CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN
1.2. Tổng quan về các chủng vi sinh vật ưa nhiệt
1.2.3. Tình hình nghiên cứu ứng dụng vi khuẩn ưa nhiệt trong tái sử dụng bùn thả
thải làm phân bón phục vụ cho nơng nghiệp.
a. Tình hình nghiên cứu trên thế giới về ứng dụng vi khuẩn ưa nhiệt trong tái sử dụng bùn thải làm phân bón phục vụ cho nơng nghiệp.
Ủ hiếu khí là q trình phân hủy sinh học và ổn định các hợp chất hữu cơ trong chất thải xảy ra dưới điều kiện hiếu khí được kiểm sốt. Trái ngược với sự phân hủy các hợp chất hữu cơ một cách tự nhiên khơng được kiểm sốt, nhiệt độ trong đống ủ chất thải có thể tự gia tăng do hoạt động của các vi sinh vật ưa nhiệt trung bình (25- 40°C) và ưa nhiệt cao (50-70°C). Sản phẩm cuối cùng của ủ hiếu khí là một sản phẩm sinh học ổn định như mùn (compost), được sử dụng làm phân bón hữu cơ. Mục tiêu chính của q trình này là ổn định, giảm lượng chất thải, loại bỏ các tác nhân gây bệnh và giảm thiểu hàm lượng kim loại nặng (nếu có) trong chất thải hữu cơ. Hầu hết chất thải hữu cơ đều có thể được xử lý bằng phương pháp này. Việc xử lý sơ bộ các chất thải hữu cơ bằng ủ hiếu khí trước khi chơn lấp có thể hạn chế sự phát thải các khí nhà kính.
Phương pháp ứng dụng vi sinh vật rất quan trọng trong q trình ủ hiếu khí. Trên thực tế, hệ vi sinh vật cần thiết cho q trình này đã có sẵn trong ngun liệu hữu cơ, chúng có thể tự thích nghi và phát triển theo từng giai đoạn của quá trình ủ hiếu khí. Tuy nhiên, việc bổ sung vi sinh vật hoặc enzyme của chúng cùng với việc kiểm soát tốt các điều kiện môi trường cho hoạt động của vi sinh vật chính là nhân tố quyết định sự thành công của q trình ủ hiếu khí.
Gaur (1982) đã nghiên cứu bổ sung vào đống ủ các nấm phân hủy cellulose và lignin, đó là Trichuris spiralis, Paeciliomyces fusisporus, Trichoderma và
cần thiết để hồn tất q trình ủ hiếu khí, đồng thời cải thiện chất lượng của phân bón thành phẩm.
Tiwari (1989) đã báo cáo hiệu quả của việc cấy nấm phân hủy cellulose vào đống ủ trong q trình ủ hiếu khí chất thải nơng trại sữa.
Gaur và Sadasivam (1993) đã nghiên cứu bổ sung nấm Aspergillus niger và
Penicillium spp. vào q trình ủ hiếu khí ngun liệu rơm rạ lúa mì và nhận thấy
hàm lượng dinh dưỡng của sản phẩm phân hữu cơ đã được cải thiện rõ rệt.
Gaur và Singh (1995) đã cho biết hiệu quả của việc sử dụng các chủng nấm có khả năng phân hủy cellulose (Trichuris spiralis, Paecilomyces fusisporus,
Trichoderma viride và Aspergillus sp.) đã làm giảm 5-10% thể tích đống ủ và tăng
hàm lượng N tổng số trong compost với tỉ lệ 300 g/tấn chất thải hữu cơ.
