Nghiên cứu hoàn thiện chế phẩm vi sinh vật ứng dụng cho phân hủy kỵ khí trong môi trường nước biển

Các hệ thống công nghệ xử lý kỵ khí như bể tự hoại, hầm biogas ở đây có hiệu quả kém do phải hoạt động trong môi trường có nồng độ muối cao nước biển được sử dụng để dội rửa, làm ức chế

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

ĐỖ THỊ THU HỒNG

NGHIÊN CỨU HOÀN THIỆN CHẾ PHẨM VI SINH VẬT

ỨNG DỤNG CHO PHÂN HỦY KỴ KHÍ TRONG

MÔI TRƯỜNG NƯỚC BIỂN

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Hà Nội – 2017

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 TS Đinh Thúy Hằng

2 PGS.TS Bùi Thị Việt Hà

Hà Nội - 2017

Lời cảm ơn

Trong suốt quá trình học tập nghiên cứu, em đã nhận được rất nhiều sự giúp

đỡ, chỉ bảo, động viên của thầy cô, gia đình và bạn bè

Lời đầu tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Đinh Thúy Hằng và

PGS.TS Bùi Thị Việt Hà - những người thầy đã luôn tận tình hướng dẫn, chỉ bảo,

truyền đạt cho em nhiều kinh nghiệm nghiên cứu quý báu, tạo mọi điều kiện giúp

em thực hiện luận văn này

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban lãnh đạo Viện Vi sinh vật và công

nghệ sinh học – ĐHQGHN, đặc biệt là tập thể cán bộ Phòng Sinh thái vi sinh vật

đã nhiệt tình giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất giúp em hoàn

thành tốt công việc

Em xin gửi lời cảm ơn đến Lãnh đạo, chỉ huy Trung tâm Nhiệt đới Việt Nga,

đặc biệt Phân viện trưởng Phân viện công nghệ sinh học – TS Nguyễn Thu Hoài

cùng các đồng nghiệp tại Phân viện công nghệ sinh học đã tạo điều kiện về thời

gian, kinh phí, cơ sở vật chất trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu

Qua đây, em xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô Khoa Sinh học, Trường Đại

học Khoa học Tự nhiên đã tận tình giảng dạy, truyền đạt nhiều kiến thức khoa học

quý báu cho em trong 2 năm học qua

Cuối cùng, em xin dành tình cảm đến gia đình, người thân, bạn bè những

người luôn ủng hộ, động viên, chia sẻ giúp em vượt qua những khó khăn trong quá

trình học tập, nghiên cứu

Hà Nội, ngày 12 tháng 12 năm 2017

Học viên

Đỗ Thị Thu Hồng

1.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý kỵ khí chất thải hữu cơ ở môi

1.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hình thành và ổn định bùn kỵ khí 19

1.4 Công nghệ xử lý chất thải hữu cơ bằng phân hủy kỵ khí 25

1.5 Sự cần thiết nghiên cứu tạo chế phẩm vi sinh hỗ trợ công nghệ phân hủy

1.6.2 Ứng dụng của công nghệ màng vi bao trong xử lý môi trường 30 1.6.3 Công nghệ màng vi bao trong xử lý chất thải hữu cơ 32

Chương 2 – VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 34

2.1 Vật liệu nghiên cứu 34

2.2.2 Kiểm tra độ ổn định của chế phẩm BKMA trong quá trình bảo quản 35 2.2.3 Thiết lập mô hình xử lý chất thải chăn nuôi trong phòng thí nghiệm 36

3.2.3 Đánh giá mật độ tế bào và hoạt tính sinh methane của vi sinh vật trong

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN

DANH MỤC BẢNG

1.1 Lượng methane tạo ra theo lý thuyết đối với một số chất thải hữu cơ 22 1.2 Các công nghệ xử lý chất thải hữu cơ bằng phân hủy kỵ khí 25 1.3 Ưu nhược điểm của công nghệ màng vi bao với vi sinh vật 29 1.4 Một số ứng dụng của công nghệ màng vi bao trong xử lý môi trường 30

2.2 Nồng độ CH4 sử dụng trong xây dựng đường chuẩn 43 2.3 Các chỉ tiêu phân tích nước thải và phương pháp tương ứng 45 3.1 Kết quả phân tích chất lượng nước thải đầu ra ở mô hình 50 lít 64

2.2 Xử lý chất thải chăn nuôi trong mô hình phòng thí nghiệm thể tích

2.3 Mô hình xử lý liên tục chất thải chăn nuôi quy mô 50 lít 37

2.4 Nguyên lý của phương pháp cột nước xác định tổng thể tích khí

Cây phát sinh chủng loại Neibour joining dựa trên trình tự đoạn

gen 16S rDNA của các băng DGGE và các loài gần gũi đã công bố

trên GenBank

51

3.5 Hoạt tính sinh methane của bùn kỵ khí BKM theo thời gian 52

3.6 So sánh chỉ số SVI của bùn kỵ khí BKM trước và sau nhân nuôi 53 3.7 Bùn giống ban đầu và bùn kỵ khí sau nhân nuôi 54

3.8 Phân bố kích thước của bùn kỵ khí BKM giống và bùn sau quá

3.9 Chế phẩm vi sinh BKMA chứa bùn kỵ khí BKM vi bao trong

3.10 Biến đổi về mật độ vi khuẩn và methanogen trong hạt BKMA

3.11 Hoạt tính sinh methane riêng của bùn theo thời gian 59

3.12 Sự biến động COD và tốc độ sinh khí theo thời gian ở mô hình mẻ

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

BOD Biological Oxygen Demand Nhu cầu oxy sinh học

BSA Bovin serum albumin Albumin huyết thanh bò COD Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hóa học

DGGE Denaturing Gradient Gel

Electrophoresis

Điện di biến tính

HRT Hydraulic Retention Time Thời gian lưu nước thải MPN Most Probable Number Số có xác suất lớn nhất OLR Organic Loading Rate Tải trọng hữu cơ

SMA Specific Methanogenic Activity Hoạt tính sinh methane SRB Sulfate Reducing Bacteria Vi khuẩn khử sulfate

SVI Sludge Volume Index Chỉ số thể tích bùn lắng

TSS Total Suspended Solids Tổng chất rắn lơ lửng

TDS Total Dissolved Solids Tổng chất rắn hòa tan

UASB Upflow Anaerobic Sludge Blanket Bể xử lý sinh học dòng chảy

ngược qua tầng bùn kỵ khí VFA Volatile Fatty Acids Axit béo bay hơi

VSS Volatile Suspended Solid Chất rắn lơ lửng dễ bay hơi

MỞ ĐẦU

Việt Nam có một vùng biển đặc quyền kinh tế trên 1.000.000 km2 với hơn 3.000 đảo lớn, nhỏ, và bờ biển kéo dài trên 3.260 km Đây là những tiền đề cho phép hoạch định một chiến lược biển phù hợp với xu thế phát triển của một quốc gia biển Tuy nhiên, theo đánh giá của Bộ Tài nguyên và Môi trường, môi trường biển đang bị ô nhiễm trầm trọng mà nguyên nhân là do phát triển công nghiệp, du lịch tràn lan; nuôi trồng thủy sản bất hợp lý; thể chế, chính sách quản lý môi trường còn bất cập,…12 Khoảng 80% lượng rác thải trên biển có nguồn gốc từ đất liền, gồm nước thải từ các nhà máy, xí nghiệp, khu công nghiệp, khu dân cư, chất thải rắn không qua xử lý được đưa ra các con sông ở vùng đồng bằng ven biển hoặc xả thẳng ra biển [58] Đơn cử hoạt động nuôi trồng thủy sản cũng làm phát sinh đáng

kể lượng chất thải hữu cơ trực tiếp đưa ra biển Bình quân một ha nuôi tôm thải ra môi trường khoảng 5 tấn chất thải rắn và hàng chục nghìn m3 nước thải trong một

vụ nuôi Với tổng diện tích nuôi tôm hơn 600 nghìn ha trên cả nước, mỗi năm sẽ có gần 3 triệu tấn chất thải hữu cơ thải ra môi trường 10

Bên cạnh vai trò to lớn trong phát triển kinh tế, khu vực biển và hải đảo còn có

ý nghĩa chính trị và quân sự quan trọng Hiện nay quân đội có nhiều đơn vị đóng quân ở các vùng ven biển và hải đảo Với quân số lớn cùng các hoạt động tăng gia sản xuất, các đơn vị này thường gặp khó khăn trong việc xử lý lượng lớn các chất thải hữu cơ từ người và động vật để đảm bảo vệ sinh môi trường trong khu vực đóng quân cũng như môi trường biển nói chung [7] Các hệ thống công nghệ xử lý

kỵ khí như bể tự hoại, hầm biogas ở đây có hiệu quả kém do phải hoạt động trong môi trường có nồng độ muối cao (nước biển được sử dụng để dội rửa), làm ức chế quá trình phân hủy tự nhiên Chất thải hữu cơ tích tụ lâu ngày không được xử lý là mối nguy hại cho sức khỏe con người và môi trường sinh thái Khảo sát thực tế cho thấy tại các đơn vị bộ đội đóng quân ven biển và hải đảo, chất thải sinh hoạt hữu cơ đang được thu gom tại chỗ và xử lý bằng những biện pháp đơn giản như chôn lấp, ủ compost với sự hỗ trợ của một số chế phẩm vi sinh hiếu khí Tuy nhiên, các biện pháp đang sử dụng mới chỉ giải quyết được một phần nhỏ chất thải là rác hữu cơ,

còn lại một lượng lớn chất thải dạng lỏng từ hệ thống nhà tiêu và các hoạt động chăn nuôi gia súc gia cầm vẫn chưa được xử lý tới kết quả mong muốn vì thiếu công nghệ phù hợp [6] Việc nghiên cứu đưa ra giải pháp cải thiện hiệu quả của công nghệ xử lý chất thải hữu cơ theo nguyên lý kỵ khí mang tính cấp thiết, nhằm

xử lý hiệu quả các nguồn chất thải sinh hoạt và chăn nuôi, tạo điều kiện phát triển kinh tế và giữ gìn an ninh quân sự ven biển và hải đảo

