Đánh giá chất lượng của sản phẩm bùn kỵ khí BKM

- Nguyên lý vận hành: Nước thải được phân phối từ dưới lên, qua lớp bùn kỵ khí,

Chương 3– KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1.3. Đánh giá chất lượng của sản phẩm bùn kỵ khí BKM

a) Đánh giá về mật độ vi sinh vật

Mẫu bùn nuôi sau 20 ngày có hoạt tính sinh methane ổn định và tỷ lệ methane cao nhất được đánh giá về mật độ vi sinh vật theo hai nhóm (i) tổng số vi khuẩn lên men kỵ khí và (ii) tổng số methanogen. Các nhóm vi sinh vật này được

xác định bằng phương pháp MPN sử dụng môi trường dịch thể đặc hiệu. Kết quả thu được cho thấy bùn BKM đã có mức sinh trưởng cao trong điều kiện môi trường nước biển và cơ chất cám gạo lên men, đạt mật độ methanogen 2,8109 MPN/ml và mật độ vi khuẩn kỵ khí tổng số 4,61010 MPN/ml. Mật độ vi sinh vật thu được trong nghiên cứu này là rất cao so với bùn kỵ khí từ hệ thống UASB (methanogen  4108 MPN/ml, vi khuẩn lên men 9,5109 MPN/ml) [15] hay trong hạt bùn bể biogas (methanogen  106 MPN/ml) [14].

b) Đánh giá về thành phần vi sinh vật

Thành phần vi khuẩn kỵ khí trong bùn BKM

Theo kết quả nghiên cứu trên, vi khuẩn kỵ khí trong bùn BKM được xác định bằng phương pháp MPN đạt mật độ 4,61010 MPN/ml. Tiếp theo, để xác định thành phần lồi vi khuẩn thuộc nhóm này chúng tôi đã tiến hành tách chiết DNA genome của quần xã vi khuẩn trong các ống MPN, khuyếch đại đoạn 16S rDNA và phân tách trên gel điện di biến tính. Cụ thể, các ống MPN ở nồng độ pha loãng 100, 10-3, 10-6, 10-9 được lựa chọn để tiến hành phân tích PCR-DGGE (Hình 3.3).

Hình 3.3. Phân tích PCR-DGGE đoạn 16S rDNA của vi khuẩn lên men kỵ khí

Kết quả cho thấy, đã có sự phân hóa rõ rệt trong quần xã vi khuẩn kỵ khí tại các ống MPN có nồng độ pha lỗng từ 100 đến 10-9. Nếu như ở ống MPN 100 (giếng số 1) quan sát thấy 5 băng điện di thì đến ống MPN 10-3 quan sát thấy 2 băng (giếng số 2), tại các ống MPN 10-6 và 10-9 (tương ứng giếng số 3 và số 4) chỉ còn quan sát thấy 1 băng điện di. Ở các ống MPN 103, 106, 109 các băng điện di khác hẳn so với ống 100, chứng tỏ điều kiện sinh trưởng trong các ống MPN có thể đã thích nghi với một nhóm vi khuẩn khơng chiếm ưu thế trước đó trong mẫu bùn gốc, tạo điều kiện cho nhóm này sinh trưởng mạnh ở các độ pha loãng cao. 6 băng DGGE rõ nét gồm: 0.3, 0.4, 0.5, 3.1, 6.3, 9.3 được cắt, thôi gel và giải trình tự. Cây phát sinh chủng loại dựa trên trình tự 16S rDNA của các băng điện di biến tính và các lồi đã cơng bố trên GenBank (Hình 3.4) cho thấy Clostridium spp. chiếm ưu thế trong

mẫu bùn kỵ khí BKM (các băng 0.3, 0.4, 0.5 đều có độ tương đồng cao nhất với các loài Clostridium). Bacillus spp. (các băng 6.3, 9.3) và Staphylococcus spp. (băng

3.1) là các nhóm vi khuẩn có mặt trong mẫu bùn BKM gốc nhưng không chiếm ưu thế, tuy nhiên được phát hiện do có tính cạnh tranh cao hơn trong mơi trường ni cấy sử dụng cho phân tích MPN.

Clostridium spp. là nhóm vi khuẩn kỵ khí, đóng vai trị quan trọng trong q

trình thủy phân và lên men các cao phân tử hydratcacbon 45. Nhóm vi khuẩn này cũng thường được phát hiện với số lượng lớn trong các bể lên men kỵ khí sinh methane 77. Ngồi ra, Bacillus spp. mặc dù không phải là các vi khuẩn kỵ khí

điển hình nhưng có khả năng tồn tại trong điều kiện kỵ khí nhờ sinh bào tử và một số lồi có khả năng hơ hấp bằng nitrate. Bên cạnh đó, Bacillus spp. cịn có khả năng sinh enzyme ngoại bào thủy phân các loại hợp chất cao phân tử khác nhau, đặc biệt là hydratcacbon 78.

