CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN TÀI LIỆU NGHIÊN CỨU
1.2. Công nghệ sinh học trong xử lý nguồn nướ cô nhiễm
1.2.3. Một số cơng trình nghiên cứu trên thế giới
Hiện nay, trên thế giới có rất nhiều phương pháp xử lý nước thải ô nhiễm hữu cơ, nhưng đều thuộc các phương pháp sau đây: phương pháp hóa học, cơ – lý – hóa học, sinh học và kết hợp các phương pháp với nhau. Trong các phương pháp trên, xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học đạt hiệu quả cao đối với nguồn nước có nhiều chất hữu cơ dễ phân hủy.
Phương pháp này được áp dụng khoảng 100 năm nay ở Mỹ và một số nước châu Âu, gần đây nhất là ở các nước châu Á và châu Úc. Việc nghiên cứu, áp dụng phương pháp sinh học trong xử lý nước thải ô nhiễm hữu cơ tiến hành khá nhiều những năm cuối thế kỷ 20 và đầu thế kỷ 21 và nó cho thấy hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm thông qua một số thông số như: nhu cầu ơxy sinh hóa (BOD), nhu cầu ơxy hóa học (COD), ơxy hịa tan (DO), tổng chất rắn lơ lửng (TSS), đạm N, phốt-pho P, coliform...ở đầu nước thải ra có giảm đáng kể.
Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học được chia thành các loại:
- Xử lý hiếu khí là oxy hóa hay khử bằng các vi sinh vật hiếu khí, như trong quy trình bể hiếu khí có bùn hoạt tính (bể aeroten), màng lọc sinh học, đĩa quay sinh học,…
- Xử lý kỵ khí là xử lý bằng các vi sinh vật kỵ khí, như trong các bể biogas.
- Xử lý bằng công nghệ sinh thái: xử lý nước trong điều kiện tự nhiên, trong đó có thể sử dụng các loài thực vật thủy sinh.
Ở các hệ thống xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học, người ta đã sử dụng các loài thực vật thủy sinh lấy đi từ nước các chất dinh dưỡng (N, P, K) và các chất cần thiết khác. Bên cạnh các loài thực vật này cịn có rất nhiều lồi sinh vật nhỏ bé đa dạng như nấm, vi khuẩn, các cơ thể đơn bào khác,... cũng sử dụng các vật liệu từ nước cho quá trình trao đổi chất của chúng. Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học đã được biết đến trên thế giới như một giải pháp công nghệ xử lý nước thải trong điều kiện tự nhiên, thân thiện với môi trường, đạt hiệu suất cao, chi phí thấp và ổn định, đồng thời góp phần làm tăng giá trị đa dạng sinh học, cải tạo cảnh quan và môi trường.
Xử lý nước thải ô nhiễm hữu cơ bằng vi sinh vật được sử dụng lần đầu tiên ở Anh vào năm 1918. Khoảng 13 năm sau đó, phương pháp này được thực hiện tại Horidome và Atsuta của Nagoga. Nhiều chế phẩm sinh học cũng đã được nghiên
cứu và ứng dụng vào việc xử lý ô nhiễm môi trường nước thải. Đáng chú ý là chế phẩm E. M (Effective Microorganism - Vi sinh vật hữu hiệu) là tập hợp các nhóm vi sinh vật khác nhau: vi khuẩn quang hợp, vi khuẩn Lactic, nấm men, xạ khuẩn, nấm mốc sống cộng sinh trong cùng mơi trường. Có thể áp dụng chúng như một chất cấy nhằm tăng cường tính đa dạng vi sinh vật đất, bổ sung các vi sinh vật có ích vào mơi trường tự nhiên, giảm thiểu ô nhiễm môi trường do các vi sinh vật có hại gây ra. Chế phẩm EM do Teuro Higa, trường Đại học Tổng hợp Ruykyus, Okinawa, Nhật Bản sáng tạo ra và được áp dụng vào thực tiễn đầu năm 1980, đến nay đã có khoảng 100 nước sử dụng trong nông nghiệp và xử lý ô nhiễm môi trường. Tổng số VSV của EM là > 109 CFU/mL, trong ứng dụng để xử lý nước thải, EM được khuyến cáo với liều lượng 100 mL/m3 [14].
