Xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau biogas bằng công nghệ SBR - Luận án TS

BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NGUYỄN HỮU ĐỒNG NGUYỄN HỮU ĐỒNG NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƢỚC THẢI CHĂN NUÔI NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƢỚC THẢI CHĂN NUÔI LỢN SAU BIOGAS BẰNG CÔNG NGHỆ SBR SỬ LỢN SAU BIOGAS BẰNG CÔNG NGHỆ SBR SỬ DỤNG MỘT SỐ CHỦNG VI KHUẨN DỤNG MỘT SỐ CHỦNG VI KHUẨN NITRIT/NITRAT HÓA CHỌN LỌC NITRIT/NITRAT HÓA CHỌN LỌC LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT MÔI TRƢỜNG LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI - 2024 HÀ NỘI - 2024 BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NGUYỄN HỮU ĐỒNG NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƢỚC THẢI CHĂN NUÔI LỢN SAU BIOGAS BẰNG CÔNG NGHỆ SBR SỬ DỤNG MỘT SỐ CHỦNG VI KHUẨN NITRIT/NITRAT HÓA CHỌN LỌC LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT MÔI TRƢỜNG Mã số: 62 52 03 20 Xác nhận của Học viện Ngƣời hƣớng dẫn 1 Ngƣời hƣớng dẫn 2 Khoa học và Công nghệ (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên) TS. Phan Đỗ Hùng TS. Đinh Thị Thu Hằng HÀ NỘI - 2024 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trong những năm gần đây, chăn nuôi lợn (CNL) đang dần trở thành một ngành kinh tế quan trọng của Việt Nam, hàng năm cung cấp trung bình khoảng 3.000 tấn thịt hơi/năm, chiếm 64% tổng sản lượng thịt các loại vật nuôi [1].

Song song với giá trị kinh tế thì ngành CNL của Việt Nam cũng đang tạo ra một lượng lớn các loại chất thải (nước thải, khí thải, chất thải rắn), gây ra nhiều áp lực, nguy cơ gây ô nhiễm môi trường, làm ảnh hưởng đến sức khỏe của con người và các hệ sinh thái tự nhiên. Trong đó, nước thải là thành phần rất đáng lo lắng, theo số liệu thống kê của Bộ NN&PTNT, năm 2020, nước thải từ CNL chiếm 75 triệu m3 (tương đương khoảng 65,7% tổng lượng nước thải của ngành chăn nuôi) [2]. Cùng với lượng thải lớn, thì nước thải CNL có hàm lượng các chất hữu cơ (BOD, COD), chất rắn lơ lửng (SS), các hợp chất nitơ (N), vi sinh vật (VSV) gây bệnh rất cao và vượt giới hạn cho phép của quy chuẩn thải nhiều lần. Trong đó, các hợp chất nitơ là đáng quan ngại nhất bởi đây là thành phần vừa khó xử lý (do công nghệ phức tạp, cần nhiều năng lượng, chi phí xử lý và đầu tư cao, mặt bằng xây dựng lớn) và vừa gây ra nhiều ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường.

Nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng, nước thải CNL sau bể biogas chứa nhiều các hợp chất nitơ, với nồng độ tổng nitơ (TN) thường dao động từ 115 - 630 mg/L [3-7]. Các hợp chất nitơ sẽ đe dọa rất lớn đến sự an toàn của nguồn nước, với nồng độ cao khi thải vào môi trường sẽ gây hiện tượng phú dưỡng, tảo độc nở hoa [8] và gây hại đến các động vật thủy sinh [9], ví dụ ở hàm lượng lớn hơn 4,26 mg/L NH4+ gây độc cho tôm sú [10]. Vì vậy việc xử lý các hợp chất nitơ trong nước thải CNL sau bể biogas có ý nghĩa rất lớn trong việc bảo vệ môi trường và các hệ sinh thái. Có nhiều công nghệ xử lý các thành phần ô nhiễm chính (COD, TN) trong nước thải CNL đã được nghiên cứu, áp dụng và phần lớn tập trung vào công nghệ sinh học gồm: Sinh học kỵ khí (đệm bùn kỵ khí dòng chảy ngược (UASB), lọc kỵ khí, hầm biogas); sinh học hiếu khí (bùn hoạt tính, lọc hiếu khí, bùn hoạt tính theo mẻ (SBR)); công nghệ thiếu - hiếu khí kết hợp; công nghệ sinh học kết hợp với lọc màng (MBR); đất ngập nước (ĐNN); và công nghệ kết hợp các quá trình sinh học,.

