CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.4. Màng sinh học và ứng dụng của màng sinh học trong việc xử lý ô nhiễm nước
1.4.2.2. Ứng dụng của màng sinh học trong xử lý ô nhiễm
Màng sinh học tác động đến rất nhiều lĩnh vực trong cuộc sống hàng ngày. Do vậy nhiều nghiên cứu hiện nay về màng sinh học có ý nghĩa thực tiễn quan trong và ngày càng thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học. Một số ứng dụng cụ thể của màng sinh học nói riêng và các chủng vi sinh vật tạo màng sinh học nói chung là xử lý ô nhiễm.
Trong công nghiệp lên men tại các bể lên men là nơi giữ lại sinh khối vi sinh vật. Thông thường các tế bào ở dạng tự do khó có khả năng được giữ lại trong các bồn lên men sau mỗi mẻ xử lý. Khi đó để tiếp tục một qui trình mới lại phải bổ sung thêm một lượng sinh khối nhất định và đợi thời gian để vi sinh vật có thể sinh trưởng, phát triển tới một nồng độ nhất định mới. Qui trình này gây tốn kém ở khâu nguyên liệu đầu vào cũng như mất thời gian vận hành. Ngược lại khi đã được bám giữ trên bề mặt giá thể bằng mạng lưới biofilm sinh khối vi sinh vật có thể được giữ lại một cách có hiệu quả sau mỗi mẻ xử lý. Những giá thể chất mang có sẵn mạng lưới biofilm có thể được tái sử dụng ở những lần xử lý tiếp theo mà không phải bổ sung thêm vi sinh vật cũng như đợi thời gian phát triển [29].
Dầu thô và các sản phẩm từ dầu được loại bỏ bởi các vi khuẩn phân hủy hydrocarbon. Các vi khuẩn được sử dụng có thể được thả trực tiếp xuống vùng dầu tràn hoặc có thể thả ở vùng ven bờ mà dầu tràn bị sóng đánh vào. Lý do chính ở đây là biofilm giúp tăng hiệu quả lọc nước và làm tăng độ kết dính của vi sinh vật với bề mặt giá thể nơi có dầu tràn. Trong nghiên cứu của Radwan và cộng sự, khi sử dụng các vi khuẩn thuộc chi Acinetobacter và dùng một lớp phủ làm giá thể cho vi khuẩn là tảo, kết quả đã làm giảm được 64-98% n-octadecane và khoảng 38-56% phenanthrene từ mơi trường có chứa 0,03% của hydrocarbon sau 2 tuần [50]. Trong nghiên cứu của Lê Thị Nhi Công cùng cộng sự, đã phân lập từ biển nhóm vi khuẩn
tạo biofilm và có hoạt tính chuyển hóa các chất hydrocacbon thơm đa vòng như napthalene, anthracene, pyren [17].
Một trong những ứng dụng của màng sinh học đang được quan tâm liên quan đến việc làm sạch nguồn nước thải, nguồn nước ngầm bằng công nghệ sinh học. Ứng dụng này bắt nguồn từ thực tế là bản thân vi sinh vật có khả năng phân hủy các chất hữu cơ trong môi trường tự nhiên thành các chất vô cơ đơn giản, ít độc. Đã có nhiều phương pháp xử lý nước thải bao gồm những giai đoạn xử lý mà trong đó nước thải được lọc qua các biofilm nhằm mục đích tách và đồng hóa các hợp chất hữu cơ có hại. Một lượng sinh khối lớn các vi sinh vật trong mạng lưới biofilm làm tăng sự hợp tác trong quá trình trao đổi chất, giúp cho quá trình loại bỏ các chất gây ô nhiễm trong nước diễn ra hiệu quả hơn so với dạng sống tự do. Quá trình phân hủy các chất cũng tỏ ra hiệu quả hơn khi thường sản phẩm của chủng này lại là cơ chất cho một chủng khác trong mạng lưới biofilm, ví dụ trong một mạng lưới biofilm xử lý nước thải có chứa hợp chất nitơ, ion NH4+ được nhóm Nitrosomonas,
Nitrobacter chuyển hóa thành ion NO3-, rồi tiếp tục được các nhóm vi khuẩn yếm khí khác sử dụng để cuối cùng tạo thành N2 đi vào khí quyển [37].