Những năm gần đây, các nước như Nhật, Mỹ, Ấn Độ đã tiến hành dùng một số chủng vi khuẩn quang hợp để xử lý nguồn nước thải đậm đặc chất hữu cơ và các chất khó phân hủy. Với kỹ thuật này, người ta đã tận dụng được năng lượng ánh sáng mặt trời để làm sạch nước thải, ngồi ra cịn thu được sinh khối giàu protein để sử dụng cho các mục đích khác nhau.
Người ta đã biết nhiều lồi thực vật (Cỏ nến, Sậy) có khả năng vận chuyển khí từ lá xuống rễ và oxy được giải phóng vào nước ở vùng rễ, được vi sinh vật sử dụng cho quá trình phân hủy hiếu khí. Gần đây, ở nhiều nước (Đức, Anh, Hungari, Thái Lan, Ấn Độ,…), cánh đồng lọc bằng lau Sậy đã được sử dụng để xử lý nước thải ô nhiễm hữu cơ và hiệu quả xử lý nước thải của công nghệ này rất cao, thời gian xử lý ngắn hơn so với các biện pháp khác.
Một số thí nghiệm ở Thái Lan cho thấy trong điều kiện nhiệt đới, độ sâu của ao tảo là 0,35 m, thời gian lưu của nước thải trong ao là 1,5 ngày và lượng BOD5 nạp là 336 kg/(ha/ngày) là tối ưu cho các ao tảo và năng suất tảo đạt được là 390 kg /(ha/ngày). Nghiên cứu cho rằng tốc độ dòng chảy trong ao tảo chỉ nên ở khoảng 5 cm/s. Hoàn lưu giúp cho ao tảo giữ lại được các tế bào vi khuẩn và tảo còn hoạt
động; giúp cho q trình thơng thống khí, thúc đẩy nhanh các phản ứng trong ao tảo [21].
Việc sử dụng cây thủy sinh như là các tác nhân xử lý các hợp chất hữu cơ trong nước thải. Cây Dạ hương nước là cây được nghiên cứu nhiều nhất trong lĩnh vực này. Vào năm 1968, một nghiên cứu cho rằng chất thải PO43-- P được xử lý bằng cách trồng cây Dạ hương nước sau 5 ngày lưu nước. Bên cạnh đó, cây Dạ hương nước cũng xử lý khá tốt các chất hữu cơ trong nước thải, giảm 3-5 lần so với trước khi xử lý (vào tháng 5- 7), nhưng khả năng loại bỏ chất hữu cơ của cây Dạ hương nước giảm đi đáng kể vào những tháng rét (tháng 1-3).
Một nghiên cứu được thực hiện tại Gainesville, Florida (2005) đã cho thấy khả năng loại bỏ hợp chất hữu cơ của cây Dạ hương nước có liên quan trực tiếp đến diện tích bề mặt ao, hồ. Để loại bỏ 44% photphat trong 3,8 triệu lít nước hồ thì cần 2,4 ha cây Dạ hương nước. Đối với những hồ nhỏ sử dụng trong thí nghiệm tại Gainesville cho thấy: giá trị đầu vào lượng photphat từ 3,37 – 3,41 mg/L và giá trị đầu ra chỉ còn 1,82 – 1,86 mg/L trong điều kiện dòng thải đầu ra có thời gian lưu nước 4 ngày và ao hồ có độ sâu 0,8 m. Các thí nghiệm cũng được làm tại các ao hồ có độ sâu hơn và có bóng râm thì việc loại bỏ photphat cũng tốt hơn. Các chất hữu cơ cũng bị loại bỏ đáng kể khi sử dụng cây Dạ hương nước. Tuy nhiên, nếu cây Dạ hương nước phát triển quá mức thì hiệu suất xử lý các chất hữu cơ giảm đi đáng kể. Đây là điều cần chú ý khi sử dụng cây Dạ hương nước.
