Ứng dụng vi sinh học quá trình feammox trong xử lý nước thải nhiễm amoni

ANH HƯỚNG CUA DƯ LƯỢNG NITƠ TRONG NƯỚC THAI TỚI HỆ SINH THÁI

Khí nitơ (N;) chiếm ~ 79% khí quyên trên trái đất, có cấu trúc phân tử bền vững (N=N), chỉ tham gia các phản ứng hóa học khí có các yếu tố xúc tác mạnh (sắm sét/nhiệt độ và áp suất cao), hoặc nhờ enzyme nitrogenase ở một số vi sinh vật, được chuyên hóa thành NH,’ và bắt đầu đi vào chu trình tuần hoàn nito [Bitton,. Loài vi khuẩn này có ty lệ tương đồng về trình tự 16S rRNA rat thấp với các loài đã biết như Ferrimicrobium acidiphilum (92%), Acidimicrobium ferrooxidans (90%), chứng tỏ đây là một nhóm phân loại mới cần được nghiên cứu dé xác định vị trí tiến hóa [Huang, Jaffé, 2015; Huang, Jaffé, 2018; Ruiz-Uriguen et al., 2019].

LOẠI BO NITƠ TRONG NƯỚC THAI BANG BIEN PHÁP SINH HỌC

Tuy nhiên, trải qua thời gian đài ứng dụng, mặc dù không ngừng được cải tiến trong thiết kế và vận hành, công nghệ này vẫn bộc lộ một số điểm hạn chế như (i) có chi phí vận hành cao (chủ yếu trong bước cấp oxy cho vi khuẩn nitrate hóa ở bể hiếu khí và bố sung methanol làm nguồn carbon và năng lượng cho NRB ở bể thiếu khí), và (ii) yêu cầu được kiểm soát chặt chẽ dé các bước xử lý ky khí — thiếu khí — hiếu khí với điều kiện vận hành rất khác nhau có thể diễn ra nhịp nhàng và đạt hiệu quả cao. Ngoài Fe**, 9,10- anthraquinone-2,6-disulfonate (AQDS) cũng là chất nhận điện tử dành cho VSV feammox. Trong nghiên cứu của Yang và cs. Điện cực và AQDS. cũng được chứng minh là có tác dụng hỗ trợ quá trình feammox ở chủng vi khuẩn Acidimicrobiaceae A6, chủng này sinh trưởng bám dính trên bề mặt điện cực dương. Nghiên cứu cũng. chi ra khả năng có thé dùng điện cực dé thay thé cho Fe** trong quá trình feammox xử lý nước thải thực tế. Như vậy, quá trình feammox được thực hiện trong điều kiện ky khí hoàn toàn, do vậy giảm tiêu tốn năng lượng để cấp oxy cho bước nitrate hóa như ở các. quy trình công nghệ trước đây. tê sẽ bị hạn chê do một sô nguyên nhân sau:. - _ Thứ nhất, carbon hữu co trong nước thải cần được xử lý hoàn toàn trước khi chuyền sang quy trình loại bỏ NH¿ bang feammox dé giảm thiểu sự cạnh. tranh của các loài dị dưỡng, cũng như đáp ứng tính mẫn cảm của quá trình. này đối với carbon hữu cơ. carbon hữu co làm nguồn điện tử) hoặc (ii) chuyên hóa trực tiếp thành N>.

DOI TƯỢNG VA VAT LIEU NGHIÊN CỨU 1. Đối tượng nghiên cứu

Hóa chất: Hóa chất dé pha môi trường nuôi VSV do hãng Merck (Đức), Wako (Nhật Bản), BioBasic (Canada) cung cấp; hóa chất cho các thí nghiệm phân. Thiết bị: nghiên cứu được thực hiện bằng các trang thiết bị tại các phòng thí nghiệm của Viện VSV và Công nghệ sinh học, Đại học Quốc gia Hà Nội. Trong đó chủ yếu là tại Phòng thí nghiệm Sinh thái VSV ứng dụng, Phòng thí nghiệm Nghiên cứu và Phát triển công nghệ cao, Phòng thí nghiệm Enzyme và Protein.

