

SINH CHUYEN DONG (MBBR) VA QUA TRINH HINH THANH MANG

SINH HOC woieeccccsscssessessessessesscssesscsvcsessssesussussussucsessessesucssesnssessesaeseesuesssnsseseesneaees 13

1.2.1 Hệ phản ứng màng vi sinh chuyén động (MBBR) và mang sinh hoc 13

1.2.2 Quá trình hình thành và vai trò của màng sinh học trong xử lý nước thải

¬ 19

1.2.3 Các yếu tổ ảnh hưởng tới quá trình hình thành màng sinh học 24CHƯƠNG 2 DOI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 29

2.1 DOI TƯỢNG VA PHAM VI NGHIÊN CUU 2-22 5555: 29

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu -s- 2 5¿+2x+2EE‡EE2EkEEEEEEE221 211221221 cEEecree 29

2.1.2 Phạm vi nghiÊn CỨU - 5c 11191 TH He 30 2.2 Phương pháp nghiên CỨU - - c1 E113 19311 111 111 1 9 ng ng ngư 30

2.2.1 Hóa chất và thiết bị ¿St tSE+ESEEEESESEEEEEESEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEkrkrrerrree 30

2.2.2 Phương pháp thu thập tài lIỆU - 5 523 3+ EseEEeereeseerseerrrs 31

2.2.3 Phương pháp thực nghiỆm . - - 1x3 939 ng ng ngư 31

2.2.4 Phương pháp lay mẫu và bảo quản, phân tích mẫu - 342.2.5 Phương pháp tổng hợp, phân tích và xử lý số liệu - - 38CHƯƠNG 3 KET QUA VÀ THẢO LUẬN - ¿- + SsSSE‡EvEEeErEerxekerxereree Al

3.1 ĐÁNH GIA DIEN BIEN CUA THÀNH PHAN HỮU CƠ, DINH DƯỠNG

VA TSS TRONG HE MBBR THEO THỜI GIAN VAN HANH 41

3.1.1 Diễn biến của COD ¿- 2-55 25t22222EE2EE2E 2112112212171 211cc 41

3.1.2 Diễn biến của tổng NN :- ©5252 21221 EEEEE211211211271111211 21121111 44

3.1.3 Dién bién 0.009 4 473.1.4 Diễn biến của tổng PP ¿52 St 2E12112121271171111211 211111 xe 503.1.5 Diễn biến của TSS -:- + t2 2 221E21021211211211 01111111211 11 1y 53

3.2 KET QUA DANH GIA ANH HUONG CUA MOT SO YEU TO TỚI QUA

TRINH TAO MÀNG VI SINH TRONG HE MBBR -5 : 54

3.2.1 Kết quả đánh giá màng vi sinh bám dính trên vật liệu mang 53.2.2 Ảnh hưởng của tải trọng hữu cơ đầu vào -¿ -¿-scs++cxcccxees 56

3.2.3 Ảnh hưởng của thời gian vận hành 2 2s s+sz+x+zxezxerxsreee 60

3.2.4 Ảnh hưởng của tuần hoàn (hồi lưu) nước thải đầu ra 61

3.3 KET QUÁ DANH GIA MOI TƯƠNG QUAN GIỮA QUÁ TRÌNH TẠO

MANG VI SINH VÀ HIEU QUA SINH KHÍ METAN TRONG HỆ MBBR 63

3.3.1 Kết quả thé tích và lưu lượng khí sinh học từ quá trình phân hủy yếm khí

trong hé MBBR 07 63

3.3.2 Kết quả hàm lượng metan trong khí sinh học sinh ra từ hệ MBBR 64

3.3.3 Kết quả đánh giá mối tương quan giữa quá trình tạo màng vi sinh và hiệu

qua sinh khí metan trong hệ MBBIR ee 5c S2 2k *Hn HH HH re,66

KET LUẬN VÀ KIEN NGHỊTÀI LIEU THAM KHẢO

PHU LỤC

DANH MỤC TỪ VIET TAT

Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt

Anaerobic Moving Bed Biofilm Hệ phan ứng mang vi sinh

AnMBBR , ,

Reactor chuyên động yêm khí

BOD Biochemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy sinh hóa

COD Chemical Oxygen Demand Nhu cau oxy héa hoc

eDNA Extracellular DNA DNA ngoai bao

EPS Extracellular Polymeric Substances | Các chất cao phân tử ngoại bàoHSXL Removal efficiency Hiệu suất xử ly

HRT Hydraulic Retention Time Thoi gian luu thuy luc

Membrane — Aerated Biofilm Hệ phản ứng màng sinh hoc có MABR

Reactor sục khí

Hệ phan ứng màng vi sinh MBBR Moving Bed Biofilm Reactor „

chuyên động

; Hỗn hop chat ran lo lửng (mật

MLSS Mixed Liquor Suspended Solids

PVC Polyvinyl Chloride Polyvinyl clorua

QS Quorum Sensing Cam bién dai biéu

RBCs Rotating biological contactors B6 tiép xtic sinh hoc quay

TF Trickling Filters Bộ lọc nhỏ giọt

TN Total Nitrogen Tong nito

TP Total Phosphorus Tổng phốt pho

TSS Total Suspended Solids Tổng chat ran lo lửng

UAFE Up Flow — Anaerobic Floating Bộ lọc nồi ky khí dòng chảy

Filter ngược

UASB Up Flow - Anaerobic Sludge Hệ phan ứng bùn ky khí dòng

Blanket Reactor chảy ngược

VFA Volatile Fatty Acid Axit béo dé bay hoi

ii

DANH MỤC BANG

Bảng 1 Đặc tính của nước thải chăn nuôi [4] - 5 5< + + ‡++++seseeerseereeess 3

Bảng 2 Các đặc tính lý hóa của nước thải chăn nuôi lợn được chứng minh trong các

NGHIEN CUU 0001 ÓÖ 7

Bảng 3 Đặc trưng của một số loại vật liệu mang vi sinh sử dụng trong công nghệ xử)Â/208400i 17077 —- 15Bảng 4 Kế hoạch lay mẫu nước thải, vật liệu mang và khí sinh học - 35Bảng 5 Khối lượng màng vi sinh bám dính trên vật liệu mang ở các tải trọng 56Bảng 6 Khối lượng màng vi sinh bám dính trên vật liệu mang trong hệ Moving — bed

)2:1E 0= 57 Bảng 7 Mật độ bùn vi sinh trong hệ Moving — bed SBR [80] .- 60

Bảng 8 Kết quả khối lượng màng vi sinh bám dính trên vật liệu mang theo thời gian

vận hành tại chế độ khảo sát 3 - ¿+ St SE+E+EEEEEE+EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEErrkrkrkerrs 60

Bảng 9 Kết quả khối lượng màng vi sinh bám dính trên vật liệu mang theo thời gian

vận hành tại chế độ khảo sát 4 - -G S2 1121 ng ngay 61

1H

DANH MỤC HÌNH

Hình 1 Một số loại vật liệu ¡5 50 16

Hình 2 Các bước minh hoa quá trình hình thành màng sinh học [86] 20

Hình 3 Cơ chế hình thành màng sinh học [34] «++-«<+++sx+seexsseesssees 21 Hình 4 Hình ảnh vật liệu mang vi sinh PE - <5 3< 33+ £££2EEvseeEseserereereree 29 Hình 5 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm MBBR [1 I] - 2-2522 £+£+z£szzse+2 32 Hình 6 Cấu tạo hệ thống thí nghiệm thực tẾ -¿- 2 + + x+++££+E++xerkerxrrszes 33 Hình 7 Diễn biến và hiệu quả loại bỏ COD tổng trong hệ MBBR 4I Hình 8 Diễn biến và hiệu quả loại bỏ COD hòa tan trong hệ MBBR 43

Hình 9 Diễn biến và hiệu quả xử lý tổng N trong hệ MBBR - 45

Hình 10 Diễn biến và hiệu quả xử ly N hòa tan trong hệ MBBR 46

Hình 11 Diễn biến của NH¿*-N tong trong hệ MBBR -5- 55555: 48 Hình 12 Diễn biến của NH¿*-N hòa tan trong hệ MBBR -: 49

Hình 13 Diễn biến và hiệu quả xử lý tong P trong hệ MBBR 50

Hình 14 Diễn biến và hiệu quả xử lý P hòa tan trong hệ MBBR 52

Hình 15 Diễn biến và hiệu quả xử ly TSS trong hệ MBBR - 53

Hình 16 (a) Trước khi hình thành mang vi sinh va (b) sau khi hình thành màng vi

1V

Hình 21 Thể tích và hàm lượng metan trong khí sinh học sinh ra từ quá trình yếm

khí trong hệ MBBR 5 +1 11 1*H “KH HH kh 65

Hình 22 Mối tương quan giữa độ dày màng vi sinh và hiệu quả sinh khí metan trong

DAT VAN DE

Phát triển kinh tế gắn liền với bao vệ môi trường ngày càng trở thành mục tiêucủa nhiều quốc gia trên thé giới Với sự phát triển của các ngành công nghiệp, nhữngnguôn khí thải, nước thải, chất thải ngày càng nhiều, gây tác động xấu tới môi trường

Nước thải giàu thành phần hữu cơ và dinh dưỡng như nước thải chăn nuôi lợn, nước

thải sản xuất tinh bột sắn, mía đường, tinh bột dong riềng, sản xuất giấy là một trongnhững loại nước thải rất được quan tâm hiện nay bởi những tác động tới chất lượng

môi trường và sức khỏe cộng đông.