Vi sinh vật là yếu tố chính trong công nghệ xử lý kỵ khí Vì vậy, việc tạo nguồn vi sinh vật có hoạt tính cao, thích nghi tốt với môi trường nước mặn có thể cải thiện một cách đáng kể hiệu quả hoạt động của các hệ thống xử lý kỵ khí hiện nay ở ven biển và hải đảo Kế thừa kết quả nghiên cứu của tiến sỹ Nguyễn Thu Hoài

về xây dựng tổ hợp vi sinh vật sinh methane BKM có hoạt tính cao ở điều kiện nước mặn, trong luận văn thạc sỹ này chúng tôi tiến hành nghiên cứu tạo ra chế phẩm vi sinh từ tổ hợp BKM nói trên để khởi động, khắc phục sự cố khi vận hành

và nâng cao hiệu quả xử lý của các hệ thống xử lý kỵ khí trong môi trường nước

mặn Đề tài: “Nghiên cứu hoàn thiện chế phẩm vi sinh vật ứng dụng cho phân hủy kỵ khí trong môi trường nước biển” có các mục tiêu như sau:

- Nghiên cứu tạo chế phẩm vi sinh vật có hoạt tính sinh methane ổn định trong thời gian dài ở điều kiện nước mặn để hỗ trợ các hệ thống xử lý kỵ khí hoạt động trong môi trường nước biển

- Thử nghiệm chế phẩm để xử lý chất thải chăn nuôi trong môi trường nước biển trên mô hình xử lý kỵ khí 50 lít tại phòng thí nghiệm đảm bảo nước thải đầu ra đạt chuẩn theo QCVN 62 – MT:2016/BTNMT

Chương 1 – TỔNG QUAN 1.1 Tình trạng ô nhiễm chất thải hữu cơ ở khu vực ven biển và hải đảo

Ô nhiễm biển cũng như tất cả các loại ô nhiễm khác đều có nguồn gốc từ tự nhiên và nhân tạo, trong đó các nguyên nhân nhân tạo bao giờ cũng gây ra những tác hại to lớn và để lại hậu quả nặng nề Công ước Luật biển 1982 đã chỉ ra 5 nguồn

ô nhiễm biển gồm (i) các hoạt động trên đất liền, (ii) thăm dò và khai thác tài nguyên thềm lục địa và đáy đại dương, (iii) thải các chất độc hại ra biển, (iv) vận chuyển hàng hóa trên biển và (v) ô nhiễm không khí [74]

Trên thế giới, mặc dù đã có hơn 60 nước xây dựng chương trình hành động quốc gia để ngăn chặn những nguồn ô nhiễm biển xuất phát từ đất liền, song kết quả đạt được không bù đắp nổi những thiệt hại do tình trạng bùng nổ dân số, quá trình

đô thị hóa và công nghiệp hóa quá nhanh tại các vùng duyên hải Theo báo cáo của Chương trình môi trường Liên Hiệp Quốc, khoảng 80% chất gây ô nhiễm biển có nguồn gốc từ đất liền và chiều hướng này có thể tăng lên đáng kể vào năm 2050 Ở khu vực Châu Á, có đến 90% lượng nước thải đổ thẳng xuống biển mà không qua

xử lý Bên cạnh việc hứng chịu nguồn chất thải từ các nhà máy đặt tại vùng ven biển, vùng biển Nam và Đông Á còn phải tiếp nhận 2/3 khối lượng đất và phù sa gây ảnh hưởng trầm trọng đến các hệ sinh thái ven biển [26,76]

Hình 1.1 Tình trạng ô nhiễm chất thải khu vực ven biển và cửa sông

(A – Phillipin [61], B – Đà Nẵng, Việt Nam [10])

Ở Việt Nam, các khu vực sinh hoạt và phát triển kinh tế ven biển và hải đảo hầu như chưa có hệ thống xử lý nước thải đồng bộ, nên nước thải chủ yếu được xả

thẳng ra các sông hồ rồi đưa ra biển mà không qua xử lý 5 Các loại chất ô nhiễm theo sông ngòi mang ra biển rất đa dạng, như dầu mỏ và các sản phẩm dầu, nước thải, phân bón nông nghiệp, thuốc trừ sâu, chất thải công nghiệp, chất thải phóng xạ

và nhiều chất ô nhiễm khác Đặc biệt, ô nhiễm bởi chất hữu cơ trong nước biển ven

bờ đã và đang diễn ra phổ biến ở các tỉnh, thành phố ven biển và ngày càng trở nên nghiêm trọng Hàm lượng COD, NH4 tại hầu hết các khu vực biển trong giai đoạn 2011-2015 được phát hiện ở mức cao vượt ngưỡng QCVN (mục đích nuôi trồng thủy sản và bãi tắm), đặc biệt là ở khu vực biển phía Bắc và miền Nam [10].Theo các kết quả khảo sát gần đây, tại vùng biển Phú Yên, với chiều dài bờ biển khoảng

189 km, trong 18 000 hộ dân sinh sống ở đây chỉ có 10% số hộ có nhà vệ sinh Bên cạnh đó, hệ thống sông ngòi mỗi năm đổ ra biển khoảng 12 tỷ m3 nước cùng với chất thải công nghiệp, nông nghiệp, chất thải sinh hoạt hoặc các chất độc hại khác trong quá trình khai thác khoáng sản góp phần làm tăng sự ô nhiễm [12] Tại Nha Trang, mực nước ven bờ của các khu dân cư thường có độ nhiễm bẩn rất cao Kết quả khảo sát tại một số khu dân cư tập trung đông là Tây Hải, Cửa Bé và Cồn Giữa cho thấy hàm lượng N và muối phosphate rất cao, hiện tượng nở hoa của tảo gây hại thường xuyên được ghi nhận Ngoài ra, vịnh Nha Trang cũng chịu áp lực ngày càng tăng của các chất thải qua sông Cái đổ ra biển Lưu vực sông Cái có đến nửa triệu dân sinh sống, phần lớn chất thải sinh hoạt được trực tiếp đưa vào môi trường nước không qua xử lý Hoạt động nuôi trồng thủy sản tập trung (như nuôi trên cát, nuôi trong lồng bè) đã và đang xả ra biển một lượng lớn các chất hữu cơ phú dưỡng, chất độc hại, mầm bệnh…làm suy thoái môi trường biển, bùng nổ dịch bệnh và gây thiệt hại đáng kể về kinh tế cũng như điều kiện môi trường sinh thái [10]

1.2 Phân hủy kỵ khí chất hữu cơ ở môi trường nước biển

Phân hủy kỵ khí các hợp chất hữu cơ để tận thu năng lượng dưới dạng khí sinh học (biogas) được biết đến từ giữa thế kỷ 19 và được nghiên cứu rộng rãi từ những năm đầu thế kỷ 20 [19] Nhờ đặc tính hữu hiệu trong việc xử lý chất thải hữu

cơ dạng rắn và lỏng, đồng thời tận thu năng lượng ở dạng khí methane, công nghệ khí sinh học đang được áp dụng tại nhiều nơi trên thế giới Ở các nước phát triển,

biogas được sản xuất ở quy mô công nghiệp và sử dụng các nguồn chất thải phong phú, bao gồm rác sinh hoạt, bùn thải, chất thải lỏng từ các nhà máy chế biến thực

phẩm hay lò giết mổ [3] Gần đây, một số loại rong biển như Macrocystis sp., Laminaria sp., Gracillaria sp., Sargassum sp., Ulva sp đang được thử nghiệm làm

nguyên liệu để sinh năng lượng ở dạng khí methane thông qua phân hủy kỵ khí [71,75] Thành công bước đầu trong lĩnh vực này đã mở ra ngành nuôi trồng và khai thác nguồn sinh khối rong biển cho phát triển năng lượng tại Trung Quốc, Ấn Độ, Nhật Bản

Ở Việt Nam, dự án “Chương trình khí sinh học cho ngành chăn nuôi Việt Nam” do Cục Chăn nuôi, thuộc Bộ NN & PTNT và Tổ chức hợp tác phát triển Hà Lan thực hiện đã thành công trong việc đưa công nghệ biogas ở quy mô hộ và nhóm

hộ gia đình để quản lý và xử lý chất thải chăn nuôi, đồng thời tận thu nguồn năng lượng từ chất thải [3] Tuy nhiên, ở điều kiện nhiệt độ thấp (miền núi) hay điều kiện nước mặn (vùng biển và hải đảo) chương trình này chưa được triển khai do mức hiệu quả kèm của công nghệ ở các điều kiện đặc thù này Luận án tiến sỹ của tác giả Nguyễn Thu Hoài (2015) là nghiên cứu đầu tiên về nhóm cổ khuẩn sinh methane ở môi trường biển nhằm định hướng ứng dụng cho công nghệ xử lý kỵ khí chất thải hữu cơ tại đây Tác giả đã xây dựng được tổ hợp vi sinh vật BKM có hoạt tính cao ở môi trường có nồng độ muối từ 10 – 30 g/L để khởi động nhanh và vận hành ổn định các mô hình phân hủy kỵ khí xử lý chất thải hữu cơ trong môi trường nước

biển Tác giả cũng đã xác định được Methanosarcina spp là nhóm methanogen

chiếm ưu thế trong tổ hợp BKM [6] Tuy nhiên, một chế phẩm sinh học có hoạt tính

ổn định ở điều kiện nước mặn cần được nghiên cứu phát triển từ nguồn methanogen nói trên để có thể đưa kết quả khoa học này vào ứng dụng trong thực tế