Ahlawat và Vijay (2000) đã nghiên cứu tiềm năng của vi khuẩn ưa nhiệt để được ứng dụng làm giống vi sinh vật bổ sung vào đống ủ cho sản xuất phân hữu cơ từ nấm nút trắng (Agaricus bisporus). Kết quả cho thấy vi khuẩn ưa nhiệt được phân lập từ mẫu compost có nhiệt độ tối ưu cho sự phát triển là 43-55oC. Hoạt tính exoglucanase và endoglucanase cao nhất đã được ghi nhận ở Staphylococcus sp.
trong khi hoạt tính cao nhất của ß- glucosidase được ghi nhận ở Bacillus bresvis và
B. megaterium, và hoạt tính xylanase cũng như laccase ở B. stearothermophillus. Staphylococcus sp. cũng thể hiện hoạt tính xylanase cao thứ hai. Sản phẩm compost
được sản xuất với việc bổ sung hai chủng vi khuẩn tiềm năng (Staphylococcus sp. và B. megaterium) trong q trình ủ hiếu khí ở quy mơ thương mại đã không thể hiện sự biến đổi đáng kể về các đặc tính lý hóa, tuy nhiên, compost được chuẩn bị với Staphylococcus sp. đã giúp thu hoạch nấm sớm hơn 1,5-2,0 ngày và tăng đáng kể sản lượng nấm trong hai lơ ni trồng. Vì vậy Staphylococcus sp. có tiềm năng
trong việc chuyển chất thải nông nghiệp thành phân compost sử dụng hiệu quả trong nuôi trồng nấm nút trắng.
Singh và Sharma (2003) đã cấy các chủng vi sinh vật khác nhau bao gồm
Pleurotus sajor, Trichoderma harzianum và Azotobacter chroococcum vào một số loại chất thải (hỗn hợp rác thải sinh hoạt và chất thải trồng cây cảnh) theo các tỉ lệ
khác nhau. Các chất thải đã được phân hủy trong một khoảng thời gian nhất định và sau đó được chuyển sang ủ hiếu khí trong thời gian cố định là một tháng. Sự kết hợp của P. sajor, T. harzianum và A. chroococcum đã tạo ra một sản phẩm phân
compost có hàm lượng dinh dưỡng cao.
Balasundaran (2008) đã tiến hành nghiên cứu đặc tính của các vi sinh vật ưa nhiệt hiện diện trong các nguyên liệu chất thải hữu cơ khác nhau và xác định một tập hợp các vi sinh vật thích hợp cho việc phân hủy các dạng khác nhau của chất thải. Số lượng vi khuẩn, xạ khuẩn và nấm của các mẫu compost được nhận thấy là khác nhau đáng kể. Mật độ của mỗi quần thể vi sinh vật phụ thuộc vào bản chất và các đặc tính hóa học của ngun liệu thơ được sử dụng. Có 128 chủng vi sinh vật bao gồm 49 chủng vi khuẩn, 62 chủng xạ khuẩn và 17 chủng nấm đã được tuyển chọn cho các nghiên cứu chi tiết. Phần lớn vi khuẩn (61,2%) và xạ khuẩn (59,7%) phân lập được có một nhiệt độ tối ưu cho sự sinh trưởng và phát triển là trong khoảng 50-55oC; nhưng nấm lại có một nhiệt độ tối ưu tại 50-60oC. Hơn 69% vi khuẩn phân lập được thuộc về giống Bacillus. Tất cả các chủng vi sinh vật đã được phân tích cho khả năng sản sinh các loại enzyme, cụ thể là amylase, catalase, cellulase, phenol oxidase và xylanase. 14 chủng đã được tuyển chọn để kiểm tra tính phù hợp của chúng trong vai trị là tập hợp giống bổ sung nhằm thúc đẩy q trình ủ hiếu khí xảy ra dựa vào các đặc tính sinh hóa và khả năng sinh tổng hợp enzyme của chúng. Các chủng này đã không thể hiện sự đối kháng lẫn nhau. Việc bổ sung tập hợp giống này vào q trình ủ hiếu khí ngun liệu cỏ dại trong rừng, chất thải dược thảo và vỏ xơ dừa đã tăng cường tốc độ ủ một cách đáng kể, tương ứng đến 19, 22 và 26 ngày.
Tuy nhiên, từ những năm của thập kỷ 70, với việc nâng cấp và xây dựng các nhà máy xử lý bùn thải sinh hoạt và sự tăng đồng thời về số lượng bùn thải được tạo ra ở Mỹ, sự quan tâm đã tập trung vào ủ hiếu khí bùn thải chất lượng tốt để sử dụng trong nông nghiệp và cây cảnh.