Nước thải giàu hữu cơ và dinh dưỡng nói chung và nước thải chăn nuôi nói

riêng có chứa nhiều cặn, hàm lượng nito, phốt pho và vi sinh vật đều rất cao Loạinước thải này được thải ra môi trường với tải trọng lớn gây cạn nguồn oxy trong nước

khiến các sinh vật khó tồn tại, gây mat cảnh quan, mắt cân bằng sinh thái và tạo mùi

hôi thối khó chịu Do vậy, việc áp dụng công nghệ phù hợp để xử lý nước thải giàu

hữu cơ là một van đê rat quan trọng va cap thiệt hiện nay.

Ngày nay, có rất nhiều phương pháp đã được nghiên cứu và ứng dung dé xử

lý nước thải giàu hữu cơ với những ưu điểm về kinh tế và hiệu quả xử lý, trong đóphải kế tới phương pháp xử lý sinh học Một trong những công nghệ xử lý sinh học

đã và đang được áp dụng là công nghệ hệ phản ứng màng vi sinh chuyển động(MBBR) yếm khí Màng vi sinh bám dính trên vật liệu mang đóng vai trò quan trọngđối với xử lý các chất hữu cơ trong điều kiện yếm khí của hệ MBBR, và ảnh hưởngtới quá trình sinh khí metan — nguồn tài nguyên được thu hồi để phục vụ một số mục

đích khác.

Dé hiểu rõ hơn về công nghệ MBBR, quá trình tạo màng vi sinh trong hệ, hiệu

quả sinh khí metan trong quá trình xử lý nước thải giàu hữu cơ, luận văn nghiên cứu

với hệ MBBR quy mô phòng thí nghiệm với tên dé tài: “Đánh giá ảnh hưởng củamàng vi sinh trong hệ phản ứng màng vi sinh chuyển động (MBBR) yếm khí đến

hiệu quả sinh khí metan”.

Mục tiêu nghiên cứu:

Đánh giá được ảnh hưởng của một số yếu tổ tới quá trình tao màng vi sinhtrong hệ phản ứng màng vi sinh chuyên động (MBBR) yếm khí Từ đó, đánh giá mối

tương quan giữa quá trình tạo màng và hiệu quả sinh khí metan.

Nội dung nghiên cứu:

1 Tổng quan về quá trình phân hủy yếm khí nước thải hình thành khí metan

và công nghệ xử lý nước thai bằng hệ phản ứng màng vi sinh chuyền động

(MBBR) và quá trình hình thành màng sinh hoc;

2 Khảo sat và đánh giá hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi lợn của hệ MBBR

quy mô phòng thí nghiệm (sử dụng các thông số COD, TN, NH4*-N, TP

và TSS);

3 Khảo sát và đánh giá ảnh hưởng của một số yếu tô (tải trọng hữu cơ đầu

vào, thời gian vận hành và tuần hoàn nước thải đầu ra) tới quá trình tạo

mang vi sinh trong hệ MBBR;

4 Khảo sat và đánh giá mối tương quan giữa quá trình tạo màng vi si sinh và

hiệu quả sinh khí metan trong hệ MBBR.

CHƯƠNG 1 TONG QUAN

1.1 TONG QUAN VE QUA TRINH PHAN HUY YEM KHÍ NƯỚC THAI

HÌNH THÀNH KHÍ METAN

1.1.1 Ô nhiễm thành phần hữu cơ và dinh dưỡng trong nước thai

1.1.1.1 Nguồn gây 6 nhiễm thành phan hữu cơ và dinh dưỡng trong nước

thải

Nước thải giàu thành phần hữu cơ và dinh dưỡng được tìm thấy ở nhiều nguồn

khác nhau như chăn nuôi, sản xuất mía đường, tinh bột săn, tinh bột dong riêng, chếbiến thủy hải sản, với mức độ ô nhiễm giữa khác nhau Trong số đó thì ngành chănnuôi đóng góp một lượng nước thải và mức độ ô nhiễm vào môi trường rất lớn

Giá tri COD trong nước thải của các ngành thường khoảng 2.000 mg/l nhưng

có khi cao gấp nhiều lần như trong nước thải chăn nuôi được thể hiện ở Bảng 1 dưới

đây:

Bang 1 Dac tính của nước thai chăn nuôi [4]

Chỉ tiêu Đơn vị Giá trị

Độ màu Pt-Co 350 — 870

BODs mg/l 3.500 — 9.800

COD mg/l 5.000 — 12.000 TSS mg/l 680 — 1.200

TP mg/l 36 — 72

TN mg/l 220 — 460

Dau mỡ mg/l 5—58

Sự tăng lên của dân số thế giới và phát trién không ngừng của công nghiệp hóa

đã dẫn đến sự thay đổi đáng ké trong chế độ ăn uống của con người Ở Trung Quốc,

so với 30 năm trước, mức tiêu thụ thịt bình quân đầu người đã tăng 50% và nhu cầu

về trứng và các sản phẩm từ sữa (sữa, phô mai, ) đã tăng lên nhiều lần [46] Hơn nữa,nhu cầu đối tiêu thụ các sản phẩm động vật cũng tăng lên trên toàn thế giới, điều này

đã góp phần chuyển đôi chế độ sử dụng thực phẩm từ thực vat sang động vật [41]

Đối mặt với mức tiêu thụ không lồ như vậy, các trang trại chăn nuôi quy mô nhỏkhông có khả năng dap ứng yêu cầu của người dân [47] Dé nâng cao hiệu quả chăn

nuôi, các trang trại chăn nuôi tập trung quy mô lớn hơn đã được thành lập với số

lượng lớn và sản xuất được nhiều sản phẩm hơn Vi dụ, các trang trại lợn lớn (> 500

con) và trang trại gia súc (> 100 con) đã tăng từ 126.600 và 22.500 trong năm 2008 lên 215.500 và 31.500 vào năm 2017 [60, 92] Trong khi đó, sản lượng thịt và trứng

gia cam tăng từ 14,45 và 25,14 triệu tan lên lần lượt 19,82 và 30,96 triệu tan [60, 92].Điều này đã dẫn đến ngày càng tăng lượng nước thải chăn nuôi có chứa một lượnglớn chất dinh dưỡng, kim loại nặng, chất hữu cơ, xenobiotics và mầm bệnh được thải

ra từ các trang trại và lượng nước thải vào các thủy vực ngày càng tăng [47] Người

ta ước tính rằng nước thải chăn nuôi chủ yêu gồm phân, nước tiểu và nước rửa chuồngchiếm tới hơn 40% tông nhu cầu oxy hóa học (COD) và amoni (NH¿*-N) thải ra môi

trường ở Trung Quốc [59] Đặc biệt, kim loại nặng và kháng sinh thú y hiện diện

đáng ké trong nước thải chăn nuôi và có khả năng gây nguy hiểm cho hệ sinh thái do

bị lạm dụng dé đạt được năng suất chăn nuôi [50]

Cũng trong những năm gan đây, ngành chăn nuôi ở nước ta đã có những thay

đổi rõ rệt về tốc độ phát triển, phương thức sản xuất, phân bé địa bàn Đi cùng với đó

là xuất hiện nhiều vấn đề như ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, nhiều dịch bệnh mới

và vấn đề vệ sinh an toàn thực phẩm, Phát triển hình thức chăn nuôi theo hướng

tập trung và chuyên môn hóa cao là một trong những nội dung quan trọng trong quá

trình công nghiệp hóa sản xuất nông nghiệp của nước ta trong thời kì phát triển mới.Theo báo cáo của Tổng cục Thống kê, sản lượng thịt trâu hơi xuất chuồng năm 2020đạt 96,7 nghìn tấn, tăng 2,2 nghìn tấn so với năm 2019; sản lượng thịt lợn hơi xuấtchuồng đạt 3.550,1 nghìn tan, tăng 221,3 nghìn tan [6] Ngành chăn nuôi có nhữngbước chuyền dịch rõ ràng, chuyển dần từ chăn nuôi nhỏ lẻ, phân tán sang phát triển

chăn nuôi tập trung theo mô hình trang trại, gia trại xa thành phố, khu dân cư giảmthiêu tình trạng ô nhiễm môi trường Tuy nhiên, quy mô chăn nuôi nhỏ lẻ tại các hộgia đình hiện vẫn chiếm ty trọng lớn khoảng 65 — 70% về số lượng và sản lượng.Nhìn chung, ngành chăn nuôi Việt Nam trong những năm gần đây duy trì được sựphát triển ôn định và có những bước chuyền dịch phù hợp với xu hướng thé giới [5].Chat thải chăn nuôi là một tập hợp bao gồm các chất ở dang ran, lỏng, khí phát sinhtrong quá trình chăn nuôi, lưu trữ, chế biến hay sử dụng chất thải Các chất thải chănnuôi phát sinh chủ yếu từ:

- Chat thải của gia súc, gia cam: phân, nước tiêu, lông, vảy da và các phủ tạng

loại thai,

- Nước thải từ quá trình tăm của gia súc, rửa chuông hay rửa dụng cụ và thiệt

bị trong chăn nuôi, nước làm mát hay từ các hệ thông dịch vụ chăn nuôi,

- Thức ăn thừa, các vật dụng chăn nuôi, thú y bị loại ra trong quá trình chăn

nuôi.

- Bệnh phâm thú y, xác gia súc, gia cam chết.

- Bùn lăng từ các mương, hô chứa, lưu trữ và chê biên hay xử lý chât thải.