1.2.1 Ưu nhược điểm của phân hủy kỵ khí

Xử lý chất ô nhiễm cacbon hữu cơ trong nước thải được thực hiện theo nguyên lý phân hủy sinh học hiếu khí hoặc kỵ khí Biện pháp hiếu khí dựa vào hoạt động của các vi sinh vật hiếu khí, có nhu cầu về oxy cao và thường diễn ra ở nhiệt

độ trong khoảng 20 đến 40oC So với quá trình phân hủy hiếu khí, quá trình kỵ khí (Hình 1.2) có nhiều ưu điểm như sau [19, 45]

- Phân hủy kỵ khí sử dụng CO2 sẵn có trong môi trường làm chất nhận điện

tử, không có nhu cầu về oxy từ bên ngoài, do vậy làm giảm giá thành xử lý nước/chất thải một cách đáng kể

- Lượng bùn tạo ra trong phân hủy kỵ khí thấp hơn nhiều so với hiếu khí (3 –

20 lần) do sinh khối tạo ra ít (hiệu suất sinh năng lượng từ vi khuẩn kỵ khí thấp) Nếu như trong hô hấp hiếu khí, 50% cacbon hữu cơ được chuyển thành sinh khối thì trong hô hấp kỵ khí chỉ có 5%

- Phân hủy kỵ khí tạo sản phẩm cuối cùng là methane có nhiệt năng cao, được sử dụng như một nguồn năng lượng xanh Chỉ có khoảng 3 – 5% cơ chất bị thất thoát dưới dạng nhiệt

- Phân hủy kỵ khí thích hợp với các loại nguồn thải có hàm lượng hữu cơ rất cao và có thể vận hành với tải trọng hữu cơ lớn

- Vi sinh vật kỵ khí trong hệ thống tồn tại theo tổ hợp ở dạng hạt bùn, có độ bền cao về hoạt tính và mức sống sót, thậm chí khi hệ thống xử lý ngừng hoạt động trong thời gian dài

Hình 1.2 Chuyển hóa cacbon hữu cơ trong phân hủy hiếu khí (A) và kỵ khí (B) [25]

Tuy nhiên, bên cạnh những ưu thế này, phân hủy kỵ khí còn bộc lộ một số nhược điểm như:

- Quy trình phân hủy kỵ khí diễn ra chậm hơn so với hiếu khí và thường mẫn cảm với nhiều yếu tố trong môi trường như nhiệt độ, pH, VFA, các kim loại nặng

- Bước khởi động của toàn bộ quá trình thường kéo dài, do vậy nguồn vi sinh vật có hoạt tính cao (như bùn bể tự hoại, bùn hoạt tính hay chế phẩm vi sinh) thường được sử dụng để rút ngắn quá trình này

Mặc dù vậy, với những ưu điểm vượt trội kể trên, các công nghệ xử lý chất thải dựa theo nguyên lý phân hủy kỵ khí đã và đang được ứng dụng rộng rãi tại nhiều quốc gia trên thế giới

1.2.2 Bản chất sinh học của phân hủy kỵ khí

Phân hủy kỵ khí là quá trình chuyển hóa sinh học trong điều kiện không có oxy với sự tham gia của nhiều nhóm vi sinh vật có quan hệ mật thiết với nhau theo hình thức chuỗi thức ăn, đảm bảo phân hủy chất hữu cơ cao phân tử thành methane

và CO2 (Hình 1.3) Toàn bộ quá trình phân hủy gồm bốn pha, (i) thủy phân, (ii) pha lên men sinh axit, (iii) pha sinh acetate và (iv) pha sinh methane [66]

Hình 1.3 Các bước chuyển hóa sinh học của quá trình phân hủy kỵ khí sinh methane[16]

Pha 1 - Thủy phân (Hydrolysis)

Quá trình thủy phân do các vi khuẩn kỵ khí và kỵ khí tùy tiện (như

Streptococcus và Enterobacterium) thực hiện, bẻ gãy các chất hữu cơ cao phân tử

(protein, polysaccharid, lipid) thành các đơn phân tan trong nước như axit amin, đường đơn, peptid [47] Tốc độ quá trình thủy phân phụ thuộc vào kích thước và bản chất hóa học của các cao phân tử hữu cơ, cũng như pH môi trường, khả năng sinh enzyme của vi khuẩn và ái lực của enzym đối với chất thải Đối với chất thải chứa các hợp chất cao phân tử có độ bền cao (lignocellulose, chitin), quá trình thủy phân có thể được hỗ trợ bằng bước tiền xử lý hóa lý như nhiệt độ, axit [22]

Pha 2 – Lên men sinh axit (Acidogenesis)

Bước lên men sinh axit do các loài vi khuẩn lên men như Bacillus, Clostridium, Micrococcus, Flavobacterium chuyển hóa các sản phẩm của quá trình

thủy phân (đường đơn, axit amin và axit béo) thành các axit hữu cơ mạch ngắn (axit propionic, axit butyric ), rượu (methanol, ethanol), aldehyde, CO2 và H2 [73] Quá trình lên men có thể diễn ra theo 2 con đường hydro hóa và dehydro hóa phụ thuộc vào loài acidogen cũng như điều kiện lý hóa (nhiệt độ, pH, thế oxy hóa khử) trong bể phản ứng [16, 42] Trong đó, con đường hình thành acetate, CO2 và H2 phổ biến và chiếm ưu thế hơn Tuy nhiên, sự tích lũy cao của H2 có thể dẫn đến sự hình thành các sản phẩm mới như: lactate, propionate, butyrate

Pha 3 – Sinh acetate (acetogenesis)

Vi khuẩn acetogen như Syntrobacter và Syntrophomonas chuyển hóa các

axit béo mạch ngắn (như axit propionic, butyric) và rượu thành acetate, H2 và CO2 [41, 46] Sản phẩm trao đổi chất của vi khuẩn acetogen là nguồn cơ chất trực tiếp cho methanogen hoạt động Để có thể chuyển hóa được các axit béo, vi khuẩn acetogen cần có điều kiện áp suất cục bộ của H2 trong môi trường ở mức rất thấp,

do vậy quan hệ cộng sinh chặt chẽ với các methanogen là nhằm duy trì điều kiện này (Hình 1.4) [36] Ethanol, axit propionic và butyric được vi khuẩn acetogen chuyển hóa thành axit acetic theo các phương trình phản ứng như sau:

CH3CH2OH (ethanol) + H2O  CH3COOH (axit acetic) + 2H2

CH3CH2COOH (axit propionic) + 2H2O  CH3COOH (axit acetic) + CO2 + 2H2

CH3CH2COOH (axit butyric) + 2H2O  2CH3COOH (axit acetic) + 2H2

Hình 1.4 Vi khuẩn acetogen và cổ khuẩn methanogen hỗ trợ nhau trong quá trình sinh

trưởng: acetogen cung cấp H2, methanogen ngăn cản tích lũy H2 nhờ tiêu thụ H2 trong quá

trình sinh methane [29]

Pha 4 – Sinh methane (methanogenesis)

Methanogen đóng vai trò then chốt của toàn bộ quá trình phân hủy kỵ khí để tạo thành CH4 và CO2 Cơ chất phù hợp cho nhóm vi sinh vật này là formate, methanol, acetate, methylamine, CO, và H2 Một số methanogen có thể sử dụng ethanol, 2-propanol, 2-butanol và keton Methanogen được chia thành 3 nhóm chính dựa trên nguồn cơ chất sử dụng, gồm có (i) ưa hydro, (ii) ưa acetate và (iii) ưa methanol, trong đó hai nhóm đầu đóng vai trò cốt yếu trong quá trình chuyển hóa chất hữu cơ thành methane

Methanogen ưa hydro (Hydrogenotrophic methanogen)

Methanogen phát triển dựa trên nguồn năng lượng tự do từ quá trình khử CO2 thành CH4 sử dụng H2 làm chất cho điện tử:

CO2 + 4H2  CH4 + 2H2O (ΔG0 =  131 kJ/mol CH4)

Hoặc sử dụng format và CO trong hỗn hợp CO2 + H2, khi đó các chất này được oxy hoá thành CO2 trước khi bị khử thành CH4:

4HCOOH  CH4 + 3CO2 + 2H2O (ΔG0 =  135,6 kJ/mol CH4)

4CO + 2H2O  CH4 + 3CO2 (ΔG0 =  211 kJ/mol CH4)

Các chi thường gặp gồm có Methanobacterium, Methanobrevibacter, Methanococcus, Methanomicrobium, Methanogenium [45]

Methanogen ưa acetate (Aceticlastic methanogen)

Methanogen sử dụng acetate làm nguồn cơ chất chủ yếu thuộc hai chi

Methanosarcina và Methanosaeta (trước đây gọi là“Methanothrix”)

CH3COOH  CH4 + CO2 (ΔG0=  37 kJ/mol CH4)

Methanosarcina spp linh hoạt nhất về sử dụng cơ chất, có khả năng tạo

methane từ hầu hết các nguồn cơ chất phù hợp, trừ rượu bậc hai Methanogen ưa

acetate là nhóm chính chiếm ưu thế trong bể phân hủy kỵ khí, góp phần tạo ra  2/3 lượng methane trong bể, chỉ có 1/3 còn lại có nguồn gốc từ H2 và CO2 [39]