Nghiên cứu của Gersberg (2001) tại California về 3 loài thực vật thủy sinh: cây Bồ hoàng (Scirpus validus), cây Sậy (Phragmites communis) và cây cỏ nến (Typha
latifola) trong việc loại bỏ các chất chứa Nitơ, BOD5 và TSS trong nước thải. Diện tích mỗi ơ xử lý 18,5 m dài x 3,5 m rộng x 0,76 m sâu. Gersberg nhận thấy việc loại bỏ các hợp chất chứa Nitơ trong hồ nước thải trồng các loài thực vật thủy sinh tốt hơn so với nước thải trong hồ điều hịa. Cây Bồ hồng loại bỏ được 94%, Sậy là 78% và 28% ở cây cỏ nến. Gersberg cũng nhận thấy mối tương quan thuận giữa việc loại bỏ hợp chất chứa Nitơ và độ dài của rễ cây. Chiều dài rễ của các cây Bồ
hoàng, Sậy và cỏ nến lần lượt là 76,60 và 30 cm. Đối với BOD5 thì cây Bồ hồng, Sậy và cỏ nến có thể loại bỏ lần lượt là 96; 81 và 74% so với khi quan sát (dòng vào), còn đối với TSS thì mức độ giảm khơng đáng kể trước và sau xử lý ở cả 3 loài thực vật thủy sinh nói trên.
Khi thực hiện xử lý nước thải qua bãi lọc cây Bồ hồng với diện tích 20 ha, lớp nước mặt sâu 25 cm thì chất lượng nước đầu ra đạt theo tiêu chuẩn của Mỹ (U.S.EPA, 1979).
Nghiên cứu về khả năng xử lý nước thải của cây cỏ chân vịt (Spirodela
oligorrhiza), Jiele Xu (Trung Quốc, 2010) nhận thấy khả năng loại bỏ đạm tổng số
trong nước thải là 89,4% và phốtpho tổng số là 83,7% với diện tích cỏ chân vịt chiếm 60% diện tích mặt nước. Sinh khối cỏ chân vịt thu được tăng 5,3 lần so với trước khi thực hiện thí nghiệm. Cheng và cộng sự (2002) cũng cho rằng cỏ chân vịt (Spirodela punctata) có thể loại bỏ phần lớn đạm và phốtpho trong nước thải. Lượng đạm và phốtpho mà cỏ chân vịt có thể hấp thụ cao nhất là 0,995 mg N/L- giờ và 0,129 mg P/L-giờ. Cây cỏ chân vịt cũng có thể sống được trong điều kiện hàm lượng đạm và phốtpho trong nước thải khá cao: 240 mg/L NH4+-N và 31 mg/L PO43- - P [20].
Nhìn chung, các biện pháp xử lý bằng sinh học có hiệu quả xử lý cao do tận dụng được đặc tính sinh vật học của các lồi thực vật thủy sinh. Đó là các lồi có khả năng sống tốt trong mơi trường nước và hấp thụ các chất hữu cơ làm thức ăn. Các công nghệ sử dụng thực vật thủy sinh tương đối thân thiên với môi trường. Tuy nhiên, một nhược điểm lớn nhất là cần diện tích lớn để xây dựng khu xử lý (trồng cây thủy sinh). Trên thế giới đã có nhiều mơ hình sử dụng thực vật, VSV để xử lý nước thải nhưng chủ yếu là nước thải sinh hoạt và chăn ni; các mơ hình áp dụng cho làng nghề chế biến bún, bánh chưa được nghiên cứu nhiều.