Nước thải chăn nuôi là hỗn hợp của cả nước tiểu của vật nuôi, nước rửa chuông, nước tăm cho vật nuôi Trong nước thải chăn nuôi còn có thê chứa một phân

hoặc toàn bộ phân gia súc, gia câm thải ra Nước thải là dạng chât thải chiêm khôi lượng lớn nhât trong chăn nuôi Chỉ tính riêng với chăn nuôi lợn, nêu trung bình lượng

nước thải ra 25 lit/con lợn/ngày thì lượng nước thải ra một năm khoảng 85 triệu m

[7] Khi chăn nuôi tập trung, mật độ chăn nuôi tăng cao dẫn đến tải lượng và nồng độ

chat 6 nhiễm cũng tăng cao Nông độ các chat ô nhiễm trong nước thải phụ thuộc vào

thành phân của phân, nước tiêu, lượng thức ăn rơi vãi, nước dùng tăm gia súc va vệ sinh chuông trại,

1.1.1.2 Đặc tính của nước thải chăn nuôi

Thành phần của nước thải chăn nuôi khá phức tạp, gồm các chất rắn lơ lửng,các chất hòa tan hữu cơ hay vô cơ, trong đó có nhiều nhất là các hợp chất chứa nitơ

và photpho Trong nước thải còn chứa rất nhiều vi sinh vật, ký sinh trùng, nam, nam

men và các yếu tố gây bệnh khác Do ở dang lỏng và giàu chất hữu cơ nên kha năng

bị phân hủy vi sinh vật rất cao, từ đó gây ô nhiễm cho cả môi trường đất, nước và

không khí.

e Thành phần hữu cơ chiếm 70 — 80% thành phan chat ran của nước thải gồmcác hợp chất hydrocacbon, protein, axit amin, chất béo và các dẫn xuất thường có

trong phân và thức ăn thừa của gia súc trong ngành chăn nuôi.

e Nitơ và photpho: hàm lượng N, P trong nước thải tương đối cao, ví dụ như

nước thai chăn nuôi lợn chứa hàm lượng TN là trong khoảng 1.062 — 2.222 mg/l, TP

từ 32 đến 181 mg/l vì quá trình bài tiết đã thải ra một tỷ lệ tương đối cao lượng N và

P trong thức ăn [23, 46, 85] Nitơ có trong các hợp chất hữu cơ (protein, axit amin,urê, axit uric) và thành phần khoáng chat (amoniac, nitrat) Amoniac hòa tan là dangnitơ phố biến nhất hiện nay (948 — 1.558 mg/l) [23, 46, 85] Các hợp chất P thường

có mặt trong phần hạt của chất thải Ít hơn 30% được hòa tan trong pha lỏng, với hơn

80% ở dang orthophosphate (PO?) [28] N và P có trong nước thải như là chất dinh

dưỡng cùng với BOD cung cấp dinh dưỡng để vi sinh vật xây dựng tế bao và cũng lànguồn thức ăn thích hợp cho các loại tảo hoặc thực vật thủy sinh khác Theo thời gian

và sự có mặt của oxy thì trong nước thải, hợp chất N ton tại dưới dạng khác nhau là

NH:* , NOx , NOs và N hữu cơ Hop chất P tồn tại ở trong nước dưới các dạng

H›POx , HPO¿?, PO¿3-, P hữu cơ, polyphotphat và P trong tế bào sinh khối

e Vi sinh vật: Nước thải giàu hữu cơ và dinh dưỡng chứa nhiêu loại vi trùng,

virus và trứng âu trùng giun san gây bệnh Điên hình như vi khuan E.coli,

Streptococcus sp, polio virus, aphtovirus, và các ky sinh trùng trong nước gôm

các loại trứng và âu trùng đêu có thê dé dàng đi vào nguôn nước.

e Nước thải chăn nuôi lợn cũng chứa một lượng lớn Cu va Zn Ngoài ra còn

có các nguyên tố vi lượng khác như Fe, Mn, Cd và B [95]

Dưới đây là bảng tổng hợp các đặc tính lý hóa của nước thải chăn nuôi lợn đã

được chứng minh trong các nghiên cứu:

Bảng 2 Các đặc tính lý hóa của nước thải chăn nuôi lợn được chứng mình trong

1.1.L3 Nguy cơ gây ô nhiễm của nước thải chăn nuôi

Nước thải chăn nuôi tác động đên môi trường và sức khỏe con người trên nhiêu khía cạnh: gây 6 nhiém nguôn nước mặt, nước ngâm, môi trường không khí, môi

trường đât và đóng góp vào hiệu ứng âm lên của toàn câu do thải ra các khí gây hiệu ứng nhà kính.

Ô nhiễm nước và đất: Dựa trên thành phần hóa học của nước thải chăn nuôi

đã nêu ở trên, việc quản lý nước thải chăn nuôi không chặt chẽ sẽ gây ra những tác động nghiêm trọng tới môi trường Vi dụ như nước thải chăn nuôi lợn được coi là

nguyên nhân quan trọng gây ô nhiễm nguồn điểm do việc thải bỏ không kiểm soát vìlượng N, P và các chất hữu cơ cao có thé làm ô nhiễm các thủy vực và gây ra hiệntượng phú dưỡng khu vực và làm màu mỡ quá mức cho đất [26]

Ô nhiễm không khí: Dòng nước thải có nguồn gốc từ chăn nuôi lợn cũng là

nguồn gây ra mùi hôi, phát thải khí (metan, amoniac), steroid, kháng sinh và 6 nhiễm

kim loại nặng, có thê góp phần gây ra biến đổi [26, 45]

Trong chăn nuôi, phân và nước thải của vật nuôi (bao gồm cả động vật đã chết)

có chứa các loại virus (ví dụ như HsN¡, HiN)), vi khuẩn và ký sinh trùng mà có thê

được truyền sang người [2] Đây chính là nguyên nhân gây ra nhiều căn bệnh nghiêm

trọng về hô hấp, tiêu hóa Tổ chức y tế thé giới WHO đã cảnh báo: “Nếu không cóbiện pháp thu gom và xử lý chất thải chăn nuôi một cách thỏa đáng sẽ ảnh hưởng rấtlớn đến sức khỏe con người, vật nuôi và gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Đặcbiệt là các virus biến thé từ các dịch bệnh như lở mồm long móng, lợn tai xanh có thélây lan nhanh chóng và có thé cướp di sinh mang của rất nhiều người” [90] Việckiểm soát chất lượng trong ngành chăn nuôi là một nội dung cấp bách cần được cáccấp quản lý, các nhà sản xuất và cộng đồng dân cư bắt buộc quan tâm đề hạn chế ô

nhiễm môi trường, bảo vệ sức khỏe của con người, cảnh quan khu dân cư cũng như

không kìm hãm sự phát triển của ngành chăn nuôi

1.1.2 Quá trình phân hủy yếm khí nước thải giàu hữu cơ

Quá trình phân hủy yếm khí chất hữu cơ rất phức tạp liên quan đến rất nhiềuphản ứng và sản phẩm trung gian Phương trình tổng quát của phản ứng yếm khí phânhuỷ hoàn toàn chất hữu cơ là:

C,HyO¿N¡Su + “(4x -y-2z + 3t+ 2u) HạO > (4x - y + 2z + 3t + 2u) CO¿ + s (4x +

y- 2z - 3t - 2u) CH4 + tNH3 + uH2S (1)

Quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ trong hệ MBBR yếm khí cũng diễn

ra tương tự như quá trình phân hủy yếm khí thông thường Trong quá trình này, cácchất hữu cơ bị phân hủy bởi các vi sinh vật yếm khí và yếm khí tùy nghỉ khác nhau.Quá trình này tạo ra chủ yêu khí metan và cacbon đioxit [14, 40, 102] Quá trình này

gôm 4 bước chính sau:

Pha 1: Thủy phân bằng enzyme dé phân tách các cơ chất Trong bước này, cáchợp chất hữu cơ phức tạp không hòa tan như carbohydrate, protein, chất béo và

cellulose được thủy phân thành các monome và dime bởi các enzym ngoại bảo

(amylase, protease, lipase, cellulase) và các chất khác do vi khuân thủy phân tiết ra[102] Những monome và dime này sau đó có thê được vi khuẩn thủy phân tiêu thụ

Đây là bước quan trọng nhưng tương đối chậm và có tốc độ giới hạn, ảnh hưởng đến

tốc độ chung của quá trình phân hủy sinh học yếm khí Tốc độ thủy phân bằng enzyme

phụ thuộc vào kích thước hạt, độ pH của môi trường phản ứng cũng như quá trình

sản xuất và hoạt động của các enzyme thủy phân [16] Một số chủng vi khuẩn được

tham gia bước này là Butyrivibrio spp., Clostridium spp., Selenomonas spp., va Streptococcus spp [18].

Pha 2: Axit hóa (Bước tạo axit) Trong giai đoạn nay, vi khuẩn axit hóa chuyển

đổi các sản phẩm thủy phân thành axit hữu cơ mạch ngăn (axetic, fomic, axit lactic,

propionic, butyric, pentanoic), axit béo, rượu (metanol, etanol), aldehyd, CO: va

hydro Các chủng vi khuẩn được tham gia vào bước này là Bifidobacteria spp.,

Selenomonas spp., và Flavobacter spp [16, 40].