Trong đó, các công nghệ đơn lẻ như: ĐNN, UASB, biogas, lọc sinh học,. xử lý được cơ bản chất hữu cơ (hiệu xuất xử lý COD: 80 - 95%) nhưng xử lý TN còn hạn chế (khoảng 30 - 60% ); các công nghệ SBR, công nghệ thiếu – hiếu khí, công nghệ MBR xử lý khá hiệu quả đồng thời cả chất hữu cơ và chất dinh dưỡng (khoảng 90 - 97 %). Với đặc điểm của nước thải CNL là vừa có hàm lượng COD, TN cao thì các công nghệ SBR, thiếu – hiếu khí và MBR khá phù hợp cho xử lý loại nước thải này. Trong đó, công nghệ SBR là một trong những công nghệ có tính ứng dụng và khả thi cao trong xử lý nước thải CNL, đặc biệt trong việc xử lý các hợp chất nitơ.

Trong công nghệ SBR, xử lý sinh học nitơ được thực hiện dựa trên sự kết hợp giữa quá trình nitrat hóa (NH4+  NO2-  NO3-) và quá trình khử nitrat (NO3-  N2). Quá trình nitrat hóa truyền thống thường được thực hiện bởi các nhóm vi khuẩn tự dưỡng (Nitrosomonas, Nitrobacter,.), và là bước giới hạn tốc độ của quy trình xử lý sinh học nitơ trong nước thải, do vi khuẩn tự dưỡng thường sinh trưởng yếu, khá nhạy cảm với các điều kiện với môi trường và chịu sự cạnh tranh gay gắt từ những nhóm vi sinh vật khác, nên độ ổn định về hiệu quả xử lý của nhóm vi khuẩn tự dưỡng không cao [11-15]. Mặt khác, các nghiên cứu gần đây cũng chỉ ra rằng, quá trình nitrat hóa cũng có thể được thực hiện bởi một số nhóm vi khuẩn dị dưỡng [11-15]. So với vi khuẩn tự dưỡng, các vi khuẩn dị dưỡng khi tham gia vào quá trình nitrat hóa tỏ ra ưu việt hơn: sinh trưởng nhanh, có thể đồng thời nitrat hóa, khử nitrat và kết hợp loại bỏ chất hữu cơ [16-18], một số loài thậm chí có thể chịu được môi trường lạnh, quá mặn hoặc giàu amoni [19-21].

Những lợi thế này mang lại tiềm năng lớn cho việc nghiên cứu ứng dụng các nhóm vi khuẩn nitrat hóa di dưỡng để xử lý các hợp chất nitơ trong nước thải [22-26]. Vì vậy, việc phân lập những chủng vi khuẩn mới, đặc biệt là các nhóm vi khuẩn nitrat hóa dị dưỡng là một việc có ý nghĩa lớn về mặt khoa học và thực tiễn để xử lý ô nhiễm nitơ trong nước thải. Hiện nay những nỗ lực phân lập, mô tả đặc điểm sinh học của các nhóm vi khuẩn nitra hóa dị dưỡng và đánh giá sự đóng góp của chúng vào quá trình chuyển hóa nitơ trong các hệ thống xử lý sinh học nước thải đã thu hút được sự quan tâm của các nhà vi sinh vật trên thế giới cũng như ở Việt Nam. Tuy vậy, các nghiên cứu trình tự từ phân lập, tuyển chọn đến thử nghiệm khả năng sinh trưởng chuyển hóa trong môi trường phân lập, từ đó nghiên cứu ứng dụng xử lý nước thải thực tế bằng các công nghệ khác nhau thì còn hạn chế.