Methanosaeta spp có đặc điểm chỉ sử dụng acetate, chiếm tỷ lệ cao trong tự

nhiên và trong các bể lên men kỵ khí ở nhiều điều kiện khác nhau như nước ngọt,

nước mặn, nhiệt độ cao Dựa trên phân tích trình tự 16S rDNA Methanosaeta trong

trầm tích biển được phát hiện khá phong phú, ở tỷ lệ từ 3,9% đến 11,8% của tổng số

cổ khuẩn Tỷ lệ của Methanosaeta càng cao khi càng xuống sâu trầm tích Như vậy

quá trình sinh methane từ acetate diễn ra rất phổ biến trong môi trường nước biển, nơi cũng diễn ra quá trình khử sulfate rất cao [52]

Hình 1.5 Methanosarcina acetivorans (trái) và Methanosaeta thermophila (phải) [66]

1.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý kỵ khí chất thải hữu cơ ở môi trường nước biển

Trong khi tình hình ô nhiễm ở các vùng ven biển đang ngày càng gia tăng (đặc biệt là ô nhiễm chất thải hữu cơ từ sinh hoạt và nuôi trồng thủy sản), gây ảnh hưởng trầm trọng đến môi trường sinh thái, thì các công nghệ xử lý kỵ khí thường

áp dụng ở điều kiện nước ngọt như bể tự hoại, UASB, bể biogas, AF lại kém hiệu quả và không đáp ứng được nhu cầu thực tế Bên cạnh những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy kỵ khí nói chung như pH, hàm lượng VFA, hàm lượng nitơ ammonia và các kim loại nặng…, quá trình phân hủy chất hữu cơ kỵ khí ở điều kiện nước biển còn bị kiểm soát bởi một số yếu tố đặc thù như hàm lượng muối cao, sự cạnh tranh của vi khuẩn khử sulfate (SRB) có mặt phổ biến trong nước biển, nguồn methanogen [55], cụ thể như sau:

Độ mặn So với môi trường nước ngọt thông thường, phân hủy kỵ khí trong môi

trường nước mặn (10 - 47,2 g NaCl/l) kém thuận lợi hơn do hoạt tính của vi sinh vật thấp hơn rất nhiều Mori và cộng sự (2012) đã chứng minh nồng độ NaCl từ 12 g/l trong nước thải sẽ làm chậm quá trình phân hủy các chất hữu cơ của vi sinh vật [49] Theo Raposo (2011), tại điều kiện nhiệt độ thuận lợi (35C) methanogen ưa mặn có khả năng loại tới 80% COD trong chất thải với hiệu suất 5 - 6,2 kg/m3/ngày tại nồng độ muối 35 g/l, tuy nhiên ở nồng độ muối cao hơn 37 g/l hiệu suất chỉ còn

3 kg COD/m3/ngày Do vậy, trong phân hủy kỵ khí các nguồn cơ chất có hàm lượng muối cao như bùn thải đầm nuôi thủy sản hay rong biển, thường bổ sung nước ngọt vào hỗn hợp phản ứng để để giảm ảnh hưởng của nồng độ muối cao trong nước biển tới hoạt động của vi sinh vật [60]

Cạnh tranh của vi khuẩn khử sulfate Sự cạnh tranh của vi khuẩn khử sulfate

(SRB) cũng là yếu tố quan trọng làm giảm hiệu suất của quá trình lên men kỵ khí ở nước lợ và nước biển Trong môi trường biển, sulfate là chất nhận điện tử quan trọng thứ hai sau oxy (với hàm lượng 28 mM), do vậy SRB là nhóm vi sinh vật chiếm ưu thế ở đây Về mặt nhiệt động học, quá trình khử sulfate tích lũy được

năng lượng lớn hơn so với quá trình sinh methane đối với cùng một cơ chất hữu cơ,

do vậy SRB là đối thủ cạnh tranh ưu thế của methanogen trong thế giới kỵ khí [45] Khử sulfate: SO4  + 10H+ + 8e  H2S + 4H2O (G = 5,9 kJ/mol)

Khử CO2 sinh methane: CO2 + 8H+ + 8e  CH4 + 2H2O (G = 5,6 kJ/mol)

Hơn thế, sản phẩm trao đổi chất của SRB là S2 có tác dụng độc hại tới các loài sinh vật nói chung, trong đó có methanogen Do vậy, việc vận hành các hệ thống xử lý kỵ khí sinh methane trong điều kiện nước biển thường dễ bị ngừng gián

đoạn khi gặp phải những yếu tố ức chế liên quan đến SRB

Nguồn methanogen Yếu tố bất lợi thứ ba của quá trình lên men kỵ khí ở điều kiện

nước mặn là thiếu nguồn methanogen tự nhiên để bổ sung vào hệ thống, hỗ trợ quá trình khởi động Nếu như phân trâu bò, bùn cống và bùn hoạt tính từ các hệ thống

xử lý nước thải có thể được sử dụng làm nguồn methanogen bổ sung ban đầu vào các hệ thống xử lý kỵ khí ở môi trường nước ngọt thì trong môi trường nước mặn lại chưa có các nguồn vi sinh vật tương ứng Trong khi đó, việc nghiên cứu để chủ động tạo ra nguồn methanogen ưa mặn hỗ trợ cho xử lý chất thải hữu cơ bằng phương pháp kỵ khí trong điều kiện nước biển lại chưa được quan tâm nhiều Mori

và cs (2012) đã phân lập được chủng methanogen thuộc chi Methanosaeta có khả

năng sinh trưởng trong môi trường có nồng độ NaCl từ 11,7 – 46,8 g/l, tối ưu ở 16,4

g/l [49] Stephane và cs (2014) đã phân lập được chủng Methanococcoides vulcani

từ trầm tích biển sau nhiều lần làm giàu tích lũy bằng cơ chất trimethylamin Chủng

M vulcani có khả năng sinh trưởng ở nồng độ NaCl từ 14,6 – 58,5 g/l, tối ưu ở

29,25 g/l [68] Mặc dù vậy việc đưa các loài methanogen ưa/chịu mặn vào ứng dụng

hỗ trợ các hệ thống phân hủy kỵ khí còn chưa được quan tâm

1.3 Bùn kỵ khí

Bùn kỵ khí là một quần xã vi sinh vật sống cộng sinh được hình thành trong quá trình xử lý chất thải, có thể coi bùn kỵ khí như là một hệ sinh thái vi sinh vật [41] Trong các hệ thống xử lý chất thải, sự hình thành hạt bùn đóng vai trò rất quan

trọng, giúp tạo sự ổn định cho hoạt động của các vi sinh vật đồng thời tạo khả năng

lơ lửng hay lắng cần thiết, cho phép vi sinh vật tiếp xúc tốt nhất với nguồn cơ chất (chất thải trong bể xử lý)

1.3.1 Cấu trúc hạt bùn kỵ khí

Các hạt bùn có cấu trúc xốp ở phía ngoài (khoảng 1 mm) và dạng tinh thể ở phần lõi [73] Hạt bùn kỵ khí có màu đen hoặc nâu, đường kính hạt từ 0,25 – 5 mm (Hình 1.6) Hạt bùn tốt có cấu trúc bền vững, không bị vỡ hay mài mòn dưới tác động của dòng chất thải khi bị khuấy đảo

Hình 1.6 Mô hình mô phỏng (trái) [22] và cấu trúc hạt bùn kỵ khí (phải) [14]

Vi sinh vật trong hạt bùn kỵ khí phân bố thành các lớp theo mức độ nhạy cảm với oxy và quan hệ chuỗi thức ăn của quá trình phân hủy kỵ khí (Hình 1.6), theo đó methanogen là nhóm kỵ khí hoàn toàn nằm ở giữa, cùng với một cấu trúc tinh thể hoặc sinh khối tạo thành lõi của hạt bùn Bên ngoài lần lượt là các nhóm vi sinh vât đảm nhiệm các pha phân hủy khác nhau của toàn bộ quá trình, gồm có vi khuẩn sinh acetate (acetogen) và nhóm lên men sinh axit (acidogen) Tuy nhiên, trong thực tế cấu trúc của hạt bùn có thể không đồng nhất do ảnh hưởng của nhiều yếu tố lý, hóa và sinh học trong môi trường xử lý [30]

1.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hình thành và ổn định bùn kỵ khí

Sự hình thành bùn kỵ khí chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố lý, hóa và sinh học, trong đó, vai trò quan trọng nhất thuộc về một số yếu tố sau:

Cơ chất: Mức độ phức tạp của cơ chất tạo ra một áp lực chọn lọc đến tính đa dạng

của vi sinh vật trong hạt bùn, quyết định vi cấu trúc của hạt Nguồn hydratcarbon duy trì các nhóm vi khuẩn lên men sinh axit (acidogen), trong khi đó ở điều kiện môi trường có hàm lượng VFA cao thì hệ vi sinh vật dạng sợi phát triển mạnh, tạo bùn hạt có kích thước lớn (5 mm) có cấu trúc lỏng lẻo và dễ vỡ Nghiên cứu của Liu

và cs (2002) cho thấy nước thải chứa 90% hỗn hợp VFA (acetate và propionate) tạo bông bùn có trọng lượng thấp, không tách khỏi nước thải một cách hiệu quả Mặt khác, hỗn hợp cơ chất đa dạng gồm propionate, pepton, ethanol, glutamate, phenol

tạo hạt bùn có cấu trúc đồng thể và lắng tốt [40]

