Biến động về đặc tính lý hóa và sinh học trong quá trình ủ hiếu khí bùn thải nhà máy giấy Bãi Bằng

Mục tiêu của bài viết này là làm rõ cơ chế của biện pháp này, nghiên cứu đặt mục tiêu đánh giá sự biến động về đặc tính lý hóa và sinh học trong quá trình ủ hiếu khí bùn thải nhà máy giấy Bãi Bằng phối trộn với rơm rạ trong hệ thống ủ hai thùng. Những kết quả đạt được sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho việc nghiên cứu tận dụng hiệu quả bùn thải nhà máy giấy nói chung và Bãi Bằng nói riêng trong sản xuất phân bón hữu cơ sinh học.

HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ SINH THÁI VÀ TÀI NGUYÊN SINH VẬT LẦN THỨ BIẾN ĐỘNG VỀ ĐẶC TÍNH LÝ HĨA VÀ SINH HỌC TRONG Q TRÌNH Ủ HIẾU KHÍ BÙN THẢI NHÀ MÁY GIẤY BÃI BẰNG Ngô Thị Tƣờng Châu, Lê Văn Thiện, Vũ Thị Ngọc Trâm, Nguyễn Trần Bá Minh, Nguyễn Thu Trang Trường Đại học Khoa học tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội Cùng với phát triển mạnh mẽ ngành công nghiệp giấy, lượng bùn thải môi trường nước ta ngày gia tăng (Cu 2015) Lượng bùn thải chủ yếu xử lý cách ép loại nước, phơi khô, đổ bỏ hay chôn lấp, gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, đồng thời xem lãng phí tài nguyên Trong đó, ủ hiếu khí bùn thải với hoạt động phân hủy chất hữu hệ vi sinh vật không làm giảm thiểu đáng kể lượng bùn thải mà cịn góp phần chuyển đổi bùn thải thành phân bón phục vụ cho nơng nghiệp Để làm rõ chế biện pháp này, nghiên cứu đặt mục tiêu đánh giá biến động đặc tính lý hóa sinh học q trình ủ hiếu khí bùn thải nhà máy giấy Bãi Bằng phối trộn với rơm rạ hệ thống ủ hai thùng Những kết đạt tạo điều kiện thuận lợi cho việc nghiên cứu tận dụng hiệu bùn thải nhà máy giấy nói chung Bãi Bằng nói riêng sản xuất phân bón hữu sinh học I VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Phƣơng pháp ủ hiếu khí bùn thải Ngun liệu q trình ủ hiếu khí bao gồm (i) bùn thải thu từ hệ thống xử lý nước thải nhà máy giấy Bãi Bằng (Phong Châu, Phú Thọ) (ii) rơm từ làng Hà Cầu (Hà Đông, Hà Nội) Rơm sau thu cắt thành đoạn dài 2-3 cm Việc bổ sung rơm nhằm tăng cường lưu thơng khơng khí đống ủ cung cấp nguồn cacbon (C) cho hoạt động vi sinh vật Q trình ủ hiếu khí tiến hành hệ thống ủ hai thùng với thùng nhỏ (80-L) chứa nguyên liệu đặt thùng lớn (120-L) Tỉ lệ C:N ban đầu nguyên liệu 30:1 độ ẩm 60% Đống ủ đảo trộn định kỳ (2 tuần/lần) để lưu giữ điều kiện hiếu khí đồng hỗn hợp suốt thời gian ủ Phƣơng pháp thu mẫu Thu mẫu thời điểm ngày hàng tuần vòng 12 tuần Mẫu thu vị trí trên, đống ủ (cách đáy 85, 50 30 cm), trộn tạo mẫu tổ hợp Một phần mẫu làm khơ khơng khí, nghiền, qua rây mm, dùng để phân tích đặc tính lý hóa, phần cịn lại bảo quản 4oC, dùng để phân tích đặc tính sinh học Phƣơng pháp xác định đặc tính lý hóa đống ủ Nhiệt độ đống ủ theo dõi hàng ngày với nhiệt kế có đồng hồ báo nhiệt cắm sâu vào đống ủ Giá trị pH (KCl) xác định theo TCVN 5979:2007 (ISO 10390:2005) Độ ẩm