Pha 3: Axetat hóa (Hình thành axit axetic) Trong bước này, vi khuẩn axetatchuyên đồi các sản pham của pha axit thành axetat và hydro, là những sản phẩm trung

gian quan trọng của quá trình phân hủy khí metan Hydro được giải phóng trong bước

này sẽ ức chế tác dụng độc hại của các chủng thực hiện quá trình tạo axetat Hydronay cũng được sử dụng bởi vi khuan sản xuất metan tự dưỡng (vi khuẩn thu hồi hydro)

với mối quan hệ cộng sinh Các chủng vi khuẩn được đưa vào bước này là

Acetobacter spp., Sporomusa spp., và Ruminococcus spp [14, 102].

Pha 4: Metan hóa (Bước hình thành khí metan) Ở bước này, vi khuẩn sinhmetan chuyên hóa các axit hữu cơ được hình thành ở các bước trước (axit fomic và

axetic), metanol, CO; và hydro thành metan Axit axetic bi phân hủy thành metan va

CO2, còn CO2 phan ứng với hydro tạo ra thêm metan theo các phương trình sau:

CH3COOH —> CHà + CO2 (2)

4H: + CO; > CH¿ + 2H20 @)

Các chủng vi khuẩn tham gia vào bước này là Methanosarcina spp.,

Methanothrix spp., Methanococci spp., Methanobacteria spp., và Methanomicrobia spp [14, 16, 40].

Khí sinh học (biogas) là sản phâm cuối cùng của quá trình phân hủy ky khí và

là nguồn năng lượng tai tạo có thê được tái sử dụng cho mục đích sản xuất, ví dụ:

nhiên liệu ô tô, sản xuất điện và sưởi 4m [89] Thành phan điển hình của khí sinh học

là 55-70% metan, 30-40% carbon dioxide cùng với một lượng nhỏ Na, He, H2S va

hơi nước [83] Tiềm năng về mặt lý thuyết của việc sản xuất khí metan là 0,350 NmL

khí metan được tạo ra trên mỗi mg COD bị phân hủy [22] Lượng và sản lượng khí

metan của khí sinh học được tạo ra chủ yếu bị chi phối bởi hiệu quả của bước tạo

metan, do đó phụ thuộc vào đặc tính của chất hữu cơ, chăng hạn như khả năng phân

hủy và thành phần cũng như điều kiện vận hành [55]

1.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy yếm khí

1.1.3.2 Axit béo dé bay hơi

Quá trình xử lý ky khí bị ảnh hưởng bởi các axit béo dé bay hơi (VFA) vì là

thông số nhạy cảm nhất và được ông nhận là một trong những chỉ số trạng thái choquá trình sinh khí sinh học [19] Quá trình phân hủy ky khí diễn ra kém do sự mat

cân bằng giữa các sinh vật sinh axit, sinh axit axetic và sinh metan [54] Ty lệ VFA

không phân ly tăng lên khi độ pH giảm do pha axit axetic sản sinh VFA Khi nồng

độ VFA không phan ly duy trì ở mức cao trong thời gian dài, pha sinh metan sẽ bi

loại bỏ dan dan và pha sinh axit axetic chiếm ưu thé trong các phản ứng sinh học Dovậy, cần tạo khả năng đệm tốt cho hệ phản ứng ky khí dé tăng hiệu quả loại bỏ COD

và sinh khí metan [76].

1.1.3.3 Amoniac

Amoniac có thể hoạt động như một chat ức chế mạnh pha sinh metan trongquá trình phân hủy bằng cách phân hủy các protein có trong phân Độ pH và nhiệt độ

có ảnh hưởng mạnh mẽ đến nồng độ ức chế NH; do ảnh hưởng đến trạng thái cân

bang Do đó, ngưỡng độc tính NH rất nhạy cảm với độ pH trên 7 Chastain và cộng

sự (2004) báo cáo rằng một phan nito trong phân gia cầm ở dang NH¿* sẽ chuyên hóa

thành NH ở pH lớn hơn 6,5 [24] Tăng độ pH (nhiều kiềm hơn hoặc ít axit hơn) lam

tăng lượng amoniac va giảm lượng amoni Nghiên cứu cua Burton & Turner (2003)

đề xuất rang mức NHs tự do nên được duy trì dưới 80 mg/L còn ion amoni thường có

thê chịu được tới 1.500 mg/L [21]

1.1.3.4 Sunfua và kim loại nặng

Trong các bể phan ứng ky khí, sunfua được tao ra bằng cách khử sunfat cótrong dòng nước đầu vào và từ quá trình phân hủy protein có trong phân Burton &Turner đã chỉ ra rằng nếu nồng độ sunfua hòa tan vượt quá 200 ppm thì hoạt động

trao đối chất của vi khuẩn sinh metan sẽ bị ức chế mạnh Nghiên cứu cũng chi ra rằng

kim loại nặng tạo thành kết tủa không hòa tan cao với sunfua Do đó, việc bé sungmột kim loại (như sắt) là một phương pháp don giản dé giảm nồng độ sunfua hòa tan.Kim loại nặng gây độc cho cả quan thé ky khí chính ngay ca ở nồng độ rất thấp Hơn

11

nữa, các tác giả kết luận rằng các chất độc hại khác như kháng sinh từ thức ăn hoặc

thuốc thú y hoặc thuốc khử trùng trang trại có thé làm chậm quá trình ky khí [21]

1.1.3.5 Nhiệt độ

Quá trình phân hủy ky khí được thực hiện bởi sự cân của một quần thể vikhuẩn Những vi khuẩn này có thé rất nhạy cảm với những thay đổi trong môi trườngcủa chúng Nhiệt độ là một vi dụ điển hình [Zhu 2018] Khi nhiệt độ giảm, hoạt độngcủa vi khuẩn giảm và sản lượng khí sinh học giảm Khi nhiệt độ tăng lên, một SỐ vi

khuan bat đầu chết, việc sản xuất khí sinh học lại giảm đi Kiểm soát nhiệt độ là một

yếu tố quan trọng cần cân nhắc khi thiết kế bê phân hủy Quá trình phân hủy ky khí

sẽ xảy ra ngay cả ở nhiệt độ phòng: tuy nhiên, duy trì nhiệt độ bé phân hủy không đổigần 35°C sẽ cải thiện hiệu suất của bé phân hủy [42]

1.1.3.6 Thời gian lưu thủy lực (HRT)

Thời gian lưu thủy lực (HRT) đóng vai trò rất quan trọng vì nếu thức ăn không

ở trong bề phan ứng đủ lâu dé toàn bộ quá trình xử lý diễn ra thì khí sinh học sẽ không

được tạo ra [42] Thời gian lưu cần thiết để hoàn thành các phản ứng xử lý ky khí

thay đổi tùy theo công nghệ, nhiệt độ xử lý và thành phan chat thải khác nhau [84].Nghiên cứu của Burton & Turner (2003) đã báo cáo rằng quá trình phân hủy phân

lợn có hàm lượng chất béo cao đòi hỏi HRT thấp hơn phân gia súc, loại phân có chứa

nồng độ cellulose va hemicellulose tương đối cao Trong điều kiện ưa nhiệt, họ đề

xuất HRT trung bình cho phân gia súc là 12 đến 25 ngày, đối với phân gia súc trảirơm là 15 đến 35 ngày và đối với phân lợn là 10 đến 20 ngày [21] Hơn nữa, Wellinger(1999) và Rehling (2001) đã đề xuất khoảng thời gian sử dụng HRT là 20 đến 40ngày trong việc xử lý phân gà lỏng [74, 87] Họ nhấn mạnh rang giá trị tối ưu củathời gian lưu thực sự phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nguồn nguyên liệu, nhiệt độmôi trường và loại bé ky khí Nghiên cứu của Pinjarkar và cộng sự (2017) cũng đãchỉ ra thời gian lưu thủy lực phù hợp dé vận hành hệ MBBR dao động từ 5 — 12 giờ

[73].

12

1.2 CONG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THAI BANG HỆ PHAN UNG MANG VI

SINH CHUYEN DONG (MBBR) VA QUA TRINH HINH THANH MANG

này được phát triển vào những năm 1980, MBBR là một công nghệ xử lý nước thải

đơn giản, hiệu quả, linh hoạt và nhỏ gọn cho cả xử ly nước thải đô thi và công nghiệp

[17] Công nghệ MBBR chia thành 2 loại: hiếu khí hoặc yếm khí Trong đó, hệ phảnứng màng vi sinh chuyên động yếm khí (AnMBBR) được sử dụng khá phô biến hiện

nay.