- Thiết bi đo quang phổ Beckman Coulter, Mỹ - Thiết bị ly tâm lạnh dé ban Eppendorf, Đức - Thiết bị khử trùng khô Memmert, Đức. Môi trường ferricitrate (FC): được sử dung dé phân lập vi khuan feammox và xác định mật độ vi khuẩn (phương pháp MPN). * Ferrihydrite được sử dụng thay thế cho ferricitrate cũng với hàm lượng 30 mM trong các thí nghiệm cần thiết.

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Sơ đồ bồ trí thí nghiệm

Các bề có nap đậy và khóa gai đảm bảo kín khí, thông với nhau qua hệ thông ống dẫn hướng đáy dé nước thải di chuyên từ bể trước sang bê tiếp theo bằng chảy tran và tiếp xúc với bùn ky khí ở đáy. Mô hình được thiết kế theo cách linh hoạt, tức là ba bé có thé (i) làm việc độc lập va cho phép tiến hành song song các thí nghiệm khác nhau theo chế độ mẻ đảm bảo tương đồng về điều kiện xử lý (nhiệt độ, pH, thời gian) hoặc (ii) làm việc như một hệ thống nhất khi vận hành liên tục, tuy nhiên cho phép đánh giá được yếu tố. Các VSV feammox được làm giàu trực tiếp trong mô hình bằng cách bơm tuần hoàn dịch nước thải nhân tạo có thành phần như môi trường FRB (Bảng 2.1), bổ sung NH,* va Na-acetate, tốc độ bơm 2 mL/phút, trong 30 ngày, nhiệt độ dao động trong khoảng 30 + 2 °C.

- Kết quả làm giàu VSV feammox trong mô hình được đánh giá thông qua biến đổi của hàm lượng cỏc chất cú liờn quan gồm NH,*, COD, Fe”, NOằ, NO; và lượng khí N; sinh ra trong các bề của mô hình. FC dich thé (đã được loại bỏ oxy), sau đó 1 mL dịch tế bào ở các nồng độ pha loãng khác nhau được cấy vào các ống nghiệm chứa 9 mL môi trường FC bán lỏng (được giữ ở trạng thái lỏng trong bể ổn nhiệt 40°C), trộn đều bằng cách đảo đầu ống nghiệm rồi để nguội và sục khí argon trong 30 giây. Nghiên cứu đánh giá khả năng oxy hóa NH," hiếu khí của vi khuẩn được thực hiện trong các bình Erlenmeyer chứa môi trường FC, bố sung NH¿” (10 mM) làm chất cho điện tử và Na-acetate (1 mM) làm nguồn carbon.

NGHIÊN CỨU HỆ VSV ĐƯỢC LÀM GIÀU TRONG MÔ HÌNH 1. Phân tích hệ VSV bằng phương pháp PCR-DGGE

Kết quả thớ nghiệm MPN (Bảng 3.1) cho thấy, sau 21 ngày theo dừi, vi khuẩn khử Fe** đều có khả năng phát triển trên cả hai loại môi trường có chứa Fe** ở dạng hòa tan (môi trường FC) và ở dạng không hòa tan (môi trường FRB). (băng điện di số 4 và 6) có mặt trong các mau sử dụng ferrihydrite là nguồn Fe** làm chất nhận điện tử (NI, FRBNI, FRBN3) nhưng không có mặt trong các mẫu sử dụng Fe-citrate là nguồn Fe” (FCNI, FCN3). Như vậy, hệ vị khuẩn được làm giàu ở điều kiện feammox “dị dưỡng — pH trung tính” gồm các đại diện của vi khuẩn khử Fe** điển hình thuộc lớp y- Proteobacteria (gồm các loài ky khí tùy tiện, như Pseudomonas sp.) và lớp 8- Proteobacteria (gồm các loài ky khí bắt buộc, như Geobacter sp. va Geoalkalibacter sp.).

Kết quả cho thay các vi khuẩn trong mẫu bùn đa số thuộc lớp y- Proteobacteria, tín hiệu huỳnh quang từ các tế bào bắt cặp với đầu dò GAM42a (Hình 3.5d) chiếm > 90% tín hiệu nhuộm DAPI từ cùng một vi trường (Hình 3.5c). Ching FN9 gần gũi nhất với Pseudomonas stutzeri, là loài vì khuẩn thuộc lớp y-Proteobacteria, được chứng minh là có khả năng sinh trưởng bằng khử nitrate và oxy hóa NH," di dưỡng [Silva et al., 2020]. Kết quả đánh giá thông qua lượng Fe”” sinh ra trong môi trường cho thấy cả hai chủng FN7 va FN9 đều khử Fe** khi Na-acetate là nguồn điện tử (Hình 3.10), không phân biệt nguồn Fe** ở dang Fe-citrate hay ferrihydrite.