xác định theo TCVN 6648:2000 (ISO11465:1993) Hàm lượng chất hữu xác định phương pháp sử dụng K2Cr2O7 làm tác nhân oxy hóa (TCVN 405085) Hàm lượng C tổng số xác định theo TCVN 6642-2000 (ISO 10694:1995) Hàm lượng nitơ (N) tổng số xác định theo phương pháp Kjeldahl cải tiến (TCVN 6498:1999 - ISO 11261:1995) Phƣơng pháp xác định mật độ vi sinh vật đống ủ Mật độ quần thể vi sinh vật ước tính phương pháp đếm đĩa chứa mơi trường thích hợp ngoại trừ quần thể vi khuẩn ammonium hóa nitrate hóa ước tính 1557 TIỂU BAN SINH THÁI HỌC VÀ MƠI TRƯỜNG kỹ thuật nhiều ống (MPN) Mơi trường Plate Count Agar (Merck 105463), Potato Dextrose Agar (Merck 1.10130) Starch Casein Agar (HiMedia M801) sử dụng cho vi khuẩn hiếu khí, nấm xạ khuẩn Môi trường Ashby‘s Mannitol Agar (Sigma A1840) Nitrate Agar (HiMedia M072) lựa chọn cho vi khuẩn cố định nitơ khử nitrate Các vi khuẩn ammonium hóa nitrate hóa phát xuất tương ứng màu vàng xanh đậm sau thêm thuốc thử Nessler sulphuric diphenylamine vào môi trường sau nuôi cấy (Greenberg et al 1992) Môi trường Hans Agar cải tiến (Mandels & Weber 1969) Xylan Agar (Feng et al 2013) lựa chọn cho vi sinh vật phân giải cellulose hemicellulose Tất nhóm vi sinh vật nuôi cấy nhiệt độ 30 oC Vi khuẩn, nấm xạ khuẩn nuôi cấy 2, ngày Vi khuẩn cố định nitơ khử nitrate nuôi cấy ngày Vi khuẩn ammonium hóa nitrate hóa ni cấy ngày tuần Vi sinh vật phân giải cellulose hemicellulose nuôi cấy ngày Phƣơng pháp đánh giá hoạt tính enzyme đống ủ API ZYM kit (bioMerieux), phương pháp bán định lượng mang tính thống kê, sử dụng để đánh giá hoạt tính enzyme Mỗi API ZYM gồm giếng nhỏ chứa chất tạo màu dạng khô 19 enzyme khác giếng đối chứng (không chứa chất) Dịch chiết enzyme chuẩn bị cách trộn g mẫu đống ủ với 50 mL nước cất vô trùng, nghiền lắc kỹ hỗn hợp máy lắc 150 vòng/phút, để lắng 10 phút thu dịch 65 μL dịch nhỏ vào giếng Đậy nắp API ZYM ủ 37°C Sau ủ, 30 μL loại thuốc thử (ZYM A vàZYM B, bioMerieux) thêm vào tất giếng Sau phút, ghi nhận giá trị từ 1-5 cho giếng theo bảng đối chiếu màu cung cấp nhà sản xuất II KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Biến động nhiệt độ đống ủ Nhiệt độ (oC) Nhiệt độ thị then chốt cho biến động q trình ủ hiếu khí Sự tăng nhiệt độ pha ưa nhiệt trung bình hệ phân hủy hợp chất hữu không bền vi khuẩn nấm ưa nhiệt trung bình (Rihani et al 2010), nhiệt độ cao pha ưa nhiệt cao sản phẩm phụ hoạt động tích cực vi khuẩn xạ khuẩn ưa nhiệt (Dinesh et al 2014) Trong nghiên cứu này, giai đoạn đầu, nhiệt độ đống ủ tăng dần theo thời gian ủ đạt cực đại (40oC) vào ngày thứ 16 trình ủ Nhiệt độ trì ngày, sau nhiệt độ đống ủ bắt đầu giảm xuống 35oC vào ngày thứ 19, dao động phạm vi 32-37oC, giảm dần đến mức nhiệt độ mơi trường ngồi (25-30oC) vào giai đoạn cuối trình ủ (Hình 1) 45 40 35 30 25 20 15 10 13 19 25 31 37 43 49 55 Thời gian (ngày) Hình 1: Sự biến động nhiệt độ đống ủ q trình ủ hiếu khí 1558 HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ SINH THÁI VÀ TÀI NGUYÊN SINH VẬT LẦN THỨ Biến động đặc tính lý hóa đống ủ Đặc tính lý hóa đống ủ biến động q trình ủ hiếu khí (Hình 2) Giá trị pH biến động khoảng 7,0-8,5 Độ ẩm giảm từ 60% xuống 40%, hàm lượng chất hữu giảm từ 40% xuống 26%, tỷ lệ C:N ban đầu giảm từ 30:1 xuống 15,2:1 Sự biến động pH giai đoạn đầu acid hữu tích lũy trình phân hủy chất hữu vi khuẩn nấm ưa nhiệt trung bình khiến pH giảm nhẹ Sau đó, NH3 hình thành từ q trình ammonium hóa phản ứng với nước để tạo NH4+ giải phóng ion hydroxyl (OH-) làm tăng pH Tiếp theo, pH có xu hướng trở nên trung tính NH3 bị vào khơng khí tham gia vào sinh khối vi sinh vật Sự giảm đáng kể độ ẩm trình bay nước nhiệt độ đống ủ tăng lên Ở đây, tỉ lệ giảm hàm lượng chất hữu (42,5%) phù hợp với kết (30-50%) Rihani et al (2010) nghiên cứu tỉ lệ giảm hàm lượng chất hữu hệ thống ủ hiếu khí loại bùn thải khác Độ ẩm (%) pH 65 60 55 50 45 40 35 30 10 11 12 10 11 12 Thời gian (tuần) 45 35 40 30 Tỉ lệ C/N Chất hữu (%) Thời gian (tuần) 35 30 25 25 20 15 20 10 10 11 12 Thời gian (tuần) 10 11 12 Thời gian (tuần) Hình 2: Sự biến động đặc tính lý hóa đống ủ q trình ủ hiếu khí Biến động mật độ vi sinh vật đống ủ Vi khuẩn chịu trách nhiệm cho hầu hết trình phân hủy sinh nhiệt đống ủ, xạ khuẩn đóng vai trị quan trọng phân hủy phân tử hữu phức tạp mà không phân hủy vi khuẩn nấm, nấm lại phân hủy mạch thực vật phức tạp đặc biệt bã thải hữu khơ, có tính acid hàm lượng N thấp mà không phân hủy vi khuẩn Trong q trình ủ hiếu khí bùn thải này, mật độ quần thể vi sinh vật đống ủ biến đổi theo thời gian (Hình 3) Tổng vi khuẩn hiếu khí có mật độ cao vào tuần thứ Ngược lại, nấm xuất với mật độ thấp giai đoạn đầu, sau giảm nhẹ tăng dần vượt xa mật độ ban đầu vào cuối q trình ủ hiếu khí Trong đó, xạ khuẩn có mật độ thấp giai đoạn đầu q trình ủ hiếu khí đạt cao vào ngày thứ 15 Điều kiện môi trường ảnh hưởng đáng kể đến khả sinh trưởng phát triển vi sinh vật biến động mật độ quần thể vi sinh vật nghiên cứu biến động đặc tính lý hóa đống ủ q trình ủ hiếu khí (Hình 2) 1559 TIỂU BAN SINH THÁI HỌC VÀ MÔI TRƯỜNG Log10CFUg-1 Vi khuẩn hiếu khí Xạ khuẩn Nấm 1 Thời gian (tuần) 5.5 Log10CFUg-1 4.5 Vi khuẩn cố định nitơ Vi khuẩn ammonium hóa Vi khuẩn nitrate hóa Vi khuẩn khử nitrate 3.5 2.5 1.5 0.5 Thời gian (tuần) Log10CFUg-1 Vi sinh vật phân hủy hemicellulose Vi sinh vật phân giải cellulose 1 Thời gian (tuần) Hình 3: Sự biến động mật độ vi sinh vật đống ủ trình ủ hiếu khí Đối với vi khuẩn tham gia chu trình N, tất quần thể đạt mật độ cao giai đoạn đầu trình ủ, sau giảm dần Số lượng vi khuẩn cố định nitơ, ammonium hóa khử nitrate hóa cao so với vi khuẩn nitrate hóa Điều điều kiện mơi trường (như pH, có mặt chất ức chế…) kìm hãm nitrate hóa Sự diện vi khuẩn cố định nitơ giúp cải thiện chất lượng sản phẩm compost Biến động hoạt tính enzyme đống ủ Phosphatase, esterase, amino-peptidase, protease, glycosyl