Tải trọng hữu cơ (Organic Loading Rate, OLR): OLR miêu tả mức độ cung cấp

thức ăn trong hệ thống xử lý cho hệ vi sinh vật Ở OLR thấp, hệ vi sinh vật bị thiếu hụt thức ăn Quá trình làm giàu vi sinh vật và tạo hạt bùn được thực hiện bằng cách nâng từng bước OLR tới mức hiệu quả xử lý COD đạt trên 80% và giám sát sự rửa trôi chất rắn lơ lửng [30] Khi tăng OLR đến mức độ tới hạn, VFA tích tụ và làm giảm pH đến mức thấp nhất, dẫn đến ức chế sinh trưởng của vi sinh vật Tăng OLR dẫn đến tăng sinh khối, tỷ lệ sinh trưởng cao sẽ giảm độ bền cấu trúc tập hợp vi sinh vật Mặc khác, tăng OLR cũng dẫn đến tăng tốc độ sinh khí, nếu ở mức quá cao có thể gây ra biến động thủy lực dẫn đến rửa trôi bùn Theo nghiên cứu của Ahn và cs (2002), khi OLR < 1,5 kgCOD/m3.ngày bùn kỵ khí sẽ bị suy thoái do thiếu hụt chất dinh dưỡng [13] Tuy nhiên, trong nghiên cứu của Staley và cs (2011), bùn kỵ khí với cấu trúc và kích thước hạt ổn định đã được tạo thành ở OLR 1,5 kgCOD/m3.ngày [67] Nhìn chung, OLR từ 2 đến 4,5 kgCOD/m3.ngày cho chất lượng hạt bùn cao nhất [33] Việc tăng OLR phải được thực hiện một cách thận trọng để quá trình tạo hạt diễn ra nhanh và ổn định Nghiên cứu của Nguyễn Thị Thanh và cs (2016), cùng với thời gian lưu 18h, đã có sự khác biệt rõ rệt về sự hình thành bùn hạt khi vận hành thiết bị UASB với các OLR khác nhau Tại OLR 1,01±0,32 kgCOD/m3.ngày, bùn hạt không được hình thành Trong khi đó, vận hành UASB với OLR trong khoảng 3,75 ± 0,92 kgCOD/m3.ngày hạt bùn đã hình thành Sau 45 và 60 ngày vận hành với sự tăng dần OLR, bùn từ dạng phân tán

(ngày thứ 1) đã có dạng hạt màu đen, hình cầu hoặc oval Khi OLR đạt 3,75 kgCOD/m3.ngày, bùn chỉ gồm các hạt có kích thước < 1 mm Khi OLR đạt 3,95 kgCOD/m3.ngày đã xuất hiện các hạt có kích thước > 2 mm [11]

Đặc tính của bùn giống: Quá trình hình thành hạt bùn diễn ra cùng với việc làm

giàu tập đoàn vi sinh vật sinh methane trong chuỗi các bước chuyển hóa chất thải hữu cơ Quá trình này diễn ra khá nhanh, tuy nhiên sẽ bị chậm lại nếu bùn giống chứa nhiều vi khuẩn lên men sinh axit (acidogen) Nghiên cứu của Esposito và cs

(2012) cho thấy khi bùn giống chứa các loại vi sinh vật khác nhau Methanosaeta sp., Mathanosarcina và nhóm acidogen có thể tạo bùn với kích thước hạt tăng ở tốc

độ 31 m/ngày, 21 m/ngày, 18 m/ngày và 7 m/ngày, phụ thuộc vào tỷ lệ của vi khuẩn lên men sinh axit trong bùn giống [29] Methanogen, đặc biệt là các loài

thuộc chi Methanosaeta, và tập hợp các vi sinh vật trong chuỗi thức ăn đóng vai trò

quan trọng trong quá trình tạo hạt bùn Nếu chủ động điều chỉnh được thành phần vi sinh vật của bùn giống sẽ có thể kiểm soát được sự hình thành hạt bùn Tuy nhiên, chưa có công bố về mối liên quan giữa thành phần loài vi sinh vật trong bùn giống

và phương pháp nhân nuôi phù hợp để kiểm soát chúng và thúc đẩy sự hình thành hạt bùn

Nhiệt độ: Nhiệt độ là yếu tố quan trọng quyết định sự hình thành và ổn định của

bùn kỵ khí Methanogen, thành phần chủ chốt của bùn kỵ khí, sinh trưởng chậm với thời gian nhân đôi tế bào cao nhất là 2,6 ngày ở 35oC và giảm đáng kể khi nhiệt độ

xuống dưới 30C, rất thấp (50 ngày) ở 10oC [19] Quá trình chuyển hóa cacbon hữu

cơ thành methane còn có thể được thực hiện tốt ở nhiệt độ 55oC (chế độ lên men nóng), tuy nhiên sẽ bị ức chế ở nhiệt độ cao hơn [81] Quá trình tạo hạt bùn kỵ khí phụ thuộc phần lớn vào nhóm methanogen thích nghi với điều kiện nhiệt độ vận hành Ở điều kiện lên men ấm (30 - 37C) Methanosarcina spp và Methanosaeta

spp là hai nhóm chiếm ưu thế, trong khi đó ở điều kiện lên men nóng (50 – 55C)

thì các loài Methanosarcina spp và Methanothermobacter spp lại chiếm ưu thế

[37] Trong cả hai điều kiện nhiệt độ ấm và nóng, vai trò của methanogen ưa acetate đều được khẳng định

pH: Quá trình chuyển hóa COD thành methane diễn ra tối ưu ở điều kiện pH trong

khoảng 7 – 8 [19] Mặc dù vậy, các kết quả nghiên cứu đã công bố cho thấy cấu trúc

và hoạt tính của bùn kỵ khí hoàn toàn không bị ảnh hưởng khi pH trong môi trường dao động trong khoảng 5 – 8 Tuy nhiên, ở ngoài ngưỡng giới hạn này (pH > 8,5 hoặc <5) thì cấu trúc của hạt bùn bị thay đổi và độ bền giảm rõ rệt [35,39]

1.3.3 Các thông số đánh giá hạt bùn kỵ khí

Việc đánh giá chất lượng hạt bùn kỵ khí trong bể phân hủy nhằm đánh giá một cách gián tiếp hiệu quả xử lý Đối với việc nuôi bùn để duy trì hệ vi sinh vật, đánh giá chất lượng hạt bùn còn giúp xác định thời điểm tối ưu thu nhận hạt bùn để đưa vào sử dụng Một số thông số chính được sử dụng trong đánh giá hạt bùn kỵ khí như sau:

Hoạt tính sinh methane riêng của bùn (SMA): Hoạt tính sinh methane riêng là

thể tích methane sinh ra trên lượng bùn trong một đơn vị thời gian Như đã trình bày, methanogen là nhóm đứng cuối cùng của chuỗi các bước chuyển hóa COD thành methane Như vậy, thông qua hoạt tính sinh methane có thể biết được mức độ hoạt động trao đổi chất của hạt bùn Theo các nghiên cứu đã công bố, hiệu suất chuyển hóa COD thành methane sinh học phụ thuộc vào bản chất hóa học của nguồn thải [30, 54, 56] (Bảng 1.1)

Bảng 1.1 Lượng methane tạo ra theo lý thuyết đối với một số chất thải hữu cơ [33]

Chất thải hữu cơ Công thức hóa học Lượng methane tạo thành theo lý

thuyết (m 3 /kg cơ chất chuyển hóa)

Hoạt tính riêng của bùn có thể được đánh giá dựa trên một cơ chất và tính theo tỷ lệ lượng methane sinh ra đối với cơ chất đó theo lý thuyết

Kích thước và tỷ trọng hạt bùn: Kích thước hạt bùn phản ánh mức độ hoạt động

của vi sinh vật trong hệ thống và hiệu suất của quá trình xử lý Kích thước hạt bùn quá nhỏ (dưới 0,15 mm) dẫn đến dễ bị rửa trôi và không ổn định trong quá trình vận hành Hạt có kích thước quá lớn (trên 7 mm) khiến hiệu quả chuyển hóa bên trong hạt kém Kích cỡ và tỷ trọng của hạt phụ thuộc vào các yếu tố vận hành như thủy động lực học, OLR và chủng loại vi sinh vật Trong các hệ thống xử lý, kích thước hạt bùn tối ưu là 1 – 2 mm [63] Mật độ tế bào trong hạt bùn phản ánh độ bền vững của quần xã vi sinh vật Mật độ càng cao đưa đến tốc độ lắng của bùn càng nhanh

và tỷ trọng riêng lớn Tỷ trọng riêng của bùn hạt có hoạt tính tốt nằm trong khoảng 1,033 – 1,065 g/cm3 [60] Tỷ trọng hạt càng cao thì lắng càng nhanh giúp phân tách hạt bùn khỏi dòng ra và được giữ lại trong hệ thống xử lý

Chỉ số thể tích bùn lắng (Sludge Volume Index, SVI): Chỉ số thể tích bùn lắng là

chỉ tiêu để đánh giá khả năng lắng của bùn Bùn có SVI càng nhỏ thì có khả năng lắng càng nhanh và mật độ tế bào càng dày đặc Trong các hệ thống xử lý, ở giai đoạn khởi động, cần phát triển hạt bùn có SVI thấp để tăng mức duy trì của bùn trong hệ thống Thông thường, SVI của bùn hạt từ 10 – 20 ml/g, của bông bùn từ 20 – 30 ml/g [27]

Độ bền cơ học: Độ bền cơ học phản ánh độ rắn chắc và cấu trúc ổn định của bùn

hạt, được đánh giá bằng phương pháp siêu âm và đo độ đục [65] Độ bền của bùn hạt cũng được đánh giá thông qua hệ số bảo toàn, theo đó hệ số này càng thấp thì độ bền của hạt bùn càng lớn Hệ số này tượng trưng cho khả năng chống lại sự bào mòn và lực cắt Trong các hệ thống UASB, độ bền cơ học của hạt bùn thường ở khoảng 7.10-2 N.m-2 [62]