Hình 3.4. Cây phát sinh chủng loại Neibourgh joining dựa trên trình tự đoạn 16S rDNA

của các băng DGGE và các lồi gần gũi đã cơng bố trên GenBank.

(Đơn vị = 0,02 Knuc trong trình tự nucleotide. Các số hiển thị ở các vị trí phân nhánh là kết quả phân tích bootstrap đối với 1000 phép so sánh. Escherichia coli được chọn làm nhóm

đối chứng).

Thành phần methanogen

Thành phần methanogen trong bùn kỵ khí BKM đã được phân tích thơng qua thiết lập thư viện gen 16S rDNA [6,8]. Kết quả nghiên cứu đã công bố trước đây cho thấy thành phần methanogen trong bùn BKM khá đa dạng, bao gồm các loài thuộc nhóm ưa acetate như Methanosarcina spp. (9,1%) và Methanosaeta spp

(9,1%) và các loài ưa hydro như Methanogenium spp (9,1%) và Methanoplanus

spp. (18,2%). Ngồi ra, có tới 55% các trình tự trong thư viện gen 16S rDNA được xếp vào nhóm cổ khuẩn chưa phân lập được [8]. Với cấu trúc quần xã có tính đa dạng cao như vậy, bùn BKM có khả năng thích nghi tốt với nhiều loại chất thải hữu

c) Đánh giá về hoạt tính sinh methane (SMA)

Hoạt tính sinh methane (SMA) là một thơng số quan trọng để đánh giá chất lượng của bùn kỵ khí, thể hiện khả năng của bùn trong việc chuyển hóa một cơ chất cụ thể thành methane [34]. Do acetate là nguồn cơ chất quan trọng nhất trong quá trình sinh methane từ chất thải hữu cơ, trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng môi trường nước biển nhân tạo có chứa Na-acetate (10 mM) làm cơ chất để xác định hoạt tính sinh methane của bùn BKM. Hoạt tính sinh methane của bùn kỵ khí chứa tổ hợp vi sinh BKM trong dịch ni được xác định hoạt tính sinh methane với cơ chất Na-acetate (Hình 3.5).

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

Theo lượng COD đã được chuyển hóa và lượng methane sinh ra tại các thời điểm, bùn kỵ khí BKM khi được ni ở điều kiện môi trường nước biển nhân tạo với cơ chất Na-acetate (10 mM) có hoạt tính sinh methane ổn định ở mức 0,867±0,042 gCOD-CH4/gVSS.ngày sau 5 ngày và liên tục duy trì ổn định ở 10 ngày tiếp theo. Shin và cs. (2001) cũng công bố SMA của bùn trong hệ thống UASB xử lý nước thải từ nhà máy thực phẩm là 0,81 gCOD-CH4/VSS.ngày [64]. Ở Việt Nam, tác giả Nguyễn Thị Thanh và cs. tại trường Đại học Bách khoa Hà Nội (2016) đã hoạt hóa bùn kỵ khí dùng trong bể UASB xử lý nước thải sơ chế mủ cao

su đạt hoạt tính sinh methane 0,831±0,013 gCOD-CH4/gVSS.ngày [11]. Như vậy, bùn kỵ khí BKM qua q trình nhân ni vẫn đạt hoạt tính sinh methane tốt, tương đương với các loại bùn kỵ khí ở trạng thái hoạt động ổn định trong các nghiên cứu đã công bố trước đây.

d) Đánh giá về chỉ số thể tích bùn lắng (SVI)

Chỉ số lắng SVI thể hiện kết cấu của bùn, khả năng lưu lại trong bể xử lý mà khơng bị rửa trơi theo dịng nước thải ra. Bùn có chỉ số SVI càng thấp thì khả năng lắng càng cao và càng ít bị rửa trơi trong các hệ thống xử lý. Vì vậy, chỉ số SVI là thông số cần thiết để đánh giá chất lượng bùn kỵ khí trước khi đưa vào các hệ thống xử lý trong thực tế. Chỉ số SVI của bùn BKM sau q trình nhân ni được so sánh với bùn giống ban đầu (trước nhân ni) (Hình 3.6).