Nguyên lý thiết kế cơ bản của MBBR là các vật liệu mang lơ lửng được đưa

vào cột phản ứng với vai trò là các chất mang hoạt tính của vi sinh vat Cac vật liệu

mang lơ lửng tiếp xúc với nước thải thường xuyên và màng sinh học dần dần đượcgắn trên bề mặt của vật liệu mang Các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước thải được hapthụ va phân hủy bởi các vi sinh vật trong màng sinh học giúp tăng quá trình chuyênkhối giữa các chất ô nhiễm và màng sinh học MBBR có những ưu điểm nỗi trội đáng

chú ý như sau [70]:

e Do các vật liệu mang có diện tích bê mặt riêng lớn nên có thê cung cap môi

trường tốt hơn cho vi sinh vật kèm theo sự đa dạng và nồng độ cao

e Chu kỳ phat triển của vi sinh vật trên các vật liệu mang lơ lửng kéo dài, không

bị ảnh hưởng của thời gian lưu thủy lực (HRT), thuận lợi cho vi sinh vat phat

triên và sinh sản.

e Trong hệ MBBR, các vật liệu mang ở trang thái chuyển động liên tục nên sự

va chạm liên tục giữa vật liệu mang với dòng nước thải làm tăng diện tích tiếp

13

xúc của vi sinh vat và nước thải Do đó, hiệu quả xử lý các chat ô nhiễm của

hệ thống được nâng cao

AnMBBR sử dụng cấu trúc dòng chảy ngược qua lớp đệm vi sinh yếm khí,nước thải đi vào qua hệ phân phối ở đáy bé phản ứng — nơi có lớp bùn day và vi sinh

có dang hạt, với dòng chảy từ dưới lên kết hợp với khí sinh hoc (biogas) hình thành

trong quá trình phân hủy yếm khí đóng vai trò khuấy trộn, đảm bảo tiếp xúc tốt giữa

vi sinh vật và nước thải AnMBBR có những ưu điểm như kết cau của hệ xử lý đơngiản, có khả năng hoạt động tốt trong điều kiện lưu lượng và tải trọng chất ô nhiễmcao và chi phí xử lý thấp Tuy nhiên, trong quá trình vận hành thì bé phản ứng yếmkhí AnMBBR còn gặp nhiều khó khăn như hay thất thoát bùn vi sinh

Do tốc độ sinh trưởng vi khuẩn yếm khí thấp và có năng suất kém hơn hệ hiếu

khí [56] Tuy nhiên yếu điểm này đã dần được khắc phục với những kỹ thuật yếm khí

hiện đại Các kĩ thuật yếm khí ngày nay chấp nhận được những tải lượng cao, từ hàngchục tới trên hang trăm kg/m°.ngày (tính theo COD) với hiệu suất xử lý đạt 70 — 90%[48] Theo nghiên cứu của Eckenfelder [36, 37], về nguyên tắc có ba nhóm kĩ thuậtyếm khí: (i) hệ phan ứng với vi sinh phân tan; (ii) hệ phan ứng với vi sinh cố định

trên vật liệu mang va (iii) hệ phản ứng với lớp bùn giả lỏng hoặc giãn nở Theo

Kassam Z.A, khi giá trị BOD trong nước thải vượt 1.000 mg/L thì hệ xử lý yếm khí

có ý nghĩa kinh tế hơn hệ xử lý bùn hoạt tính hiếu khí cả về mặt chi phí xây dựng cơbản lẫn phí vận hành và bảo trì [49] Quá trình yém khí xử lý tốn ít năng lượng hơn,sinh ra ít bùn thải hơn và chi phí xử lý thấp hon so với quá trình hiếu khí Hơn nữa

hệ xử lý yếm khí còn có tiềm năng thu hồi năng lượng dưới dang năng lượng tái tạo

là khí sinh học (biogas) Tuy nhiên, các quá trình yém khí có nhược điểm là năng suất

xử lý ở mật độ vi sinh thông thường không cao.

Trước đây, các loại vật liệu mang vi sinh thường là các vật liệu truyền thong

có nguồn gốc tự nhiên như gỗ, đá sỏi, xi than có diện tích nhỏ Nhung sau đó, cácloại vật liệu mang tự nhiên này dần được thay thế bởi các loại vật liệu nhân tạo hoặc

vật liệu tự nhiên đã biên tính Vật liệu mang vi sinh cân dam bảo các tính năng như:

14

trơ trong môi trường xử lý, không độc đôi với vi sinh vật, diện tích vê mặt lớn, độ

xôp cao, hệ mao quản hở, độ bên cơ học cao, nhẹ và đặc điêm rât quan trọng là tạo

được dòng chảy đều dé tăng khả năng tiếp xúc giữa màng vi sinh với cơ chat [83]

Các vật liệu mang có hình dạng và diện tích bề mặt khác nhau đã được phát

triển và ứng dụng trong các hệ MBBR dưới dạng các chất mang sinh học Hình dang,

tỷ trọng, điện tích được bảo vệ và thé tích khoảng hồng của chất mang là những yêu

tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý của hệ MBBR [86]

Bang 3 Đặc trưng của một số loại vật liệu mang vi sinh sw dụng trong công nghệ

Vòng nhựa (K3) 0,96 — 0,98 4x 025 800

Vong nhua (K5) 0,96 — 0,98 9x O25 500

Các vật liệu mang được thiết kế với nhiều hình dang khác nhau như hìnhvuông, hình tròn, hình cầu, Hình dạng có thể ảnh hưởng tới độ bền, sự dịch chuyên

và các điều kiện va chạm của vật liệu mang Tỷ trọng của vật liệu mang thường thấphơn nước khoảng 0,98kg/L do đó có thé lo lửng trong nước thải có gắn màng sinh

15

học mà không cần khuấy trộn mạnh Diện tích của vật liệu mang có thể dao động từ

300 đến hơn 1000 m2/m° tùy thuộc vào hình dang và cau trúc bên trong [86]

dạng xốp

Hình 1 Một số loại vật liệu mang

Về mặt bản chất vật liệu mang phổ biến được chế tạo từ polyester, polyetylen

(PE), polypropylen (PP), polyvinyl clorua (PVC), polyurethane (PU), [95] có diện

tích bề mặt riêng lớn, độ xốp > 80% Vật liệu xốp có diện tích bề mặt riêng rat lớn là

do bề mặt của hệ mao quản đóng góp, điện tích đó chỉ có thể được vi sinh sử dụng

khi hệ mao quản hở và có kích thước lớn hơn nhiều lần so với kích thước của vi sinhvật [4] Một sỐ loại vật liệu mang phổ biến trên thị trường có dạng hình bánh xe, hìnhtrụ, hình khối làm bằng nhựa PE, PP hay vật liệu xốp như PU

16

Các vật liệu mang là thành phần đóng vai trò rất cốt lõi trong hệ MBBR vì làphần quan trọng trong quá trình xử lý màng sinh học Hiệu suất của vật liệu mangảnh hưởng trực tiếp đến kết quả xử lý sinh hóa và chỉ phí chiếm tỷ trọng lớn trongviệc thiết lập hệ xử lý, do vậy việc lựa chọn vật liệu mang phù hợp có ý nghĩa képđối với cả mặt công nghệ và kinh tế Do đó, các vật liệu mang cần có những đặc điểm

cơ bản sau [15, 32, 70]:

e Độ bền cơ học cao, tỷ trọng gần với nước và có khả năng chảy theo dòng nước

e Vat liệu mang có thê cung cap diện tích bê mặt riêng cao cho sự bám dính va

phát trién của vi sinh vật, đê vật liệu mang duy trì sinh khôi cao.

e Đặc tính bề mặt của vật liệu mang đảm bảo dé vi sinh vật dé bám dính vào va

phát triển

e Có đủ khoảng trồng và màng sinh học sau thời gian dài có thể được tách khỏi

hệ thống một cách dễ dàng

e_ Không bi phân hủy bởi vi sinh vật cũng như không thé ức chế quá trình trao

đôi chat của vi sinh vật.

Trong nhiều năm gần đây, yêu cầu đầu ra về chất lượng nước thải của các nhàmáy xử lý nước thải ngày càng khắt khe, do đó việc nghiên cứu và phát triển các vậtliệu mang cần được chú ý Việc nghiên cứu và cải thiện các vật liệu mang chủ yếu

tập trung vào việc cải thiện diện tích bề mặt riêng, ái lực ưa nước và ái lực sinh học,

từ tính và các khía cạnh khác hoặc kết hợp hai vật liệu khác nhau của chất mang détối ưu các ưu điểm riêng của mỗi loại vật liệu Do đó mà các vật liệu mang có chức

năng cải thiện việc chuyền khối, bám dính màng vi sinh và xử lý nước thải [70]

Đối với hệ MBBR, hiệu suất bị ảnh hưởng đáng kể bởi ty lệ lap day vật liệumang Tỷ lệ lap day vật liệu mang được hiểu là tỷ lệ thé tích chiếm bởi vật liệu mangtrên tong thé tích của MBBR Tỷ lệ lap day vật liệu mang tăng lên trong MBBR giúptăng diện tích bề mặt cho quá trình hình thành mang sinh học [8] Lượng vật liệumang trong MBBR chủ yếu phụ thuộc vào đặc tính của vật liệu mang, thành phần và

17

tải trọng của nước thải cũng như kích thước và thiết kế của hệ Nhưng tỷ lệ này daođộng từ 20 đến 70% là tỷ lệ thích hợp đối với MBBR dé xử lý nước thải đô thị vànước thải công nghiệp [15, 81, 86, 96] Hiệu suất xử lý của MBBR bị ảnh hưởng bắtlợi khi thé tích vật liệu mang chiếm hon 70% vì sự chuyên động của vật liệu mangtrong cột phản ứng diễn ra khó khăn hơn do yêu cầu năng lượng cao hơn để các vậtliệu mang có thể được trộn liên tục [15].