Màu sắc: Hạt bùn kỵ khí thường có bề mặt màu đen hoặc nâu đen Tải trọng hữu cơ

thấp là điều kiện để hình thành các hạt bùn nhẹ với trung tâm rỗng, có màu xám hoặc trắng, kết cấu mềm yếu, có thể bị phá vỡ lớp vỏ hạt [36] Ở điều kiện OLR cao

và HRT ngắn, các hạt bùn có màu đen với cấu trúc rắn chắc, dày đặc sẽ được hình thành Tùy thuộc vào cơ chất, đặc tính của bùn giống, sẽ có OLR và HRT tương ứng để có thể tạo hạt bùn có chất lượng tốt Trong hệ thống UASB, với cơ chất là nước thải sơ chế mủ cao su bổ sung rỉ đường (1g/l) và bùn kỵ khí thu từ bể kỵ khí của nhà máy chế biến tinh bột sắn, tại điều kiện vận hành OLR tăng dần đều trong khoảng 3,19 ±0,68 kgCOD/m3.ngày và HRT 12h đã tạo ra các hạt bùn có màu đen,

tỷ lệ hạt có kích thước > 2 mm chiếm 13,8% sau 38 ngày Các hạt bùn không bị vỡ sau 1 tháng bảo quản trong môi trường dinh dưỡng ở nhiệt độ phòng [11]

1.4 Công nghệ xử lý chất thải hữu cơ bằng phân hủy kỵ khí

Theo nguyên lý phân hủy kỵ khí sinh methane, chất thải hữu cơ từ các nguồn khác nhau có thể được xử lý bằng một số công nghệ phổ biến dưới đây (Bảng 1.2)

Bảng 1.2 Các công nghệ xử lý chất thải hữu cơ bằng phân hủy kỵ khí

Bể tự hoại - Cấu tạo: gồm một hoặc nhiều khoang

chứa được làm bằng bê tông hoặc nhựa với dung tích từ 4000 đến 7500 lít

- Nguyên lý vận hành: chất lỏng chảy vào

ngăn thứ 1 được tách pha, phần cặn lắng sẽ

bị phân hủy kị khí Từ ngăn thứ 1 sang ngăn thứ 2 theo nguyên lý chảy tràn, quá trình lắng đọng tiếp tục diễn ra cho đến cuối hệ thống

Dùng trong phạm vi gia đình để xử lý nước thải

từ nhà vệ sinh (nước xám và nước đen)

Bể biogas - Cấu tạo: gồm 3 bộ phận chính là bể phân

hủy, bộ phận chứa khí và bộ phận điều áp

- Nguyên lý vận hành: Chất thải được đưa

vào ngăn phân hủy chính để chuyển hóa cacbon hữu cơ thành khí sinh học Khí sinh

ra tích lại ở phần trên của bể, đẩy dịch

Chất thải có hàm lượng hữu cơ rất cao (COD từ

30000 đến 50000 mg O2/l) như chất thải từ trang trại chăn nuôi, từ các ngành công nghiệp

phân giải dâng lên ở bể điều áp và ống lối vào Khí sinh học được lấy đi sử dụng, áp suất giảm, cho phép tiếp tục thu nhận chất thải vào bể phân hủy Trong một số trường hợp, bể được thiết kế gồm 2 ngăn riêng biệt để tách pha thủy phân và lên men sinh axit riêng biệt với pha sinh methane để tránh ảnh hưởng của pH thấp và hàm lượng VFA ức chế bước sinh methane

chế biến thực phẩm

Bể UASB - Cấu tạo: hệ thống phân phối nước đáy

bể, tầng xử lý và hệ thống tách pha

- Nguyên lý vận hành: Nước thải được

phân phối từ dưới lên, qua lớp bùn kỵ khí, nơi diễn ra quá trình phân hủy chất hữu cơ

Hệ thống tách pha phía trên bể làm nhiệm

vụ tách các pha rắn – lỏng và khí, qua đó thì các chất khí sẽ bay lên và được thu hồi, bùn sẽ rơi xuống đáy bể và nước sau xử lý

sẽ theo máng lắng chảy qua công trình xử

lý tiếp theo

Xử lý các loại nước thải

có nồng độ ô nhiễm hữu cơ cao (COD khoảng 1000 mg/l) và thành phần chất rắn thấp (dưới 3000 mg/l) Phù hợp với một số loại nước thải công nghiệp, các nhà máy chế biến thực phẩm và đồ uống, nước thải sinh hoạt ở các khu dân cư…

Tầng lọc kỵ

khí

- Cấu tạo: gồm có vật liệu làm giá thể

(đá, sỏi, nhựa) với cấu trúc rỗng (tới 50%

thể tích) làm chỗ bám cho vi sinh vật và các tế bào vi sinh vật có hoạt tính phân hủy sinh trưởng bám dính trên giá thể, tạo

màng sinh học dày tới 1 – 3 mm [19]

- Nguyên lý vận hành: Dòng nước thải

đưa từ đáy lên khi đi qua màng lọc sẽ được

Xử lý nước thải có COD tối đa 12000 mgO2/l

loại bỏ các chất ô nhiễm Khi màng vi sinh vật dày, hiệu quả lọc nước thải giảm (tổn thất áp lực lọc tăng) Vật liệu lọc được rửa bằng dòng nước thải chảy ngược Vật liệu lọc cũng có thể lấy ra, rửa sạch bằng nước

thải sau đó nạp lại vào tầng lọc

Hình 1.7 Một số công nghệ xử lý chất hữu cơ bằng phân hủy kỵ khí

A – Bể tự hoại [46], B – Bể biogas [3], C – Bể UASB [86], D- Tầng lọc kỵ khí [43]

Mỗi công nghệ có phạm vi ứng dụng khác nhau, phù hợp với từng loại nguồn thải Ở các nước phát triển (Mỹ và các nước thuộc khu vực Bắc Âu), bể tự hoại chỉ còn được sử dụng cho khoảng 25% dân cư sinh sống ở vùng ngoại ô và nông thôn Trong khi đó, tại Việt Nam, công nghệ này khá phổ biến do giá thành rẻ, thiết kế đơn giản [12] Các dạng công nghệ UASB, AF, bể biogas hiện vẫn đang được ứng dụng rộng rãi, thường ở quy mô tập trung để có thể sử dụng hiệu quả sản phẩm

biogas tạo ra từ quá trình xử lý Theo thống kê của chương trình “Thúc đẩy chuyển dịch năng lượng tái tạo toàn cầu”, trong năm 2016, năng lượng từ biogas chiếm 14,1% trên tổng năng lượng tiêu thụ toàn cầu Riêng khối Liên minh Châu Âu (EU-28) có công suất phát điện sử dụng biogas ~ 200 terawatt-h/năm, Bắc Mỹ ~ 100 terawatt-h/năm [4]

1.5 Sự cần thiết nghiên cứu tạo chế phẩm vi sinh hỗ trợ công nghệ phân hủy

kỵ khí ở điều kiện nước biển

Các hệ thống xử lý chất thải kỵ khí khi vận hành thường gặp một số khó khăn như thời gian khởi động kéo dài, dễ bị ảnh hưởng của các yếu tố hóa lý và sinh học dẫn đến kém hiệu quả hay ngừng hoạt động Nguyên nhân là do các vi sinh vật (ở dạng bùn kỵ khí), yếu tố đóng vai trò quan trọng trong công nghệ xử lý, không đảm bảo về số lượng hay bị ức chế hoạt động Để khắc phục những khó khăn này, các loại vi sinh vật hỗ trợ quá trình xử lý có thể được bổ sung vào giai đoạn mới vận hành nhằm rút ngắn thời gian khởi động hay bổ sung định kỳ để tăng cường và ổn định hiệu quả xử lý

Các hệ thống phân hủy kỵ khí trong điều kiện nước ngọt thường đơn giản trong vận hành, hệ bùn kỵ khí có thể được hình thành và làm việc ổn định trong thời gian dài nếu đặc tính của nguồn thải cũng như các điều kiện vận hành không biến động lớn Mặc dù vậy, trên thị trường vẫn có một số chế phẩm vi sinh như BIOTECH-K01, EMIC.PHOT với thành phần là các vi sinh vật có khả năng phân hủy nhanh các thành phần hữu cơ cao phân tử để bổ sung vào các hệ xử lý kỵ khí cho mục đích tăng hiệu quả [84,84] Tuy nhiên, chế phẩm vi sinh chứa các nhóm trực tiếp tham gia vào các bước chuyển hóa chất hữu cơ thành methane, bao gồm cả methanogen, chưa được quan tâm nghiên cứu Thông thường nguồn vi sinh vật này được lấy từ các hệ thống xử lý kỵ khí đang vận hành hiệu quả hoặc từ nguồn phân trâu bò tự nhiên

Đối với môi trường nước biển, các chế phẩm thường sử dụng để hỗ trợ các hệ thống xử lý ở điều kiện nước ngọt không có hiệu quả Trong khi đó các nguồn vi

sinh vật thực hiện chuyển hóa COD thành CH4 đạt hiệu suất cao ở môi trường nước biển không có sẵn trong tự nhiên cũng như từ các hệ thống xử lý đang vận hành ở điều kiện tương tự Điều này đặt ra vấn đề cần thiết cho việc nghiên cứu thiết lập hệ

vi sinh chuyển hóa COD thành methane thích nghi tốt ở điều kiện nước biển

Trên thế giới, vấn đề xử lý chất thải ở môi trường nước mặn cũng được nhiều tác giả quan tâm, các chủng methanogen chịu mặn và ưa mặn đã được làm giàu và phân lập [80] Tuy nhiên các tác giả mới chỉ dừng ở bước nghiên cứu cơ bản, chưa

có công bố về việc ứng dụng các chủng vi sinh vật ưa mặn để tạo ra chế phẩm hỗ trợ xử lý kỵ khí chất thải hữu cơ trong điều kiện nước biển