Năm 1972, để hạn chế việc thải bỏ một lượng bùn thải ngày càng gia tăng nhanh chóng, trung tâm bùn thải của thành phố Fukuoka (Nhật Bản) đã được xây dựng để
ủ hiếu khí bùn thải bằng phương pháp ủ hiếu khí tốc độ cao (high-rate composting). Khác với phương pháp ủ hiếu khí trước đây mà bùn thải bị phân hủy bởi vi sinh vật trong một thời gian dài, trong phương pháp ủ hiếu khí tốc độ cao, điều kiện hiếu khí có thể được lưu giữ dài như có thể. Một vài nghiên cứu đã đề cập đến quá trình ủ hiếu khí tốc độ cao nhưng chỉ về khía cạnh lắp đặt thiết bị cho hệ thống. Xét một cách tồn diện, nghiên cứu cơ bản về q trình ủ hiếu khí tốc độ cao này chưa được tiến hành, kể cả hệ vi sinh vật đóng vai trị trung tâm trong hệ thống cơng nghệ của phương pháp ủ hiếu khí tốc độ cao. Với đặc trưng của phương pháp ủ hiếu khí tốc độ cao, sự phân hủy chất hữu cơ bằng vi sinh vật có thể bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ cao, thậm chí chỉ trong một thời gian ngắn.
Năm 1973, chỉ một số ít các nhà máy ủ phân tại Mỹ sử dụng bùn thải làm nguyên liệu đầu vào. Mười năm sau, có ít nhất 65 nhà máy thực hiện ủ hiếu khí bùn thải đã đi vào hoạt động, trong đó 43 nhà máy sử dụng phương pháp Beltsville (Willson và Dalmat, 1983). Hiện nay có thêm 20 nhà máy khác hoặc đang trong thiết kế cuối cùng hoặc đang được xây dựng. Khơng chỉ ở Mỹ, q trình ủ hiếu khí bùn thải đã thu hút được sự quan tâm bởi nhiều nước trên thế giới bởi có thể làm giảm đáng kể thể tích của vật liệu hữu cơ, tiêu diệt tác nhân gây bệnh và tạo phân bón hữu cơ chất lượng cao...
Các đặc tính của bùn thải thay đổi và phụ thuộc vào một loại nước thải và phương pháp xử lý. Tỷ lệ % chất thải công nghiệp và thành phần của chúng cũng có thể có một ảnh hưởng quyết định đến chất lượng bùn được hình thành cũng như sản phẩm của q trình ủ hiếu khí bùn thải.
Suita (2001), đã tiến hành nghiên cứu đặc tính của bùn thải và nhận thấy bùn thải có chứa (i) hàm lượng nước đáng kể lên tới 99% đối với bùn thô; (ii) hàm lượng cao của chất hữu cơ có thể được phân hủy sinh học, đạt đến 75% chất khô; (iii) hàm lượng cao của các thành phần làm giàu cho đất (đạm lên đến 8,75% chất khô, P lên đến 8,28% chất khô, K lên đến 0,8% chất khô, Ca lên đến 8,11% chất khô và Mg lên đến 0,72% chất khô); (iv) hàm lượng khác nhau của các kim loại nặng (Pb, Cd, Hg, Ni, Zn, Cu, Cr), hàm lượng cao nhất được phát hiện trong chất thải từ các nhà
máy xử lý nước thải ở các thành phố công nghiệp nặng; (v) các tác nhân gây bệnh như Salmonella, Escherichia coli, trứng của ký sinh trùng đường ruột động vật, Ascaris sp., Trichurius sp., Toxocara sp…, mật độ cao nhất đối với bùn thải thô và
thấp nhất trong bùn được ổn định và xử lý vệ sinh; và (vi) hàm lượng nhỏ các chất hữu cơ độc hại (PAH, các hợp chất clo - PCB).