Zhang và cộng sự (2016) đã nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ lap day vật liệumang đến hiệu suất của MBBR chứa vật liệu mang polyurethane hình khối (15x15x15mm) dé xử lý nước thải sinh hoạt nhân tạo Nghiên cứu cho kết quả loại bỏ tổng Ndat được là 77,2; 85,5 và 86,7% tương ứng với 10; 20 và 30% của thể tích vật liệumang đã chiếm [96]

Hiệu quả của tỷ lệ lap day vật liệu mang (trong khoảng 10 — 60%) đối với hệ

MBBR xử lý thuốc nhuộm đỏ Congo trong nghiên cứu của Sonwani và cộng sự(2020) đã được đánh giá Nghiên cứu đã phát hiện ra hiệu quả loại bỏ thuốc nhuộmđược cải thiện khi tỷ lệ lap day vật liệu mang tăng lên tới 45% nhưng khi tỷ lệ nàytăng lên thì không thấy hiệu suất xử lý được cải thiện hơn [81]

Nghiên cứu của Yuanzhe và cộng sự (2019) đã đánh giá ảnh hưởng của tỉ lệ

lấp đầy vật liệu mang PE đến hiệu quả loại bỏ nitơ trong nước thải bằng quá trình

khử nitrat trong hệ MBBR với thời gian lưu thủy lực 12 giờ Nghiên cứu chỉ ra tỷ lệ

khử nitrat với tỷ lệ lap đầy vật liệu mang 20, 30, 40 va 50% tương ứng là 8; 11,3;11,6 và 10 mg/L/ngay và đưa ra khuyên nghị tỷ lệ lap day vật liệu mang 30% làm tỷ

lệ tối ưu cho hệ MBBR khử nitrat [93]

1.2.1.2 Khái niệm màng sinh học

Các vi sinh vật có xu hướng hình thành các cụm/khuẩn lạc dé thúc đây sự pháttriển của sinh vật và tạo điều kiện tiếp cận thức ăn, v.v., bằng cách hình thành màngsinh học [83] Trong mang sinh học hoặc các hệ thong tăng trưởng gan lién, qua trinh

chuyền đổi vat chat hữu co hoặc chat dinh dưỡng dé tăng sinh khối xảy ra trên bề mặt

của vật liệu mang.

18

Màng sinh học được định nghĩa là một tập hợp các tế bào vi sinh vật được gankét không thé đảo ngược với một bề mặt được bao bọc trong một chất nền bao gồmchủ yếu là polysaccharide [34].

Rittmann cũng đưa ra định nghĩa tương tự: “màng sinh hoc là sinh khôi hoặc

tê bao của vi sinh vật được gan và nhúng trên bê mặt của chat nên hoặc vật liệu mang

rắn” [75]

Sự hình thành màng sinh học được tăng cường bởi lớp nền giúp giữ lại và pháttriển vi sinh vật Môi trường hỗ trợ có thể là đá, sỏi, cát, đất, 26, cao su, nhựa, các

chất keo tụ của chính sinh khối (hạt) hoặc vật liệu tng hợp khác [78, 83] Vật liệu

mang cung cấp một diện tích bề mặt lớn trên một don vị thể tích dé màng sinh họcphát triển Do vậy, việc lựa chọn vật liệu mang rất quan trọng dé duy trì một lượng

sinh khối hoạt động cao và duy trì các loại quần thể vi sinh vật khác nhau [62] Diệntích bề mặt lớn của màng sinh học tạo ra môi trường hấp thụ hiệu quả một lượng lớn

chất từ nước thải đầu vào Khi màng sinh học phát triển sẽ cung cấp môi trường sống

đa dạng dé các thành phần khác nhau như N, C của nước thải được chuyên hóa và

khoáng hóa Từ đó làm tăng hiệu quả loại bỏ chất hữu cơ trong nước thải

Màng sinh học có những đặc tính thích nghỉ với sự thay đổi của môi trườngbởi sự đa dạng của động đồng vi sinh vật, sự gắn kết của các tế bào, sự hình thành vàphát triển cấu trúc màng sinh hoc Cau trúc màng sinh học giúp vi sinh vật tồn taiđồng thời khả năng chuyền hóa các hợp chất nito, phốt pho trong việc xử lý [65]

1.2.2 Quá trình hình thành và vai trò của màng sinh học trong xử lý nước

thải 1.2.2.1 Quá trình hình thành màng sinh học

Có nhiều chế độ tăng trưởng màng sinh học, có thé mọc thành từng tam lớpphẳng, từng mảng không liên tục, từng cụm hoặc dạng cột [34] Nhưng nhìn chung,quá trình hình thành màng sinh học gồm 3 bước chính: Sự gắn kết của các vi sinh vật,

sự tang trưởng va phát triên của vi sinh vật và tách rời mang sinh học.

19

a) Sự gan két của vi sinh vật

Các vi sinh vật bám vào vật liệu nên, ví dụ như bề mặt của các chất mang trong

hệ MBBR bằng cách bám dính Bám dính là quá trình mà các vi sinh vật bám vào vàxâm chiếm trên bề mặt vật liệu mang thông qua quá trình vận chuyền, bám dính ban

đầu, bám dính chắc chắn và xâm chiếm Sau đó các vi sinh vật được vận chuyên đến

bề mặt vật liệu mang nhờ quá trình khuếch tán, đối lưu, lắng đọng do trọng lực vànhờ khả năng di chuyển tích cực của vi sinh vật [34] Các kết nối chặt chẽ giữa vi

sinh vật va vật liệu nền có thé được tạo thành dần dần nhờ các chất cao phân tử ngoại

bào (EPS) do vi sinh vật tạo ra EPS là một hỗn hợp của polysaccarit, protein và DNA

ngoại bào, giữ vai trò quyết định sự sắp xếp tế bào đồng thời tạo nên những kênh dẫn

truyền nước trong màng sinh học Các nhóm polyhydroxy] trong EPS hình thành các

liên kết hydro tạo điều kiện để vi sinh vật bám dính [34] EPS quyết định hoạt độngtrao đổi chất, độ đàn hồi, sức mạnh, độ khuếch tán, độ xốp và mật độ của màng sinh

học.

Hình 2 Các bước mình họa quá trình hình thành mang sinh học [86]

b) Sự tăng trướng và phát triển của vi sinh vật

Sau quá trình bám dính của vi sinh vật trên bê mặt vật liệu mang, sự hình thành

các vi khuẩn đơn lớp diễn ra Hiện tượng chuyên khối và bề mặt chi phối việc cung

cấp chất hữu cơ Sau khi chất nền được chuyên đến màng sinh học từ khối chất lỏng,

20

sẽ dần dần khuếch tán vào các màng sinh học và bắt đầu quá trình chuyên hóa Sự

vận chuyển khối lượng chất nền đến màng sinh học, tốc độ khuếch tán của chất nền

vào màng sinh học và động học của việc sử dụng trong màng sinh học quyết định tốc

độ sử dụng chất nền Một sự sắp xếp ba chiều được hình thành nhờ sự gắn kết của

màng sinh học với các mảnh vụn từ môi trường lân cận Năng suất tăng trưởng củachất nền cũng ảnh hưởng đến hiệu suất của quá trình màng sinh học Sự xâm nhập

của các vi khuẩn, sinh vật phù du mới cũng diễn ra và hình thành nên tập đoàn gồm

c) Tach rời mang sinh hoc

Su tách rời là một hiện tượng quan trong, trong đó các tế bào vi sinh vật có vỏbọc và không cuống được chuyên đổi thành các vi sinh vật phù du tự do ảnh hưởngđến sự ngừng hoạt động của sinh khối [34] Màng sinh học tách rời khỏi bề mặt làmột cơ chế tự nhiên, trong đó sinh khối (các tế bào riêng lẻ hoặc các khối tế bào)được giải phóng vào môi trường chất lỏng Màng sinh học cũng có thê bị ảnh hưởngbởi lực cắt thủy động lực học và các điều kiện môi trường khác như tiếp xúc với hóa

chất độc hại Một số cơ chế tách rời quan trọng là xói mòn sinh khối (do lực cắt thủy

động lực học), mài mòn sinh khối (cạo tế bào sinh học khỏi bề mặt do va chạm vớicác hạt bên ngoài), bong tróc (tách ra các mảng sinh khối lớn), ăn thịt động vật nguyênsinh (tách ra), sinh khối trên bề mặt bên ngoài của màng sinh học [34] Quá trình tách

21

rời hạn chê sự tích tụ và độ dày của màng sinh học và do đó cân băng sô lượng màng

sinh học được gan ở điều kiện trạng thái ồn định

Các loài khác nhau có thé được tìm thấy trong cùng một cụm màng sinh học

và có thé thay đổi từ sinh vật phát triển nhanh đến sinh vật không hoạt động, từ sinh

vật dị dưỡng đến sinh vật tự dưỡng tùy thuộc vào sự biến đổi của cơ chất, sự đột biến,

sự thay đổi của bộ gen và con đường truyền tín hiệu Do hạn chế của quá trình vậnchuyên oxy trong hệ thống sục khí nên màng sinh học có thé chứa các sinh vật hiểukhí, thiếu khí hoặc yếm khí cùng một lúc [79, 83]

Mang sinh học được hình thành tốt có thé có độ dày bat kỳ (từ vài chục pm tớihơn Iem) và phụ thuộc vào đặc tính của vật liệu mang, tai trọng hữu co đầu vào, môhình dòng chảy và cấu hình của hệ thống [67] Trong đó quá trình truyền khối trong

cấu trúc màng sinh học và giữa màng sinh học với chất lỏng là rất quan trọng đểtruyền khối hiệu quả [67, 69] Ví dụ, khả năng tiếp cận với các chất nền của màng

sinh học có thể được tăng lên bằng cách sục khí hoặc trộn cơ học để tăng cườngchuyên khối từ chất lỏng sang bề mặt màng sinh học Sự phát triển của màng sinhhọc bên trong và các lực bên ngoài như mài mòn cũng là những yếu tổ quan trọng đốivới hình thái, sự phát triển và hiệu quả của các quá trình hình thành màng sinh học

[86].