Luận án tiến sỹ của tác giả Nguyễn Thu Hoài (2015) đã đề cập đến việc thiết lập hệ vi sinh vật BKM từ trầm tích biển thích nghi với điều kiện nước biển và có khả năng chuyển hóa hoàn toàn COD thành khí sinh học [6] Nguồn vi sinh vật này cần được tiếp tục nghiên cứu duy trì thành phần cũng như hoạt tính ổn định và phát triển thành dạng chế phẩm sinh học để đưa vào ứng dụng trong thực tế

1.6 Công nghệ màng vi bao

1.6.1 Giới thiệu chung

Công nghệ màng vi bao có thể được coi như cuộc cách mạng giúp cải tiến các phương pháp truyền thống trong lĩnh vực sinh học và hóa học Khái niệm đóng gói (hay vi bao) xuất phát từ ý tưởng về mô hình hoạt động của các sinh vật đơn bào Màng tế bào tự nhiên đóng vai trò thực hiện nhiều chức năng đặc hiệu, trong

đó chức năng quan trọng nhất có lẽ là bảo vệ vật chất bên trong tế bào và kiểm soát lượng vật chất trao đổi qua màng Năm 1942, nhà khoa học người Mỹ Barrett Green

đã xây dựng được công thức tạo hạt gel đầu tiên gồm lớp vỏ gelatin kết hợp với pha dầu bên trong Từ đó, công nghệ màng vi bao đã được phát triển theo nhiều cách khác nhau và ứng dụng rộng rãi trên các lĩnh vực của khoa học kỹ thuật [57]

Công nghệ màng vi bao sinh học được định nghĩa là việc đóng gói (cố định) các vật liệu có hoạt tính sinh học (tế bào, enzyme,…) trong một vùng riêng biệt được tạo ra bởi các polymer nhằm đảm bảo giữ ổn định hoạt tính sinh học của

chúng [79] Vi bao có thể được thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau, tuy nhiên, các hạt gel tạo thành đều gồm 3 hợp phần cơ bản: vật liệu vi bao, các tế bào (hoặc enzyme) và chất nền (vi môi trường bao quanh tế bào) (hình 1.8) Tùy thuộc vào mỗi loại tế bào cần vi bao và mục đích sử dụng để lựa chọn chất nền và vật liệu

vi bao phù hợp

Hình 1.8 Cấu trúc điển hình của hạt gel tạo bởi công nghệ màng vi bao

(A – Bùn kỵ khí vi bao trong hạt gel alginate [79], B – Mô phỏng cấu trúc hạt gel)

Đối với vi sinh vật, màng vi bao tạo cho chúng một vi môi trường tách biệt giúp giảm thiểu các tác động bất lợi từ môi trường bên ngoài hạt gel (các chất độc, pH,…) đồng thời vi sinh vật vẫn được cung cấp đủ các yếu tố dinh dưỡng cần thiết cho sinh trưởng [79] Các ưu nhược điểm của công nghệ màng vi bao đối với vi sinh vật được khái quát trong bảng 1.3

Bảng 1.3 Ưu nhược điểm của công nghệ màng vi bao với vi sinh vật [57]

- Bảo vệ tế bào khỏi các yếu tố bất lợi từ môi

trường, tăng cường khả năng sống của VSV

và hoạt động trao đổi chất

- Gia tăng sinh khối tế bào nhờ nguồn dinh

dưỡng có thể được đóng gói kèm theo

- VSV có thể phân bố tại các vùng hiếu khí

hay kỵ khí trong chất nền tùy thuộc nhu cầu

- Có thể gây hạn chế về sự khuếch tán khí và một số chất hòa tan

- Ở giai đoạn đầu sau khi đóng gói, hoạt tính của vi sinh vật có thể bị giảm

- Lựa chọn loại vật liệu vi bao phù hợp đòi hòi thời gian và chi

B

A

oxy của chúng

- Giảm nguy cơ tạp nhiễm trong quá trình

lưu giữ, vận chuyển và sử dụng

- Ngăn ngừa rò rỉ tế bào ra môi trường đồng

thời dễ dàng giải phóng tế bào khi cần thiết

- Dễ dàng sản xuất với số lượng lớn và thu

hồi lại khi không sử dụng

- Phù hợp với nhiều loại thiết bị, công nghệ

hiện đại (thực phẩm, xử lý môi trường)

phí

1.6.2 Ứng dụng của công nghệ màng vi bao trong xử lý môi trường

Trong xử lý môi trường bằng vi sinh vật, các yếu tố sinh học (hệ vi sinh vật bản địa có khả năng phân hủy chất ô nhiễm, các loài sinh vật cạnh tranh, ) và các yếu tố phi sinh học (pH, độ ẩm, oxi và các chất dinh dưỡng có sẵn,…) ảnh hưởng trực tiếp đến sinh trưởng của vi sinh vật qua đó quyết định đến hiệu quả xử lý chất ô nhiễm Công nghệ màng vi bao ra đời đã giúp khắc phục những khó khăn khi sử dụng chế phẩm chứa tế bào tự do trong xử lý môi trường như kể trên Chất nền bên trong hạt gel cung cấp một môi trường vi mô ổn định và đồng nhất, tại đây, hoạt động trao đổi chất của tế bào có thể duy trì trong thời gian dài mà không cần bổ sung các chất dinh dưỡng từ bên ngoài Nhiều nghiên cứu cho rằng, các tế bào được đóng gói bằng công nghệ màng vi bao có khả năng chịu áp lực môi trường tốt hơn

10 đến 20 lần so với tế bào tự do [15] Một số ứng dụng cụ thể của công nghệ màng

vi bao trong xử lý môi trường được trình bày trong bảng 1.4

Bảng 1.4 Một số ứng dụng của công nghệ màng vi bao trong xử lý môi trường [57] Chất ô nhiễm Vi sinh vật Vật liệu vi bao

Urea-formaldehyde Agar-Alginate Polyurethane

Tập hợp chủng

Polyacrylamide Alginate

Bùn kỵ khí

Moraxella sp

Alginate, Polystyrene, Polyacrylamide

Alginate, Polyacrylamide Agar, Alginate

Alginate Tetraethoxysilane Polyacrylonitrile Chitosan

Alginate, PVDF K-Carragcenan

Có thể thấy, trong lĩnh vực xử lý môi trường, vật liệu tạo màng vi bao để tạo chế phẩm sinh học thuộc 2 nhóm là màng tự nhiên và màng tổng hợp Mỗi loại màng có ưu nhược điểm riêng, do đó, tùy vào mục đích sử dụng để lựa chọn loại màng phù hợp

Với đặc điểm có độ ổn định lâu dài, độ rỗng thấp, kích thước lỗ màng nhỏ, màng vi bao tổng hợp thường được sử dụng trong các bể phản ứng sinh học cần thu hồi lại sinh khối vi sinh vật sau khi sử dụng Tuy nhiên, trong các ứng dụng ở quy

mô dàn trải, không có nhu cầu thu hồi lại sinh khối vi sinh vật, màng tổng hợp với đặc điểm khó phân hủy sinh học thường ít được sử dụng do những lo ngại về ô nhiễm môi trường thứ cấp

Màng tự nhiên có độ rỗng cao nên có thể mang vi sinh với mật độ tế bào cao hơn, kích thước lỗ màng lớn cho phép các chất trao đổi có trọng lượng phân tử cao

đi qua, đồng thời, chúng dễ bị phân hủy để có thể giải phóng các tế bào vào vùng ô nhiễm mong muốn sau khi các tế bào đã được định vị và thích nghi với môi trường

[69] Với những đặc điểm trên, trong xử lý môi trường in situ, màng tự nhiên

thường được được sử dụng phổ biến hơn Bên cạnh đó, nhờ có mức độ phân hủy sinh học cao, chúng được coi là vật liệu vi bao có tính an toàn và thân thiện môi trường

1.6.3 Công nghệ màng vi bao trong phân hủy kỵ khí chất thải hữu cơ

Quá trình phân huỷ kỵ khí chất hữu cơ gồm bốn pha: thủy phân, lên men, sinh acetate và sinh methane Thời gian nhân đôi của vi khuẩn thủy phân và sinh axit là  1 – 1,5 ngày, trong khi vi khuẩn sinh acetate (acetogen) và cổ khuẩn sinh methane (methanogen) cần khoảng 1 – 4 và 5 – 15 ngày [79] Methanogen khá nhạy cảm với các điều kiện của quy trình xử lý, chúng có tốc độ tăng trưởng thấp nên đòi hỏi một khoảng thời gian khởi động tương đối dài (lên đến 3 tháng) để có thể ổn định hoạt tính [70] Do đó, việc đóng gói methanogen bằng công nghệ màng vi bao giúp nâng cao mức độ sống sót và hoạt tính sinh học, đảm bảo hỗ trợ được các hệ thống phân hủy kỵ khí, đặc biệt là đối với các hệ thống vận hành ở điều kiện nước biển, nơi có nhiều yếu tố bất lợi cho hoạt động của chúng như nồng độ muối cao,

pH và nhiệt độ thường xuyên biến động, cạnh tranh của vi khuẩn khử sulfate…

Việc ứng dụng công nghệ màng vi bao để duy trì hệ vi sinh trong bùn kỵ khí

đã được công bố ở một số công trình nghiên cứu Youngsukkasem và cs (2012) đã nghiên cứu sử dụng công nghệ màng vi bao đối với cổ khuẩn sinh methane từ bể phân hủy kỵ khí UASB [79] Trong phương pháp này, các tế bào vi sinh vật được vi bao trong viên nang cho phép các chất dinh dưỡng thấm qua, nhưng tế bào không

thoát ra ngoài, đạt mật độ cao trong viên nang Nghiên cứu đã sử dụng 2 loại màng

vi bao gồm màng tổng hợp (PVDF) và màng tự nhiên (alginate) kết hợp kỹ thuật tạo giọt lỏng do Talebnia và cs (2008) mô tả [69] Ở dạng vi bao này, methanogen đã được bảo vệ tốt khỏi ảnh hưởng bởi các yếu tố bất lợi trong môi trường như pH, oxy hòa tan, và các chất ức chế khác Trong nghiên cứu khác, Akinbomi và cs (2015)