Từ nguyên liệu bùn thải, Chino và cs. (1983) đã nghiên cứu q trình ủ hiếu khí bùn thải phối trộn với vỏ trấu và những thay đổi về đặc tính sinh hóa của khối ủ trong quá trình ủ. Kết quả đã cho thấy rằng (i) hàm lượng tổng C, tổng N, và các hợp chất C, N khác đã khơng thể hiện bất kỳ sự biến đổi nào có ý nghĩa trong suốt q trình ủ hiếu khí, mặc dù một sự giảm nhẹ về hàm lượng các hợp chất N hòa tan trong axit đã được phát hiện tại giai đoạn đầu tiên của q trình ủ hiếu khí (active composting); (ii) Hoạt tính cellulase là thấp trong suốt q trình ủ hiếu khí và tăng sau 23 ngày ủ (curing); (iii) Hoạt tính protease thấp tại giai đoạn khởi đầu; (iv) Hoạt tính của các enzyme khi nhiệt độ của khối ủ 60°C cao hơn 30°C; (v) hệ vi sinh vật bao gồm các vi khuẩn hiếu khí chiếm ưu thế trong suốt quá trỉnh ủ và khơng có sự tăng có ý nghĩa về số lượng xạ khuẩn khi hoạt tính cellulase tăng; (vi) sự phân hủy giấy lọc được chôn trong đống ủ bắt đầu vào ngày thứ 23 của q trình ủ hiếu khí khi mà hoạt tính cellulase tăng và (vii) Bằng cách quan sát vỏ trấu trên kính hiển vi điện tử đã cho thấy rằng sự phân hủy vỏ trấu hầu như hoàn tất trong giai đoạn 60-80 ngày sau khi bắt đầu q trình ủ hiếu khí.
Nakasaki và cs. (1985) đã nghiên cứu sự thay đổi về số lượng vi sinh vật trong suốt q trình ủ hiếu khí trong bể phản ứng có nhiệt độ ổn định ở 60oC. Kết quả cho thấy rằng vi khuẩn ưa nhiệt trung bình, vi khuẩn ưa nhiệt độ cao và xạ khuẩn ưa nhiệt cao đã được quan sát trong suốt quá trỉnh ủ. Tỉ lệ giải phóng CO2 riêng phần của vi khuẩn và xạ khuẩn ưa nhiệt cao trong vùng nhiệt độ 60oC đã được định lượng. Tỉ lệ giải phóng CO2 được cho là nhờ vi khuẩn ưa nhiệt cao tại giai đoạn khởi đầu của pha nhiệt độ 60oC và xạ khuẩn ưa nhiệt cao tại giai đoạn sau của pha nhiệt độ 60oC.
Shigeru Kume (1994) cũng đã tiến hành nghiên cứu vi khuẩn ưa nhiệt cao và hệ enzyme của chúng trong q trình ủ hiếu khí bùn thải của nhà máy xử lý nước thải ở thành phố Fukuoka (Nhật Bản) mà sản phẩm compost tạo ra đã được bán ở dạng phân bón hữu cơ hoặc chất cải tạo đất.
Xiao-Ying và Ji (2006) đã nghiên cứu bổ sung hỗn hợp vi sinh vật vào q trình ủ hiếu khí nhiệt độ cao bùn thải. Kết quả chỉ ra rằng ảnh hưởng của việc bổ sung này là khơng có ý nghĩa đối với việc giảm thời gian đạt đến giai đoạn nhiệt độ cao, việc tăng số lượng vi khuẩn, nấm và xạ khuẩn trong một q trình ủ hiếu khí bùn thải. Tuy nhiên thời gian ổn định ở nhiệt độ cao được kéo dài hơn khi cấy hỗn hợp vi sinh vật và sự phân hủy có thể đạt được trước 3 ngày.
