7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
1.1.6.2. Các phương pháp sinh học
Theo định nghĩa, phương pháp sinh học loại bỏ các chất dinh dưỡng trong phản ứng sinh học được thực hiện bởi các vi sinh vật. Tuy nhiên, các loài thường được sử dụng không cụ thể và môi trường làm giàu từ bùn bởi các điều kiện ủ. Một số nổ lực cố gắng sử dụng các vi sinh vật cụ thể như các tác nhân tẩy rửa được báo cáo, như đã được thực hiện trong những thập kỷ trước đó [34]. Chúng bao gồm các vi khuẩn và vi tảo.
a) Vi khuẩn
Vi khuẩn lam nhiệt đới (tropical cyanobacterium) Phormidium bohneri đưa vào trong nước thải sinh hoạt có khả năng loại bỏ nitơ và phốtphat sau khi tăng trưởng trong 50 và 75 giờ tương ứng. Thêm KH2PO4 vào tăng cường sản xuất 56% sinh khối, nhưng ảnh hưởng không đáng kể đến thời gian loại bỏ hoàn toàn các chất dinh dưỡng. Nâng suất sản xuất sinh khối cao của P. bohneri , cùng với các việc loại bỏ ammoni và phốtphat tốc độ cao (lên đến 20 mg/l.ngày), cho biết P. bohneri
là loại vi khuẩn hứa hẹn cho quá trình xử lý nước thải [66]. Vi khuẩn lam cận nhiệt
P.laminosum, loại bỏ chất dinh dưỡng trong quá trình xử lý nước thải thứ cấp khi
cố định trên các sợi xenlulozơ rỗng ở 43oC. Nồng độ của PO43- trong nước thải giảm từ 6,62 xuống 0,02 mgP/l sau một thời gian lưu trú 48 giờ [110]. Vi khuẩn lam dạng sợi, dạng tấm (P. tenue và Oscillatoria O-210), được cô lập từ môi trường Bắc Cực và Nam Cực, đã được thử nghiệm nghiên cứu sự phát triển của chúng và ứng dụng loại bỏ các chất dinh dưỡng, nhằm phát triển hệ thống xử lý nước thải sinh học cho các khu vực lạnh của Canada. Mặc dù tất cả các loại phân lập đã phát triển tốt ở 15oC và 25oC, tăng trưởng hạn chế khi nhiệt độ dưới 5oC. Ở 15oC, tốc độ loại bỏ phốtpho đạt 0,6 mgP/l.ngày. Điều này không thể đạt được ở nhiệt độ thấp hơn. Thất bại này cho thấy rằng xử lý nước thải sinh học ở nhiệt độ thấp (5oC) không được phát triển với các chủng loại thử nghiệm bởi vì họ phát triển quá chậm dưới điều kiện lạnh. Tuy nhiên, chúng có tiềm năng ứng dụng ở vùng có nhiệt độ vừa phải (khoảng 15oC trở lên), phổ biến từ mùa xuân đến mùa thu ở vùng khí hậu phía Bắc [27].
Các vi khuẩn có thời gian sống tương đối ngắn trong nước thải, do vậy cần có một phương pháp kết hợp để quá trình xử lý được khả thi hơn. Staphylococcus
auricularis, phát triển trong các lò phản ứng hạt nhân với điều kiện kỵ khí và hiếu
khí, có thể loại bỏ từ 5 đến 50 mgP/l.ngày, tương ứng với việc loại bỏ hơn 90% lượng phốtpho có trong nước thải thông thường.
Vi khuẩn Rhodobacter capsulatus quang hợp không lưu huỳnh, cố định trên hạt xenlulozơ, loại bỏ các ion cacbon hữu cơ, các ion amoni và ion phốtphat phát triển trong môi trường loãng với khoảng thời gian 19 – 22 ngày và thời gian lưu trú
trong 10 giờ ở 35oC [111]. Các vi khuẩn quang hợp khác như Rh. sphaeroides S,
Rb. sphaeroides NR-3, và Rhodop seudomonas palustris, cố định trên gốm xốp
trong điều kiện hiếu khí, đồng thời loại bỏ được COD, phốtphat, nitrat và H2S từ nước thải tổng hợp. Trong bể xử lý liên tục, 77% lượng phốtphat được loại bỏ trong vòng 48 giờ. Trong phương pháp xử lý bán liên tục, loại bỏ cùng lượng phốtphat này mất khoảng một tháng [88].