1.2.2.2 Vai trò cua màng sinh hoc trong xử ly nước thai

Việc ứng dụng hệ thống màng sinh học trong xử lý nước thải đang ngày càng

tăng do khả năng loại bỏ chất ô nhiễm khỏi nước thải và đã được chứng mình là đem

lại hiệu quả cả về khía cạnh chỉ phí và môi trường [12]

Các quá trình xử lý trong hệ MBBR phụ thuộc vào sự phát triển của màng sinhhọc Màng sinh học đã được sử dụng rộng rãi để loại bỏ các chất hữu cơ và vô cơ ra

khỏi các loại nước thải khác nhau bằng các cơ chế như phân hủy sinh học, tích lũy

sinh học, hấp thụ sinh học, khoáng hóa sinh học hay có định sinh hoc [12, 78]

22

Mặc dù màng sinh học gây ra các tác động bắt lợi trong các môi trường khácnhau nhưng vẫn được coi là có nhiều ưu điểm trong việc phân hủy sinh học các chất

ô nhiễm phức tạp [12] Có một số lợi ích của việc ứng dụng hệ thống màng sinh học

trong xử lý nước thải so với hệ thống tăng trưởng lơ lửng (như bùn hoạt tính) là quy

trình linh hoạt, yêu cầu không gian nhỏ hơn, thời gian lưu thủy lực thấp hơn, tăng khảnăng phục hồi trước những thay đổi của môi trường, thời gian giữ lại sinh khối caohơn, nồng độ sinh khối hoạt tính cao hơn cũng như sinh ra ít bùn hơn [20, 78]

Màng sinh học đã được ứng dụng dé xử lý nước thải từ rất lâu Bộ lọc nhỏ giọt

(trickling filters — TF), bộ tiếp xúc sinh học quay (rotating biological contactors —

RBCs) sử dung các màng sinh học hình thành trên các vật mang trung gian là các quy

trình tạo màng sinh học đang được áp dụng rộng rãi với chỉ phí thấp và bảo trì thấp

so với bùn hoạt tính [20, 78] Quá trình màng sinh học giá thể di động (Moving bed

biofilm process) được ứng dụng rộng rãi dé xử lý nước thải hữu cơ và vô cơ với hiệuquả cao, ít bảo trì và chi phí vận hành thấp [82] Hay hệ phản ứng màng sinh học có

sục khí (membrane-aerated biofilm reactor — MABR) đã được phat triển dựa trên một

màng sinh học có sục khí được gan vào sợi dé loại bỏ chat hữu cơ và amoni.

Trong quy mô phòng thí nghiệm, UAFF (Up-Flow Anaerobic Floating Filter)

là tích hợp của hệ thống dòng chảy ngược kết hợp với vật liệu hình khối xốp có kích

thước 1,5 x 1,5 x 1,5 cm đã được Chiemchaisri sử dụng dé lam chat mang cho vi sinh

vật và làm sạch chat ran lơ lửng trong điều kiện yếm khí dùng dé xử ly nước thải chăn

nuôi lợn, hiệu suất loại bỏ COD và SS tương ứng của nghiên cứu đạt 89 và 90% ở tải

trọng hữu cơ (theo COD) dao động trong khoảng 4,2 - 6,1 g/L.ngay [27].

Nhóm tác giả Ahmadlouydarab đã ứng dụng công nghệ MBBR dé xử lý nướcthải công nghiệp ở quy mô phòng thí nghiệm sử dụng chất mang K3 (là một loại vậtliệu mang được làm bằng HDPE có dạng hình bánh xe với đường kính và chiều cao

là 25 x 10 mm của Công ty Pakzist), với giá trị COD đầu vào 3.500 mg/L thì hiệusuất xử lý COD đạt trong khoảng 70 — 90% [9]

23

Nguyễn Trường Quân và cộng sự đã sử dụng hệ MMBR yếm khí quy môphòng thí nghiệm để loại bỏ các chất hữu cơ (sử dụng các thông số COD, BODs và

TSS) trong nước thải chăn nuôi lợn sử dụng 2 loại vật liệu mang PU và PE, tải trọng

hữu cơ đầu vào dao động từ 4 đến 10 g/L.ngày với nhiệt độ 35 + 2°C và pH duy trì

trừ 7,0 — 7,5 Kết qua của nghiên cứu cho thay hệ MBBR sử dụng vật liệu mang PUcho hiệu suất loại bỏ COD, BODs, TSS lần lượt là khoảng 67 — 69% và khoảng 55 —

65% ở tai trọng 4 và 6 g/L.ngay Trong khi đối với vật liệu mang PE, hiệu suất loại

bỏ COD, BODs và TSS cao hơn | chút ở tải trọng 6 g/L.ngay lần lượt là 71, 72,6 và

67% [71].

Một nghiên cứu của Nguyễn Thị Hà và cộng sự đã khảo át biến thiên thành

phần mơ (TN va N-NH¿”) và photpho (TP) trong hệ yếm khí sử dụng đệm vi sinh

chuyên động (MBR) và có định (FBR) sử dụng hai loại vật liệu mang PU và PE dé

xử ly nước thải chăn nuôi lợn ở quy mô phòng thí nghiệm với cột phản ứng có thétích 12L, tốc độ dòng 1L/gid, nhiệt độ 37 + 2°C, pH 7,1 — 7,5 và tai trọng hữu cơ đầu

vào dao động từ 4 đến 6 g/L.ngày Kết quả nghiên cứu chỉ ra vật liệu amng PU phù

hợp hơn dé loại bỏ TN, còn PE phù hợp cho hiệu quả TP tốt hơn [3]

1.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình hình thành màng sinh học

1.2.3.1 Vật liệu mang (giá thể)

Loại và đặc tính lý hóa của vật liệu mang ảnh hưởng tới sự gắn kết của màngsinh học [97, 99] Đặc tính bề mặt ảnh hưởng lớn đến khả năng bám dính của vi khuẩn

trên bề mặt Trong các bước đầu tiên của quá trình xâm lấn, độ nhám bề mặt ở cấp

độ nano và vi mô giúp tăng cường khả năng bám dính của vi khuẩn với chất nền bằngcách cung cấp nhiều diện tích bề mặt hơn đề gắn tế bào Độ nhám bề mặt làm giảm

lực cắt trên các tế bào vi khuẩn và quan thể có trong chất lỏng chảy ở tốc độ dòng

chảy cao, chang hạn như đường ống nước trong các nhà máy công nghiệp Một bề

mặt vật liệu tiếp xúc trong môi trường nước chắc chắn sẽ được điều hòa hoặc phủ bởicác polyme từ môi trường, và kết quả biến đổi hóa học sẽ ảnh hưởng đến tốc độ và

mức độ bám dính của vi sinh vật [78] Vật liệu mang thường có bề mặt điện tích âm,

24

làm cho vi khuẩn điện tích âm khó bám vào Ngoài ra, vi khuẩn thích bám trên các

bề mặt nhám hơn Vật liệu mang có bề mặt phẳng làm cho màng sinh học dễ dàng bịloại bỏ vì EPS không có khả năng xử lý tất cả các loại áp lực bên ngoài Do đó, các

khuẩn lạc của màng sinh học vẫn có thé bị mat ôn định và bị gián đoạn bởi dòng chảy

rối của chất lỏng Vì vậy, các chất mang màng sinh học có bề mặt uốn cong có thélàm tăng sự ồn định và gắn kết của màng sinh học [66] Ngoài ra, diện tích bề mặt

vật liệu và độ xốp cao tạo không gian sống tốt hơn cho vi sinh vật [97]

1.2.3.2 Ảnh hưởng của dinh dưỡng

Điều kiện dinh dưỡng là yếu tố chính đóng vai trò then chốt trong quá trìnhphát triển của vi sinh vật trong màng sinh học [34] Sự hình thành màng vi sinh thayđổi từ giàu đến không phát hiện được trong các điều kiện dinh dưỡng đa dạng Mang

vi sinh có thé phong phú và day hơn trong môi trường giàu chất dinh dưỡng vì thúc

đây quá trình chuyền đổi của tế bao vi sinh vật từ trạng thái sinh vật phù du sang trangthái màng sinh học Ngược lại, khi chất dinh dưỡng cạn kiệt gây ra sự tách rời các tếbao màng sinh học ra khỏi bề mặt [34, 78] Do đó, hiệu suất của hệ MBBR có thé

được tối ưu hóa bằng cách duy tri tải trọng hữu cơ đầu vào phù hợp dé tạo ra sự tương

tác hiệu quả giữa các vi sinh vật và các chất ô nhiễm [38] Tuy nhiên, có nghiên cứu

cho răng tải trọng hữu cơ đầu vào rất cao có thể làm giảm sự tương tác giữa các chất

ô nhiễm và vi sinh vật, dẫn đến vi sinh vật phát triển chậm [33] Thêm vào đó, tảitrọng hữu cơ đầu vào cao nghĩa là nồng độ cơ chất cao có thê gây ức chế cơ chất gây

độc cho vi khuẩn và làm cho hệ hoạt động kém hiệu quả [44, 53] Do đó, dinh dưỡngcung cấp cho vi sinh vật cũng cần được theo dõi và tối ưu hóa trong quá trình vận

hành dé màng vi sinh được hình thành và hiệu quả vận hành của hệ tốt nhất

1.2.3.3 Ảnh hưởng của pH

Bat kỳ sự thay đôi nào của độ pH cũng đều ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và

phát triển của vi khuẩn, hoạt động của enzym và sự hình thành màng sinh học [58,

78] vì pH có thé lắn at các cơ chế khác nhau và có tác động tiêu cực hoặc gây chếtcho vi sinh vật [78] Độ pH ảnh hưởng tới điện tích bề mặt của vi khuẩn Giá trị pH