Trong những năm qua, các làng nghề Việt Nam đã đóng góp cho xã hội một lượng hàng hố khá phong phú, giải quyết cơng ăn việc làm và làm tăng thu nhập cho bà con tại các làng quê. Tuy nhiên, bên cạnh mặt tích cực, thì hoạt động sản xuất tại các làng nghề đang gây ảnh hưởng xấu tới môi trường, sức khoẻ cộng đồng và xuất hiện những xung đột môi trường nông thôn.
Đặc trưng nổi bật nhất của làng nghề truyền thống là phần lớn quy mô sản xuất nhỏ, phân tán, mang tính chất hộ gia đình, cơng nghệ lạc hậu, thiết bị chắp vá và hơn thế nữa là hầu hết các làng nghề chưa có hệ thống xử lý chất thải, nhận thức của dân làng nghề về bảo vệ mơi trường chưa cao. Đó chính là nguyên nhân làm nặng mức độ ô nhiễm môi trường tại các làng nghề và cũng là khó khăn khi tìm các giải pháp thích hợp cải thiện môi trường tại các làng nghề. Trong đó các làng nghề chế biến nơng sản - thực phẩm như: sản xuất bún, nấu rượu, làm bánh đa…là một điển hình.
Hiện nay, nguồn gốc phát sinh nước thải chủ yếu tại Việt Nam là chế biến thực phẩm, dệt nhuộm, giấy, chế biến mủ cao su… Phân tích nước thải của một số làng nghề cho thấy chất lượng môi trường nước ở đây rất đáng lo ngại. Chất lượng nguồn nước tại các làng nghề chế biến nông sản thực phẩm phần lớn đều có dấu hiệu bị ơ nhiễm với hàm lượng BOD5, TSS, NH4+ trong nước thải rất cao. Nước mặt có hàm lượng chất rắn lơ lửng (SS) khá cao, vượt tiêu chuẩn 2- 3 lần. Nước thải có độ màu cao vượt tiêu chuẩn 3,98 đến 5,92 lần... Các thông số ô nhiễm bởi chất hữu cơ như COD, BOD5, coliform trong nước thải hệ thống cống chung của các làng nghề chế biến thực phẩm đều vượt tiêu chuẩn QCVN 08-2008/BTNMT nhiều lần. Vì vậy, tùy vào đặc thù sản xuất và nguồn thải mà đưa ra công nghệ xử lý phù hợp với hiện trạng làng nghề [4].
Ở Việt Nam đã có một số cơng trình của các nhà khoa học nghiên cứu về Bèo tây, như “Nghiên cứu khả năng hút thu và tích lũy chì trong Bèo tây và rau muống”, “Nghiên cứu phương pháp xác định và xử lý ô nhiễm phốtpho trong nước
thải bằng Bèo tây”, “Nghiên cứu ngưỡng chịu pH và nồng độ ion NH4+ của Bèo tây”,…
Theo Nguyễn Thị Kim Lý (2009), Sậy là lồi có khả năng chống chịu rất cao với môi trường bị ô nhiễm hữu cơ. So với các loài cây sống nổi khác như thủy trúc và vertiver thì Sậy có khả năng thích ứng cao hơn nhiều. Ở nồng độ BOD5 từ 45,5 - 96,2 mg/L và NH4+ từ 212,4 - 216,7 mg/L Sậy vẫn có thể sống bình thường cịn ở dải nồng độ NH4
+
từ 298,2 - 301,2 mg/L cây chưa bị chết mà mới bắt đầu có những
thay đổi nhất định về hình thái.