hydrolase enzyme xúc tác cho thủy phân ester phosphate hữu thành orthophosphate, phân cắt liên kết ester, thủy phân protein thành amino acid, phân cắt liên kết glycosidic hợp chất C Các enzyme xem thị cho mức độ phân hủy hợp chất hữu trình ủ hiếu khí Ở đây, hoạt tính acid phosphatase, esterase-lipase, valine aminopeptidase, β-glucosidase, α-glucosidase, β-galactosidase β-glucuronidase phát mức cao tuần thứ 5, sau giảm dần theo thời gian ủ, nhiên trì mức trung bình Trong hoạt tính alkaline phosphatase mức trung bình suốt tuần đầu 1560 HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ SINH THÁI VÀ TÀI NGUYÊN SINH VẬT LẦN THỨ trình ủ hiếu khí, sau giảm xuống mức thấp Lipase, leucine amino-peptidase cystine amino-peptidase thường phát mức thấp, chí α-galactosidase, α-mannosidase, α-fucosidase khơng phát q trình ủ hiếu khí (Bảng 1) Bảng Hoạt tính enzyme ngoại bào đống ủ q trình ủ hiếu khí bùn thải Enzyme Phosphatases Alkaline phosphatase Acid phosphatase Phosphohydrolase Esterases Lipase Esterase-lipase Esterase Amino-peptidases Leucine amino-peptidase Valine amino-peptidase Cystine amino-peptidase Proteases Chymotrypsin Trypsin Glycosyl-hydrolases α-galactosidase β-glucosidase N-acetyl-β-glucosaminidase α-glucosidase β-galactosidase β-glucuronidase α-mannosidase α-fucosidase Thời gian (tuần) 4 4 4 3 3 2 2 1 1 3 3 4 4 3 3 0 4 1 4 1 1 0 1 1 0 1 2 2 4 1 2 2 3 0 4 0 4 4 0 4 4 0 4 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 Ghi chú: 0- không phát hiện, 1- hoạt tính thấp, 2-3 hoạt tính trung bình, 4-5 hoạt tính cao III KẾT LUẬN Các đặc tính lý hóa sinh học đống ủ ln biến động q trình ủ hiếu khí bùn thải nhà máy giấy Bãi Bằng Nhiệt độ cao đống ủ đạt 40oC sau 16 ngày giảm xuống nhiệt độ mơi trường ngồi (tức đạt độ chín) sau tuần ủ Giá trị pH, độ ẩm, hàm lượng chất hữu tỉ lệ C:N đống ủ biến động khoảng 7,0-8,5; 40-60%; 26-40%; 15,2: 1-30:1 Mật độ vi khuẩn hiếu khí, xạ khuẩn, nấm dao động khoảng 4,165,05; 3,86-4,54; 2,29-3,65 log10 CFUg-1 Mật độ vi khuẩn cố định nitơ, ammonium hóa, nitrate hóa khử nitrate dao động khoảng 3,45-4,25; 3,80-4,50; 0,75-1,15; 1,27-3,60 log10 CFUg-1 Mật độ vi sinh vật phân hủy cellulose hemicellulose dao động khoảng 1,62-2,45 1,95-2,75 log10 CFUg-1 Hoạt tính phosphatase acid, esterase-lipase, valine amino-peptidase, β-glucosidase, α-glucosidase, β-galactosidase βglucuronidaseđược phát mức cao, enzyme khác mức trung bình yếu chí hoạt tính số enzyme α-galactosidase, α-mannosidase, α-fucosidase không phát q trình ủ hiếu khí 1561 TIỂU BAN SINH THÁI HỌC VÀ MÔI TRƯỜNG Lời cảm ơn: Nghiên cứu tài trợ Quỹ Phát triển khoa học công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) đề tài mã số: 106-NN.04-2014.53 TÀI LIỆU THAM KHẢO Cu N X., 2015 The ability of sludge from wastewater treatment systems of paper plant to improve soil fertility and crop growth Global Journal of Science Frontier Research: DAgriculture& Veterinary, 14 (10): 81-84 Dinesh K M., Dheeman S & Agarwal M., 2014: Decomposition of organic materials into high value compost for sustainable crop productivity In Dinesh K M (ed.) Composting for Sustainable Agriculture, Vol of the series Sustainable Development and Biodiversity, pp 245267 Springer Feng H W., Zhi Y E., Shi W W., Mao L & Zhou1 P., 2013 Isolation, identification and characterization of a straw degrading Streptomyces griseorubens JSD-1 Afr J Microbiol Res., 7(22): 2730-2735 Greenberg A E., Clesceri L S & Eaton A D., 1992 Standard Methods for the Determination of Water and Wastewater, 18th ed EPS Group Inc., Hanover, Maryland, M A Mandels M & Weber J., 1969 The production of cellulases In: George J.H & Elwyn T.R (ed) Cellulases and Their Applications Advances of Chemistry Series 95, Chapter 23, pp 391414 Springer Rihani M., Malamis D., Bihaoui B., Etahiri S., Loizidou M & Assobhei O., 2010: In-vessel treatment of urban primary sludge by aerobic composting Bioresour Technol., 101(15): 59885995 CHANGES IN PHYSICOCHEMICAL AND BIOLOGICAL PROPERTIES OF PILE DURING BAI BANG PULP AND PAPER MILL SLUDGE COMPOSTING Ngo Thi Tuong Chau, Le Van Thien, Vu Thi Ngoc Tram, Nguyen Tran Ba Minh, Nguyen Thu Trang SUMMARY The disposal and burial of pulp and paper mill sludge have been caused serious environmental pollution and considered as a waste of resources In this circumstance, composting is considered as an economically viable and environmentally acceptable recycling method In present study, the changes in physicochemical and biological properties of pile of Bai Bang PPMS during composting were determined Temperature reached 40°C by the day 16, then gradually decreased to ambient level at the end of composting The pH value, moisture content, organic matter content and C:N ratio changed between the ranges of 7.0-8.5, 40-60%, 26-40%, and 15.2:1-30:1, respectively The microbial populations varied over time as changed the physicochemical and biological properties of pile Activities of phosphatase acid, esteraselipase, valine amino-peptidase, β-glucosidase, α-glucosidase, β-galactosidase andβglucuronidase reached high levels, while others reached moderate or low levels Activities of αgalactosidase, α-mannosidase, and α-fucosidase were undetected 1562 ... Sự biến động nhiệt độ đống ủ trình ủ hiếu khí 1558 HỘI NGHỊ KHOA HỌC TOÀN QUỐC VỀ SINH THÁI VÀ TÀI NGUYÊN SINH VẬT LẦN THỨ Biến động đặc tính lý hóa đống ủ Đặc tính lý hóa đống ủ biến động q trình. .. hoạt tính thấp, 2-3 hoạt tính trung bình, 4-5 hoạt tính cao III KẾT LUẬN Các đặc tính lý hóa sinh học đống ủ ln biến động q trình ủ hiếu khí bùn thải nhà máy giấy Bãi Bằng Nhiệt độ cao đống ủ đạt... vi sinh vật biến động mật độ quần thể vi sinh vật nghiên cứu biến động đặc tính lý hóa đống ủ q trình ủ hiếu khí (Hình 2) 1559 TIỂU BAN SINH THÁI HỌC VÀ MÔI TRƯỜNG Log10CFUg-1 Vi khuẩn hiếu khí