25

pha lỏng cao hơn gây ra độ độ âm điện của bề mặt vi khuẩn do quá trình ozon hóaaxit amin Do đó ảnh hưởng tới sự bám dính của vi khuẩn với chất mang [43] Sựthay đối pH có thể ảnh hưởng rõ rệt đến sự phát triển của vi khuân Vi khuân phản

ứng với sự thay đôi của pH bên trong và bên ngoài bang cách điều chỉnh hoạt động

và tong hợp protein liên quan đến nhiều quá trình tế bào khác nhau Độ pH tối ưu désản xuất polysaccharide phụ thuộc vào từng loài riêng lẻ, tuy nhiên khoảng pH 7 là

đối với hầu hết các vi khuẩn [43]

1.2.3.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Hoạt động của vi sinh vật rất nhạy cảm với sự thay đối của nhiệt độ Nhiệt độtối ưu có ảnh hưởng tới khả năng hap thu chất đinh dưỡng của vi sinh vật dé tăng sinhkhối và hình thành nhanh chóng của màng sinh học Quá trình chuyên hóa chất dinh

dưỡng liên quan trực tiếp và phụ thuộc vào sự có mặt của các enzym Vì vậy, sự hình

thành của một màng sinh học phụ thuộc vào sự hiện diện và tốc độ phản ứng của cácenzym, những enzym này kiểm soát sự phát trién của nhiều hệ thống sinh lý và sinhhóa của vi khuẩn Nhiệt độ tương quan với tốc độ phản ứng của các enzym và do đó

có ảnh hưởng đến sự phát triển của tế bào Nhiệt độ tối ưu dẫn đến sự phát triển mạnh

của các quần thé vi khuẩn Ngược lại, nhiệt độ xa mức tối ưu làm giảm hiệu quả phát

triển của vi khuẩn Điều này là do giảm tốc độ phản ứng enzym của vi khuẩn [43]

Theo Bakar và cộng sự (2018), nhiệt độ ảnh hưởng đến độ bền của liên kết hydrocũng như sự phát triển và độ dài tương ứng của màng sinh học bám dính trên vật liệu

mang [15].

1.2.3.5 Thủy động lực học

Vùng tiếp giáp với nền có dòng chảy rối không đáng kể được gọi là lớp ranhgiới thủy động lực Trong khu vực này, tốc độ dòng chảy đã được chứng minh là

không đủ để loại bỏ màng sinh học Khu vực bên ngoài vùng này được đặc trưng bởi

mức độ dòng chảy rỗi cao và có ảnh hưởng đến sự gắn kết của các tế bào với bề mặt(sự bám dính của các vi sinh vật trên bề mặt) Kích thước của lớp ranh giới phụ thuộc

vào vận tôc dòng chảy của nước Ở vận tôc cao, lớp ranh giới giảm kích thước và các

26

tế bào tiếp xúc với mức nhiễu loạn cao Điều kiện thủy động lực học có thé ảnh hưởng

đến sự hình thành, cấu trúc, sản xuất EPS, độ dày, khối lượng và hoạt động trao đôi

chất của màng sinh học [34, 78]

1.2.3.6 Quy định gen và cảm biến đại biểu (QS)

Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng sự điều chỉnh tăng và giảm của một số gen cóliên quan đến sự gắn kết ban đầu của các tế bào với chất nền Tín hiệu giữa các tế

bào, còn được gọi là QS, đã được chứng minh là đóng một vai trò quan trọng trong

việc gan và tách tế bào khỏi màng sinh học Sự tăng trưởng và phát triển của mang

sinh học trên các bề mặt khác nhau được trung gian bởi tín hiệu hóa học phụ thuộc

vào mật độ được giải phóng bởi các tế bào vi khuẩn được tạo dày đặc với ma trậnEPS QS sử dụng protein kích hoạt phiên mã hoạt động phối hợp với các phân tử tínhiệu tự động kích thích (AI) nhỏ dé kích thích sự biểu hiện của gen mục tiêu, dẫn đếnthay đổi hành vi hóa học Sau khi tích lũy đủ AI, hình thức giao tiếp giữa các tế bàonay dùng dé phối hợp biêu hiện gen, sự khác biệt về hình thái và phản ứng phát triểncủa tế bào vi khuẩn [78]

1.2.3.7 Sản xuất các chất cao phân tử ngoại bào (EPS)

Các chất cao phân tử ngoại bào (EPS) là hỗn hợp phức tạp của các polyme cao

phân tử (Mw = 10.000) được tiết ra bởi vi sinh vật, các sản phẩm từ quá trình phângiải và thủy phân cũng như các chất hữu cơ hấp phụ từ nước thải EPS được chứngminh là một ma trận giàu polyme, bao gồm polysaccarit, protein, glycoprotein,oligomer DNA, phospholipid và axit humic chiếm từ 50% đến 90% tổng lượng

cacbon hữu cơ của màng sinh học [39] EPS cũng có khả năng ngậm nước cao vì có

thể kết hợp một lượng lớn nước vào cấu trúc bằng liên kết hydro Các EPS hỗ trợhình thành mạng lưới giống như gel giúp giữ vi khuẩn lại với nhau trong màng sinhhọc do kết nối với các cation đa hóa trị và tương tác ky nước Ngoài ra, EPS cũng gây

ra sự kết dính của màng sinh học với bề mặt, keo tụ và tạo hat, bảo vệ vi khuẩn chống

lại các điều kiện môi trường độc hại và cho phép vi khuân hấp thụ chất dinh dưỡng

27

từ môi trường xung quanh [98] Các màng sinh học khác nhau tạo ra lượng EPS khác

nhau và lượng EPS tăng theo tuổi của màng sinh học [72]

1.2.3.8 DNA ngoại bào (eDNA)

DNA ngoại bào (eDNA) là thành phần chính của các màng sinh học đơn và

đa loài khác nhau eDNA hay DNA tran là phan trung tâm của các chat cao phân tửngoại bào (EPS) do vi khuẩn tự sinh ra và có điểm tương đồng với DNA nhiễm sắcthé trong trình tự sơ cấp [78] Vai trò của DNA ngoại bào rat quan trong trong cácgiai đoạn khác nhau của quá trình hình thành màng sinh học, chang hạn như sự kếtdính, tập hợp và hình thành vi khuan ban đầu của nhóm vi khuẩn có lợi cho quá trình

xử lý nước thải DNA cũng giúp củng cô màng sinh học, bảo vệ màng sinh học khỏi

áp lực vật lý, kháng sinh và chat tay rửa cũng như đóng vai trò là nguồn dinh dưỡngtuyệt vời cho sự phát triển của màng sinh học [29]

1.2.3.9 Cation hóa trị 2

Các cation hóa trị 2 như Ca?* có nhiều trong môi trường trên cạn và dưới nước;nên canxi có thé là một trong những yếu tố mà vi khuẩn cảm nhận được trong quátrình tăng trưởng liên quan đến màng sinh học Một số nghiên cứu cho thấy rằng

eDNA tao chelate cho các cation hóa trị hai giúp sửa đôi các đặc tính bề mặt tế bào

vi khuẩn và từ đó tạo điều kiện thuận lợi cho khả năng kháng chất tay rửa và chatchống vi khuẩn của màng sinh học [68] Các cation hóa tri 2, chăng hạn như củacanxi, đóng một vai trò quan trọng trong sự gắn kết ban đầu của các tập hợp vi sinh

vật của bông bùn hoạt tính, hạt bùn yếm khí và màng sinh hoc bằng cách bắc cầu cho

các vị trí tích điện âm trên các polyme ngoại bào [31] Các nghiên cứu gan day da chi

ra rằng độ day của mang sinh học có thé được tăng cường bang cách đưa vào nhiều

cation hóa tri hai hơn, do đó mang sinh học trở nên dày đặc hơn và én định hơn về

mặt cơ học [30] Canxi đã được phát hiện không chỉ hoạt động như một đồng yếu tố

đối với một số protein mà còn hoạt động trong tín hiệu tế bào, tính độc của màng sinh

học, hình thành sản phẩm tế bào và ngoại bào và điều hòa alginate [77]

28

CHUONG 2 DOI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CUU2.1 DOI TƯỢNG VA PHAM VI NGHIÊN CỨU

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu

2.1.1.1 Nước thải chăn nuôi lợn

Mẫu nước đầu vào: mẫu thực tế lấy tại hộ chăn nuôi trang trại chăn nuôi ở

Vĩnh Phúc Nước thải được lây ngay sau lúc rửa chuông (bao gôm: phân, nước tiêu,

thức ăn dư thừa và nước rửa chuông), vị trí lây mẫu là hỗ ga phía sau chuông lợn với

tần suất lay mẫu 2 tuần/lần (gọi là nước thải tươi)

Khi vận hành hệ thí nghiệm, nước thải gốc được pha loãng dé dat giá tri COD

từ 1.000 đến 3.000 mg/L và được đưa vào hệ Nước thải đầu vào và đầu ra của hệđược lấy mẫu phân tích theo bảng 4

2.1.1.2 Vật liệu mang polyetylen (PE).

Vật liệu mang được sử dụng cho nghiên cứu là vật liệu mang bang nhua

polyetylen (PE) hình bánh xe Dưới đây là hình anh vật liệu mang:

Hình 4 Hình ảnh vật liệu mang vi sinh PE

Vật liệu mang PE được sản xuất tại Công ty cô phần Thiết bị Môi trường, Đại

học Bách Khoa Hà Nội.

29