đã sử dụng màng vi bao PVDF để đóng gói vi sinh vật và thử nghiệm hoạt tính của sản phẩm đối với nước thải từ quy trình sản xuất nước trái cây Phụ phẩm của quá trình sản xuất nước trái cây thường chứa nhiều thành phần gây ức chế hoạt động của methanogen như các terpenoid, các ester,…Kết quả cho thấy, sử dụng chế phẩm vi sinh vật kỵ khí vi bao trong màng PVDF đã giúp tăng hiệu xuất sinh methane lên tới mức 189 ml CH4/g COD, tăng 10 lần so với sử dụng vi sinh vật ở dạng tự do [15]

Như vậy, vi bao vi sinh vật trong các loại màng polymer là công nghệ có tiềm năng cao trong nghiên cứu tạo chế phẩm vi sinh từ bùn kỵ khí Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng công nghệ màng vi bao kết hợp với một số bước cải tiến

để phù hợp với hệ vi sinh vật kỵ khí sinh methane có nguồn gốc từ biển và thích

nghi cao với môi trường nước biển

Chương 2 – VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Vật liệu nghiên cứu

- Nguồn vi sinh vật sử dụng phân hủy chất thải hữu cơ là tổ hợp vi sinh vật BKM từ công trình nghiên cứu của tác giả Nguyễn Thu Hoài (2015) Tổ hợp

vi sinh vật BKM được xây dựng từ 2 nguồn vi sinh vật là Methanosarcina sp

M37 và tổ hợp NTLRE3 phân lập từ trầm tích biển Nha Trang với nguồn cơ

chất methanol, Na-acetate và rong biển Ulva sp

- Nước biển sử dụng cho các thí nghiệm là nước biển lấy tại Cửa Lò, Nghệ An

- Chất thải nuôi lợn thịt được thu tại trang trại chăn nuôi thuộc Tây Mỗ, Hà Nội

2.2 Phương pháp nghiên cứu

2.2.1 Quy trình tạo chế phẩm BKMA

Hình 2.1 Các bước tạo chế phẩm BKMA

Bước 1: Kiểm tra bùn giống BKM trước nhân nuôi

Bùn giống BKM được duy trì trong bình Schott kỵ khí, được kiểm tra hoạt tính sinh methane (phương pháp xác định hoạt tính sinh methane riêng của bùn) và

số lượng methanogen (phương pháp MPN sử dụng nước biển nhân tạo, cơ chất acetate)

Bước 2: Nuôi tăng sinh bùn BKM

- Tổ hợp vi sinh vật BKM được nuôi tăng sinh trong bình Scott 2 lít chứa 1,5 lít nước biển nhân tạo (đã loại oxy bằng sục khí N2) và 10% dịch lên men cám gạo làm cơ chất BKM gốc được bổ sung vào bình nuôi theo tỷ lệ 10%, bình nuôi sau đó được đặt tại 37C trong thời gian 7 – 10 ngày cho tới khi ổn định hoạt tính sinh methane (80% trong pha khí)

- Dịch cám gạo lên men gồm nước biển nhân tạo và cám gạo (10% w/v), khử trùng ở 121oC trong 25 phút Vi sinh vật lên men trong tổ hợp BKM được sử dụng làm giống và bổ sung vào bình nuôi theo tỷ lệ 5% thể tích Bình lên men được đặt ở nhiệt độ 35 ± 2C trong thời gian 5 ngày, sau đó được đánh giá chất lượng thông qua giá trị pH, hàm lượng COD và tổng lượng VFA Dịch được bảo

quản tại 4C để sử dụng cho các thí nghiệm nuôi bùn

Bước 3: Thu sinh khối

Vi sinh vật sinh trưởng trong bình nuôi tạo hạt bùn lắng xuống đáy Xả khí biogas sinh ra trong bình nuôi và để lắng, loại phần nước phía trên, thu cặn bùn

Bước 4, 5, 6: Tạo hạt vi bao tế bào trong alginate

- Trộn dịch tế bào với dung dịch Na-alginate 4% (đã loại oxy bằng sục khí N2) theo tỷ lệ 1:1

- Tạo hạt gel bằng cách nhỏ hỗn hợp dịch nuôi/alginate vào dung dịch CaCl2 5,5% trong điều kiện khuấy và sục khí N2 liên tục

- Đậy kín bình đựng hạt gel, để tĩnh trong 1 giờ để ổn định hạt

- Rửa hạt gel 1 – 2 lần bằng nước biển nhân tạo đã loại oxy

- Đánh giá hoạt tính của vi sinh vật trong hạt gel

Bước 7: Bảo quản chế phẩm

- Bảo quản hạt gel chế phẩm BKMA trong nước biển nhân tạo trong bình kín khí

có nắp cao su và kẹp nhôm, giữ ở nhiệt độ phòng

2.2.2 Kiểm tra độ ổn định của chế phẩm BKMA trong quá trình bảo quản

Chế phẩm BKM được kiểm tra định kỳ mỗi tháng 1 lần trong 6 tháng theo các chỉ tiêu như sau: mật độ vi sinh vật (mật độ methanogen và vi khuẩn kỵ khí), hoạt tính sinh methane riêng của bùn

- Mật độ vi sinh vật được kiểm tra bằng cách lựa chọn ngẫu nhiên các hạt gel alginate, sau đó hòa tan trong 1 ml dung dịch Na-citrate 0,2 M, xác định mật độ methanogen

và vi khuẩn kỵ khí tổng số trong chế phẩm BKMA theo phương pháp MPN

- Kiểm tra hoạt tính sinh methane của chế phẩm bằng cách lấy ngẫu nhiên 10 hạt gel đưa vào bình serum dung tích 50 ml chứa 25 ml môi trường nước biển nhân tạo kỵ khí có Na-acetate (10 mM) làm cơ chất Xác định tổng thể tích khí sinh ra

và thành phần CH4 trong hỗn hợp khí Thí nghiệm được lặp lại 3 lần song song

2.2.3 Thiết lập mô hình xử lý chất thải chăn nuôi trong phòng thí nghiệm

Mô hình 2 lít vận hành theo mẻ

Mô hình được thiết lập trong bình Scott 2 lít (Hình 2.2) Chất thải nuôi lợn thịt (Tây Mỗ, Hà Nội) được trộn với nước biển (Cửa Lò, Nghệ An) có độ mặn 26‰ theo tỷ lệ 1:4 để đạt hàm lượng COD ~ 15000 mg O2/l Chế phẩm BKMA được bổ sung vào chất thải theo tỷ lệ 10% thể tích, đậy kín bình bằng nút cao su có gắn hệ thống thu mẫu khí và ống thu mẫu dịch (Hình 2.2) Thí nghiệm được tiến hành ở nhiệt độ 37ºC, lắc định kỳ bằng tay và theo dõi thay đổi về pH, tổng thể tích khí sinh ra, thành phần CH4, COD trong bình thí nghiệm

Hình 2.2 Xử lý chất thải chăn nuôi trong mô hình phòng thí nghiệm thể tích 2 lít

(Mô phỏng mô hình (trái) và bình Schott 2 lít chứa chất thải (phải))

Mô hình 50 lít vận hành liên tục

Bể xử lý được làm bằng vật liệu mica gồm 2 ngăn có ống thông nhau, tổng thể tích là 50 lít (Hình 2.3)

Hình 2.3 Mô hình xử lý liên tục chất thải chăn nuôi quy mô 50 lít

(Mô phỏng mô hình (trái) và bể xử lý chất thải 2 ngăn (phải))

- Ngăn thứ nhất có kích thước: 60,5  25  27,7 cm (dài  rộng  cao), là ngăn chính diễn ra quá trình phân hủy chất thải

- Ngăn thứ hai có kích thước: 23  25  27,7 cm (dài  rộng  cao), là ngăn lắng và phân hủy thứ cấp, được thông với ngăn thứ nhất bằng đường xả tràn

Cơ chất để vận hành bể là chất thải chăn nuôi lợn thịt được trộn với nước biển theo tỷ lệ 1:7 để đạt COD ~ 8000 mg O2/l Chế phẩm BKMA được bổ sung vào mô hình theo tỷ lệ 10% thể tích Cơ chất được bổ sung liên tục để đạt HRT là

72 giờ và OLR ~ 2,67 kg-COD/m3.ngày Bể vận hành ở nhiệt độ môi trường (30C, khuấy trộn nhẹ ~50 vòng/phút) Khí sinh ra được thu vào các túi khí sau đó xác định thể tích khí bằng phương pháp cột nước Thành phần CH4 được xác định trên hệ thống sắc ký khí Sự biến đổi COD của nước thải đầu ra được theo dõi định

kỳ trong quá trình thử nghiệm

2.2.4 Các phương pháp phân tích

Phương pháp MPN