Nghiên cứu phát triển sinh phẩm hỗ trợ công nghệ lên men tạo khí sinh học trong các điều kiện môi trường đặc biệt

ĐẠỈ HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
V IỆN V I SINH V Ậ T V À C Ô N G N G H Ệ SIN H H Ọ C
• • • •
BÁO CÁO KÉT QUẢ THựC HIỆN ĐÈ TÀI KHCN:
“ N g h i ê n c ứ u p h á t t r i ể n s i n h p h ẩ m h ỗ t r ợ c ô n g n g h ệ l ê n m e n
t ạ o k h í s i n h h ọ c t r o n g c á c đ i ề u k i ệ n m ô i t r ư ờ n g đ ặ c b i ệ t ”
M ã số: Q G .11 .27
Co’ quan chủ trì: V iện Vi sinh vật & Công nghệ sinh học - ĐH Q GHN
C hủ trì đề tài: TS. Đ inh Thúy H ằng
Hà N ội-2 0 1 3
BÁO CÁO KÉT QUẢ THỤC HIỆN ĐẺ TÀI KHCN NHÓM B CÁP ĐHQGHN
BÁO CÁO TÓM TẮT
1. Tên đê tài: Nghiên cứu phát triến sinh phâm hô trợ công nghệ lên men tạo khí sinh
h ọ c tro n g cá c đ iề u kiệ n m ô i trư ờ n g đ ặ c b iệt.
2. Mã số: QG. 11.27
3. T hòi gian thực hiện: 24 tháng (8/2011 - 8/2013)
4. Cấp quản lý: Đại học Quốc gia Hà Nội
5. Chủ trì đề tài: TS. Đinh Thuý Hằng
Viện Vi sinh vật và Cône nghệ sinh học - ĐHQGHN
Điện thoại: 0437547488; Fax: 0437547407
Email: ;
6. Cán bộ tham gia:
ThS. NCS. Nguyễn Thu Hoài
ThS. Nguyễn Thị Hải
CN. Nguyễn Thị Hằng
CN. Dương Chí Công
7. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
Mục tiêu:
Tạo nguồn methanogen có tính thích ứng cao với môi trường nhiễm mặn để
làm cơ sở cho việc sản xuất chế phẩm sinh học hỗ trợ cho công nghệ biogas ở điều
kiện nước lợ và nước mặn. Nghiên cứu qui trình nhân giống methanogen và phương

pháp bảo quản ở dạng chế phẩm vi sinh.
Nội dung nghiên cứu:
- Tạo các quần thể vi sinh vật sinh methane ưa mặn bằng phương pháp làm giàu
trong điều kiện môi trường nước lợ, nước mặn sử dụng các nguồn cơ chất thích
hợp như methanol, acetate, rong biển.
- Xác định thành phần loài trong quần thể thông qua phân tích gen 16S rDNA bằng
phương pháp PCR-DGGE.
- Phân lập các chủng methanogen thuần khiết bằng phương pháp ống thạch bán lỏng
kỵ khí. Nghiên cứu các đặc điểm sinh lý, sinh hoá, phân loại của chủng thuần
khiết. Bảo quản các chủng đã phân lập cũne như các mẫu quần thể trong điều kiện
kỵ khí tại 4°c.
- L ự a chọn các tổ hợp methanogen có mức sinh trưởng cao và thử nghiệm hoạt tính
cua chúng ở qui mô 2 lít trong phòng thí nghiệm đối với bùn từ ao nuôi tôm trong
n ư ớ c lợ v à ro n g b iể n t r o n g n ư ớ c m ặ n .
- Nghiên cứu qui trình nhân giống methanogen trong điều kiện nước lợ và nước mặn
ở qui 1Ĩ1Ô 1 0 - 2 0 lít. Nghiên cứu phương pháp bảo quản ở dạne chế phâm sinh
học.
8. Các kết quả đạt đưọc
8.1. Kết quả nghiên cứu
- Methanogen từ trầm tích biển Việt Nam (Cát Bà và Nha T r a n g ) được làm giàu
thành công với các nguồn cơ chất là methanol và Na-acetate trong điều kiện môi
trường nước lợ (17 g NaCl/L) và nước biển (26,4 g NaCl/L). Phân tích quần thể cổ
khuẩn trong các mẫu làm giàu bằne phương pháp PCR-DGGE cho thấy
M e tìu m o s a rc in a s p p . v à M e th a n o lo b u s sp p . c h iế m ư u th ế ở đ â y .
- Tổng số 10 c h ủ n g methanogen đã được phân lập từ các mẫu làm giàu dựa trên các
đặc điểm hình thái khác nhau của khuẩn lạc và tế bào. Phân tích PCR-DGGE và
giải trình tự gen 16S rDNA cho thấy 7 chủng thuộc chi Methanosarcina (theo 3
nhóm gần gũi với 3 loài khác nhau là M. semesiae, M. vacuolata và M.siciỉiae) và
3 chủng thuộc chi Methanolobus (gần gũi với loài M. profundii), là những chi
methanogen chiếm sổ đông trong các mầu làm giàu. Bốn chủng đại diện được giải