Một số nghiên cứu về vi khuẩn anammox có khả năng xử lý nitơ trong nước thải, đã chỉ ra rằng trong hệ thống các lớp siêu mỏng của lớp màng biofilm của chủng vi khuẩn Planctomycetes có sự phân bố oxy theo lớp. Các lớp phía trên là những lớp giàu oxy trong khi các lớp ở phía dưới cùng nằm trong trạng thái kị khí. Sự phân chia theo lớp màng sinh học sẽ tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình ứng dụng xử lý nước thải giàu hợp chất nitơ vì giai đoạn nitrate hóa là giai đoạn hiếu khí, giai đoạn khử nitrate là giai đoạn kị khí [52].
Những nghiên cứu về biofilm trong xử lý nước thải có chứa các hợp chất nitơ và photpho của Boelee và cộng sự, các nhà nghiên cứu đã sử dụng màng sinh học của vi tảo để thực hiện nghiên cứu này. Kết quả cho thấy, màng sinh học được thiết kế dựa vào các vi tảo đã xử lý được nitơ là 1.0 g/m2/ngày và photpho là 0.13 g/m2/ngày [13].
Wellander và cộng sự khi sử dụng một vật liệu bám sinh khối, thả nổi trong hệ thống xử lý làm giá thể cho các vi sinh vật có khả năng nitrate hóa, đã loại bỏ được đến 90% lượng nitơ tổng số [64]. Hoilijoki và cộng sự đã nghiên cứu khả năng nitrate hóa của vi sinh vật thuộc nhóm nitrate hóa. Kết quả cho thấy, q trình nitrate hóa chỉ xử lý được 61% amoni khi khơng có vật liệu bám cho vi sinh vật, và q trình nitrate hóa xảy ra hồn tồn khi có vật liệu bám cho vi sinh vật trong bể phản ứng bùn hoạt tính [30]. Kết quả này cho thấy, quá trình xử lý nước thải sử dụng màng sinh học sẽ tăng hiệu quả xử lý khi có mặt vật liệu bám cho vi sinh vật.
Bernet và cộng sự đã nghiên cứu ứng dụng khả năng chuyển hóa nitơ và tạo màng sinh học của vi sinh vật. Mẫu ban đầu có hàm lượng NH4+ là 250 mg/l, sau 2 ngày, hàm lượng NH4+ giảm xuống chỉ cịn 5 mg/l, hiệu quả của q trình xử lý lên đến 98% [12].
Kết quả nghiên cứu ứng dụng vi sinh vật có khả năng tạo màng sinh học trong xử lý ô nhiễm nước thải đặc biệt là nước thải giàu nitơ và photpho hiện nay chưa nhiều. Các cơng trình cơng bố liên quan đến lĩnh vực ứng dụng nghiên cứu này chưa nhiều, còn thiếu cả về số lượng lẫn chất lượng. Tại Việt Nam tình hình ơ nhiễm nước thải ngày một gia tăng do đó việc cấp thiết là tìm một phương pháp xử lý hiệu quả là cần thiết. Vì vậy, để phù hợp với mục đích nghiên cứu và ứng dụng xử lý ô nhiễm tại Việt Nam, chúng tôi đã tiến hành thực hiện đề tài phân lập nghiên cứu các chủng vi sinh vật có khả năng tạo màng sinh học và có khả năng xử lý nước thải giàu hợp chất nitơ, photpho với mục tiêu:
Phân lập các chủng có hoạt tính tạo biofilm mạnh đồng thời có khả năng xử lý nitơ và photpho
Bước đầu nghiên cứu tối ưu các điều kiện cho sự sinh trưởng phát triển của các chủng vi sinh vật này để có thể áp dụng trong cơng nghệ xử lý nước thải giàu nitơ và photpho