Xuất phát từ những vấn đề nêu trên việc lựa chọn và thực hiện đề tài: “Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau biogas bằng công nghệ SBR sử dụng một số chủng vi khuẩn nitrit/nitrat hóa chọn lọc” là rất cần thiết, góp phần cung cấp một giải pháp công nghệ hiệu quả trong xử lý nước thải chăn nuôi lợn. Mục tiêu nghiên cứu - Phân lập và tuyển chọn được một số chủng vi khuẩn dị dưỡng có khả năng chuyển hóa amoni/nitrit từ nước thải sau bể biogas của lò giết mổ và một số trang trại CNL, đánh giá được một số điều kiện sinh trưởng thích hợp và khả năng chuyển hóa amoni/nitrit của chúng trong môi trường nuôi cấy. Xác định được một số điều kiện phù hợp (mật độ, tỷ lệ phối trộn) của các chủng phân lập được để xử lý amoni/nitrit trong nước thải CNL sau bể biogas. - Đánh giá hiệu quả, xác định được một số điều kiện phù hợp (tỉ lệ thời gian thiếu khí/hiếu khí, tải trọng COD, tải trọng TN) để xử lý đồng thời chất hữu cơ và các hợp chất nitơ trong nước thải chăn nuôi lợn sau bể biogas bằng công nghệ SBR kết hợp bổ sung các chủng vi khuẩn nitrit/nitrat phân lập được.

Nội dung nghiên cứu Nội dung 1: Phân lập, định danh và chọn lọc một số chủng vi khuẩn dị dưỡng có khả năng chuyển hóa amoni, nitrit từ nước thải lò mổ và nước thải CNL sau bể biogas. Nội dung 2: Xác định khả năng sinh trưởng, chuyển hóa amoni/nitrit thích hợp của các chủng phân lập được trong một số điều kiện môi trường nuôi cấy (nhiệt độ, pH, DO, độ muối, nồng độ amoni/nitrit ban đầu). Nội dung 3: Xác định mật độ vi sinh phù hợp, so sánh khả năng chuyển hóa amoni/nitrit, khảo sát tỷ lệ phối trộn hiệu quả cho việc xử lý đồng thời COD và TN trong nước thải CNL sau bể biogas của các chủng vi khuẩn có khả năng chuyển hóa amoni, nitrit phân lập được. Nội dung 4: Nghiên cứu xử lý nước thải CNL sau xử lý kỵ khí bằng công nghệ SBR kết hợp bổ sung các chủng vi khuẩn chuyển hóa amoni và nitrit phân lập được ở quy mô phòng thí nghiệm theo các điều kiện sau: + Ảnh hưởng của tỉ lệ thời gian các pha thiếu khí và hiếu khí đến hiệu quả xử lý COD, N-NH4+, N-NO2-, N-NO3-, TN.

+ Ảnh hưởng của tải trọng chất hữu cơ (OLR) và tải trọng tổng nitơ (NLR) đến hiệu quả xử lý COD và TN. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Về khoa học: Luận án cung cấp được những dẫn liệu khoa học của một số chủng vi khuẩn có khả năng chuyển hóa amoni/nitrit dị dưỡng thuộc chi Bacillus, Pseudomonas và Lactobacillus từ nước thải lò mổ và nước thải CNL sau bể biogas gồm: điều kiện sinh trưởng, phát triển thích hợp và khả năng chuyển hóa các hợp chất nitơ của chúng trong muôi trường nuôi cấy và môi trường nước thải CNL sau biogas. Từ đó, góp phần chứng minh được sự đa dạng của các chủng vi khuẩn tham gia vào quá trình xử lý các hợp chất chứa nitơ trong môi trường nói chung và trong nước thải nói riêng. Kết quả của luận án là nguồn tư liệu phục vụ giảng dạy và nghiên cứu ứng dụng vi sinh vật để xử lý các hợp chất nitơ trong nước thải.

Về thực tiễn: Luận án đã chứng minh khả năng xử lý nước thải CNL sau bể biogas trên thiết bị SBR khi kết hợp bổ sung các chủng vi khuẩn phân lập được ở tỷ lệ phối trộn và mật độ vi sinh phù hợp. Qua đó, xác định được ảnh hưởng của tỉ lệ thời gian các pha thiếu khí và hiếu khí; ảnh hưởng của OLR và NLR đến hiệu quả xử lý, làm tiền đề cho việc ứng dụng các chủng vi khuẩn này trong thực tiễn.