XÁC ĐỊNH ANH HUGNG CUA CARBON HỮU CƠ TỚI QUÁ TRINH OXY HểA NH¿* TRONG Mễ HèNH - THÍ NGHIỆM THEO ME

Mặc dù vậy, sự có mặt thường xuyên của Fe** trong môi trường trong suốt quá trình thí nghiệm là minh chứng cho quá trình khử Fe** đã diễn ra. Phân tích thành phan khí trong các bể chỉ có N>, chứng tỏ không xảy ra việc oxy hóa carbon hữu cơ thành CH, trong mô hình (Hình 3.13B). Ngược lại, trong bê 2 và 3 cũng như trong bê đối chứng không bé sung carbon hữu co, RP dao động ở mức độ lớn, chu yếu là ở mức dương từ +20 mV trở lờn.

Kết quả phân tích RP cũng cho thấy quá trình khử NO¿_ có thể thuận lợi diễn ra trong mô hình, sử dụng nguồn điện tử từ Fe” do quá trình feammox sinh ra, bên cạnh carbon hữu cơ sẵn có. Trong quá trình feammox, oxy hóa NH," có thể diễn ra theo các hướng khác nhau tùy thuộc vào điều kiện pH trong môi trường. (ngay) Thuc Thực Lý thuyết Thực Lý thuyết Thực Lý thuyết. a) Acetate bi oxy hóa theo lý thuyết: là lượng acetate can thiết sử dung dé khử NO; nếu NO;. b) Khí N; sản sinh ở điều kiện feammox theo lý thuyết: là lượng khí tạo thành từ quá trình oxy. c) Lượng NO; có thé được tạo thành khi quá trình feammox xảy ra theo phản ứng 1.10 (hoặc qua.

THU NGHIỆM XỬ LÝ NH¿' TRONG MÔ HÌNH FEAMMOX THEO CHE ĐỘ VẬN HÀNH LIÊN TỤC

Dé xác định hướng ứng dụng tiềm năng này chúng tôi tiến hành thí nghiệm xử lý theo chế độ vận hành liên tục nước thải nhân tạo chứa NH," và carbon hữu cơ ở mức thấp hơn các thí nghiệm theo mẻ như trên. Tuy nhiên, van còn sớm dé kết luận rằng sự chuyền hóa NH," thành N; chỉ do một mình quá trình feammox vi trong một hệ thống phức tạp như vậy, các nhóm vi khuẩn khác của chu trình nito cũng có thê tồn tại và tham gia vào các bước chuyên hóa. Trong thế giới ky khí, Fe** là chất nhận điện tử đặc biệt so với với các chất nhận điện tử khác ở hai đặc điểm là (i) không hòa tan trong nước và (ii) tính luân chuyền liên tục của hai dạng Fe**@ Fe”” trong pha ran (bùn lắng) va pha lỏng (nước thải).

Quá trình feammox ở điều kiện dị dưỡng và pH trung tính được nghiên cứu trong mô hình phòng thí nghiệm quy mô 3 L/ngày đêm chỉ ra rằng carbon hữu cơ đóng vài trò thúc day phản ứng feammox và khí N; là sản phẩm chuyên hóa NH, cuối cùng. Kết quả này mở ra hướng nghiên cứu phát triển công nghệ mới dựa trên nguyên lý feammox dé loại bỏ NH,* và COD trong nước thải, khắc phục những hạn chế của công nghệ nitrate hóa — khử nitrate va nitrite hóa bán. Le Phuong Chung, Nguyen Thi Hai, Nguyen Huynh Minh Quyen, Pham The Hai, Dinh Thuy Hang (2021), “lron-reducing B- and y-proteobacteria isolated from laboratory-scaled heterotrophic feammox bioreactor”, Vietnam Journal of Biotechnology 19(2): 359-369.