Liu và cs. (2009) đã chứng minh rằng phương pháp ủ hiếu khí bùn thải có bổ sung nấm mục trắng Phanerochaete chrysosporium đã làm giảm hoạt động của chì
(Pb) trong sản phẩm compost, từ đó hạn chế tác hại của chất thải nhiễm Pb đối với mơi trường. Trên thực tế, các ion Pb2+ có thể được tích lũy bởi sợi nấm và tạo phức bởi mùn được hình thành trong q trình ủ hiếu khí. Hàm lượng Pb được cố định tương quan thuận với giá trị pH và sinh khối vi sinh vật. Điều này cho thấy vai trò quan trọng của giá trị pH và sinh khối vi sinh vật đối với sự cố định Pb trong đống ủ. Bên cạnh đó, hiệu quả cố định Pb trong phương pháp ủ hiếu khí có bổ sung nấm
Phanerochaete chrysosporium đã được nhận thấy là cao hơn so với đối chứng không bổ sung nấm. Nguyên nhân có thể là do sinh khối vi sinh vật và giá trị pH của đống ủ trong trường hợp có bổ sung nấm Phanerochaete chrysosporium là cao hơn.
Bên cạnh đó, Krzysztof Ziemiński và Paweł Boniecki (2011) đã nghiên cứu tác dụng của các chế phẩm enzyme thương mại đến q trình ủ hiếu khí bùn thải. Q trình ủ hiếu khí đã được thực hiện ở quy mơ công nghiệp với việc bổ sung các chế phẩm enzyme đã được tuyển chọn. Bùn đã được khống hóa trong các điều kiện hiếu khí. Kết quả cho thấy khi các chế phẩm thử nghiệm được thêm vào, q trình khống hóa chất hữu cơ trong bùn thải được cải thiện nhiều so với lô đối chứng. Trong q trình ủ hiếu khí, một hàm lượng N tổng số giảm 78% đã được quan sát
trong đối chứng không bổ sung các chế phẩm enzyme, trong khi một hàm lượng N tổng số giảm 27% và 19% đã được quan sát trong các lơ thí nghiệm có bổ sung tương ứng chế phẩm A và B. Việc thêm các chế phẩm đã thúc đẩy q trình ủ hiếu khí, làm giảm hàm lượng kalium sẵn cho thực vật sử dụng và hàm lượng các orthophosphate trong sinh khối sau ủ, tương ứng là 42,1% và 66,2% so với mẫu đối chứng.
Ngoài ra, cùng với sự phát triển của các kỹ thuật phân tử trong việc đánh giá cấu trúc, chức năng và động thái của quần xã vi sinh vật trong môi trường, Fu YiGang và cs. (2005) cũng đã nghiên cứu sự thay đổi động thái và sự đa dạng của quần xã vi khuẩn trong cơng nghệ ủ hiếu khí bùn thải sử dụng kỹ thuật DGGE. Thời gian của q trình ủ hiếu khí bùn thải là chưa đến 8 ngày. Kết quả phân tích hình ảnh “dấu vân tay” DGGE cho thấy cấu trúc vi sinh vật ngày càng ổn định.
b. Tình hình nghiên cứu trong nước về ứng dụng vi khuẩn ưa nhiệt trong tái sử dụng bùn thải làm phân bón phục vụ cho nơng nghiệp
Ở Việt Nam, một số cơng trình nghiên cứu tái sử dụng bùn thải cho sản xuất phân bón hữu cơ đã và đang được thực hiện.
Viện Sinh học Nhiệt đới (2005) đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu bùn thải từ các
quá trình xử lý nước làm phân bón sinh học”.
Nguyễn Văn Phước (2009) với vai trị là chủ nhiệm và Viện Mơi trường & Tài nguyên ĐHQG TP. HCM là đơn vị chủ trì đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu xử lý bùn thải công nghiệp”. Kết quả nghiên cứu bao gồm (i) Đánh giá chất lượng bùn
thải, phân loại các loại hình ơ nhiễm đặc trưng và (ii) Định hướng công nghệ và đề xuất quy trình xử lý phù hợp với từng loại bùn thải công nghiệp.
Nguyễn Phú Bảo (2011) với vai trò chủ nhiệm, Viện Kỹ thuật Nhiệt đới và Bảo vệ Môi trường là đơn vị chủ trì đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu đề xuất các