Hình 3.6. So sánh chỉ số SVI của bùn kỵ khí BKM trước và sau nhân ni

Kết quả cho thấy chỉ số SVI của bùn giống BKM ban đầu là 18,6±1,34 ml/g, bùn BKM sau khi nhân nuôi là 15,8±0.84 ml/g. Theo nghiên cứu của Ghangrekar (2005), khi SVI trong khoảng 20 – 40 ml/g bùn ở dạng kết bông và SVI trong khoảng 10 – 20 ml/g bùn ở dạng hạt [32]. Như vậy, bùn kỵ khí BKM trước và sau nhân ni đều có cấu trúc dạng hạt, trong đó, bùn sau nhân ni có chỉ số SVI thấp hơn so với bùn giống ban đầu (khoảng 2,8 ml/g). Kết quả này cho thấy hệ vi sinh vật trong bùn giống q trình nhân ni đã được tích lũy ở mật độ cao hơn trong các

hạt bùn, giúp chúng tăng tỷ trọng và có kết cấu bền vững hơn. Với chỉ số SVI trong khoảng 15 – 16,5 ml/g như trên, bùn kỵ khí BKM sau khi được nhân nuôi đã sẵn sàng được đưa vào các hệ thống xử lý trong thực tế.

e) Đánh giá về kích thước hạt bùn

Kích thước hạt bùn là một trong những thông số quan trọng nhất ảnh hưởng tới hiệu quả vận hành ở các hệ thống xử lý chất thải dựa trên nguyên lý phân hủy kỵ khí. Trong thực tế kích thước hạt bùn thường khơng đồng đều, tuy nhiên chủ yếu chỉ dao động trong khoảng giới hạn 1 – 2 mm. Trong nghiên cứu này, để đánh giá chất lượng của bùn BKM sau q trình nhân ni, chúng tơi đã tiến hành đo kích thước hạt bùn và so sánh với bùn giống ban đầu (Hình 3.7).

Hình 3.7. Bùn giống ban đầu (trái) và bùn kỵ khí sau nhân ni (phải)

(Thanh chèn tương ứng 2 mm)

Quan sát dưới kính lúp có thể thấy hạt bùn trong bùn BKM giống và sau quá trình nhân ni đều có màu đen, hình cầu hoặc ơ van. Hạt bùn giống ban đầu có kích thước khá đồng nhất, tuy nhiên có kích thước nhỏ hơn so với bùn BKM sau nhân ni. Để đánh giá chính xác kích thước hạt bùn trong bùn giống và bùn sau nhân nuôi, chúng tôi đã tiến hành sàng lọc phân loại qua sàng với nhiều mức kích thước lỗ khác nhau (Hình 3.8).

Hình 3.8. Phân bố kích thước của bùn kỵ khí BKM giống và bùn sau q trình nhân ni

Kết quả cho thấy q trình nhân ni đã giúp tích lũy các hạt bùn có kích thước lớn hơn, dẫn đến thay đổi về phân bố kích thước hạt trong bùn. Cụ thể, đã xuất hiện hạt bùn có kích thước > 2 mm (chiếm 8.4%), tăng tỷ lệ hạt bùn có kích thước 1 – 2 mm từ 31.1% trong bùn giống lên 51.3%. Tỷ lệ hạt bùn có kích thước 0,5 – 1 mm giảm từ 48.2% trong bùn giống xuống 34,4%. Số lượng hạt bùn có kích thước < 0,5 mm đã giảm rõ rệt xuống còn 5,9% (tương đương giảm khoảng 4 lần). Theo các nghiên cứu đã cơng bố, bùn kỵ khí ở trạng thái có hoạt tính tốt thường chứa hạt bùn có kích thước dao động trong khoảng 1 – 2 mm ở tỷ lệ lớn [40]. Bùn kỵ khí BKM sau q trình nhân ni có tỷ lệ hạt 1 – 2 mm trên 50%, chứng tỏ đáp ứng yêu cầu cho quá trình xử lý chất thải ở quy mô thực tế.

Như vậy, sau q trình nhân ni bùn giống, đã thu được bùn kỵ khí có màu đen, dạng hạt, có mật độ vi khuẩn tổng số là 4,6x1010 MPN/ml, mật độ methanogen là 2,8x109 MPN/ml, SMA đạt 0,867±0,042 gCOD-CH4/gVSS.ngày, chỉ số SVI là 15,8±0.84 ml/g, tỷ lệ hạt bùn có kích thước 1 – 2 mm chiếm >50% trong phân bố kích thước hạt. Bùn kỵ khí BKM sau q trình nhân ni có các thơng số đạt tiêu chuẩn của bùn có hoạt tính tốt.