Các giải pháp xử lý nước thải đã biết thường ở các làng nghề chế biến nông sản - thực phẩm hay kết hợp với chăn nuôi gia súc để tận dụng nguyên liệu và bã thải. Nước thải - nguồn gây ô nhiễm chính ở các làng nghề này - bao gồm nước thải sản xuất, nước thải chăn nuôi và nước thải sinh hoạt. Nếu có thể phân luồng chất thải thành 2 loại chính là nước thải sản xuất và nước thải chăn ni thì việc xử lý có hiệu quả hơn. Xử lý nước thải sản xuất: tuỳ theo đặc tính, thành phần chính của nước thải mà có phương pháp xử lý khác nhau nhưng cần phải tuân theo nguyên tắc là bảo đảm nước sản xuất đạt tiêu chuẩn xả vào nguồn, công nghệ đơn giản, dễ vận hành, đầu tư và chi phí thấp phù hợp với đặc thù của làng nghề. Nước thải sau xử lý sơ bộ tại các hộ gia đình sẽ theo hệ thống cống rãnh được tập trung vào bể lắng điều hồ sau đó đi vào hệ thống xử lý sinh học yếm - hiếu khí.
Nghiên cứu gần đây của tác giả Lê Thị Việt Hà và cộng sự (2004), về xử lý nước thải chế biến tinh bột sắn từ làng nghề Dương Liễu, huyện Hoài Đức, tỉnh Hà Tây (cũ) đã phân lập được 10 chủng vi sinh vật thuộc nhóm hiếu khí có khả năng phân huỷ tinh bột, xenluloza và protein. Ngoài ra, cũng đã xác định được hiệu suất xử lý nước thải tính theo BOD5 tăng hơn so với đối chứng là 8%, các nghiên cứu này chủ yếu làm ở phịng thí nghiệm, là cơ sở để áp dụng vào thực tế xử lý nước thải cho các làng nghề [7].
Theo Lương Hữu Thành và cộng sự (2011), đã phân lập được 4 chủng vi sinh vật có khả năng xử lý nước thải tinh bột sắn: chủng SHX 12 (Streptomyces fridiae), chủng SHV 22 (Bacillus velezensis), chủng SHV OA7 (Nitrosomonas sp) và chủng SHV ON2 (Nitrobacter sp). Các chủng vi sinh vật này có khả năng phân giải các hợp chất cacbonhydrat (xenluloza, tinh bột), phân giải phốtphat khó tan, hợp chất chứa nitơ liên kết…sử dụng trong chế phẩm vi sinh vật xử lý nước thải chế biến tinh bột sắn.
Theo Trần Thị Thuận và cộng sự (2005), khi nghiên cứu khả năng xử lý nước thải chăn nuôi tại Kim Thành, Hải Dương bằng chế phẩm EM cho thấy hiệu quả xử lý như sau: BOD5 (37%), COD (34%), tổng N (38%), tổng P (20%), coliform (45%). Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi của chế phẩm EM ở mức trung bình, EM có hiệu quả cao nhất trong xử lý coliform (45%).
Chế phẩm sinh học Bio – S là tập hợp nhiều VSV hữu hiệu, có hoạt lực cao, có thành phần khá giống với chế phẩm EM nhưng ở dạng bột. Bio – S có khả năng phân giải nhanh các chất khó tiêu, cặn bã của bể phốt, có khả năng xử lý trong điều kiện yếm khí; có số VSV tổng số > 109 CFU/g.
Thực vật thủy sinh là các loài thực vật sinh trưởng trong môi trường nước, nhiều nhà khoa học đã lợi dụng chúng để xử lý nước thải, làm phân ủ, thức ăn cho người, gia súc... Tuy nhiên, tại Việt Nam, công nghệ này vẫn chưa được áp dụng rộng rãi.
Khi xử lý nước thải ô nhiễm tại Đầm Rong (Đà Nẵng), Thân Trọng Ninh (2001), đã cho nước thải chảy theo những dòng ngoằn ngoèo. Tại các bể lắng, nước thải sẽ được tập đoàn các vi sinh vật (tảo xanh, tảo lục, vi khuẩn…) xử lý. Dọc theo chiều dài các dòng chảy là các lồi thực vật thủy sinh sống trơi nổi như Bèo Nhật Bản (Eichornia crassipes), rau muống (Ipomea aquatica) và Bèo tấm (Lemna