b) Vi tảo
Vi tảo đơn bào Chlorella vulgaris và Scenedesmus dimorphus có khả năng loại bỏ đến 55% phốtphat từ ngành công nghiệp sữa và nước thải chăn nuôi lợn [34, 46]. Chủng loại Scenedesmus, phát triển trong nước thải nhân tạo cũng loại bỏ hơn 50% lượng phốtphat [144]. Sản xuất tinh bột phát sinh vào nước thải với tỉ lệ C:N:P là 24:0,14:1. Điều này hỗ trợ tăng trưởng Spirulina platensis. Giảm nồng độ phốtphat trong nước thải đạt trên 99% [104]. S. platensis có hiệu quả loại bỏ nitrat, amoniac và phốtphát từ nước thải tổng hợp [92].
Ngoài các nghiên cứu đơn giản đề cập ở trên, có một số quan điểm cho rằng khi kết hợp của nhiều vi sinh vật là tốt hơn so với một sinh vật duy nhất. Ví dụ, khi sử dụng Rh. sphaeroides hoặc C. sorokiniana thì không thể loại bỏ được axetat, propionat, amoniac, nitrat và phốtphat từ nước thải tổng hợp, trong khi hỗn hợp chứa 2 loại vi khuẩn có thể thực hiện điều này [92]. Kết hợp một vi tảo (C. vulgaris) và một loại macrophyte (Lemna minuscula) có thể được áp dụng song song để xử lý sinh học nước thải công nghiệp kỵ khí. Đầu tiên, sử dụng C. vulgaris để giảm nồng độ các ion amoni (71,6%), phốtphat (28%) và COD (61%). Sau đó, L. minuscula
được đưa vào trong nước thải đã qua xử lý, kết tủa các tế bào tảo bằng cách che vi khuẩn, giảm chất hữu cơ và màu sắc. Tuy nhiên, L. minuscula đã loại bỏ các chất dinh dưỡng còn lại trong nước thải là không đáng kể [141].
Việc kết hợp giữa vi tảo và vi khuẩn trong xử lý phốtpho là thúc đẩy sự tăng trưởng vi khuẩn, được sử dụng trong nông nghiệp, tăng cường sự tăng trưởng và khả năng loại bỏ chất dinh dưỡng của vi tảo từ nước thải. Các vi khuẩn Azospirillum
được sử dụng như chất cấy truyền để thúc đẩy sự phát triển và nâng suất thực vật, chủ yếu là ảnh hưởng đến sự trao đổi chất và hấp thu khoáng chất của thực vật [15].
Giả thuyết cơ bản giả định rằng, vi khuẩn sẽ tăng cường hiệu suất của thực vật đơn bào (giống như vi tảo) và thực vật đơn bào sẽ phản ứng tương tự như chất cấy truyền vi khuẩn giống như thực vật bậc cao hơn. Đồng cố định (co-immobilization)
C. vulgaris và C. sorokiniana với A. brasilense, trong hạt alginate mịn, làm gia tăng
đáng kể tất cả các thông số tăng trưởng của vi tảo [47]. Hơn nữa, những kết hợp nhân tạo (đến nay không tìm thấy trong tự nhiên) làm thay đổi tế bào, sinh lý, con đường sinh hóa và các sản phẩm trong tế bào vi tảo [35, 47]. Đồng cố định này, theo điều kiện nuôi cấy liên tục trong nước thải bán tổng hợp, tăng đáng kể việc loại bỏ ion amoni và ion phốtphat hòa tan, so với cố định một mình vi tảo [36]. Gần đây, những kết hợp này đã thành công trong việc giảm nồng độ amoni và phốtphat nước thải đô thị [37].
Một số đề xuất, đặc biệt là bẫy vi sinh vật trong gel polysaccarit và sự kết hợp của các sinh vật để xử lý đồng thời nước thải, có tiềm năng tốt nhất để sử dụng thương mại. Tuy nhiên, như được nêu ra, nó là một con đường nghiên cứu rất nhỏ trong lĩnh vực loại bỏ phốtphat trong xử lý nước thải.