trình tự gen 16S rDNA và đăng ký mã trên GenBank, gồm Methanosarcina sp.
M21 (KC571195), Methanosarcina sp. M25a (KC571194), Methanosarcina sp.
M37 (KC951109) và Methanolobus sp. M23b (KC571 193).
- C h ủ n g M37 thể hiện khả năng sinh m e th a n e cao nhất trong số các chủng phân lập,
có khả năng sinh trưởng tốt trong phổ rộng hàm lượng muối, tối ưu ở mức nước
biển 26 - 33 g/L, do vậy chủng này được lựa chọn để tạo neuồn methanogen bổ
sung vào các hệ thống xử lý kỵ khí trong điều kiện nước mặn. Dựa trên so sánh
trình tự gen 16S rDNA, chủng M3 7 được xếp vào chi Methanosarcina với tên
khoa học là Methanosarcina sp. M37, loài gần gũi nhất là M. siciliae (98% tương
đồng).
- Quy trình tạo nguồn methanogen BMS từ c h ủ n g M37 sử dụng nước biển nhân tạo
và cám gạo đã được thiết lập, cho nguồn methanogen có hoạt tính cao (35 Ịimol
CH4/ml/ngày), mật độ methanogen 1,1 X 109 TB/ml (theo phân tích bằng MPN).
Thử nghiệm bổ sung BMS vào hỗn hợp lên men kỵ khí ở điều kiện nước lợ và
nước biển cho thấy tác động hỗ trợ rõ rệt trong việc rút ngắn thời gian khởi động.
C á c m ô h ìn h x ử lý c h ấ t th ả i h ữ u c ơ ( g ồ m r o n g b iể n U lv a s p ., b ù n đ á y đ ầ m n u ô i
tô m v à c h ấ t th ả i c h ă n n u ô i ) tr o n g b ể lê n m e n k ỵ k h í s in h m e t h a n e ở đ iề u k iệ n n ư ớ c
mặn (nước lợ và nước biển) đã được thiết lập trong phòng thí nghiệm với ne,uồn
m e th a n o g e n M 3 7 đ ư ợ c b o s u n s đ ể t ă n g tố c k h ở i đ ộ n g . Q u á tr ìn h p h â n h ủ y d iễ n r a
tích cực nhất ở mô hình có hàm lượng muối 17 g/L, cơ chất là hồn họp rong, bùn
và chất thải chăn nuôi với Na-molypđate được bổ sung (1 mM) để ức chế SRB.
Kết quả 64,4% COD đã bị loại sau 60 ngày và trên 98% sau 90 ngày, tương ứng
tỷ lệ CH4 trong biogas đạt được là 40% và 81,8%. Methanosarcina sp. M37 được
tìm thấy chiếm ưu thế trong mô hình này.
8.2. Công trình khoa học đã công bố
- Nguyễn Thu H oài, Nguyễn Thị Tuyền, Đinh Thúy Hằng. Làm giàu và phân
lập methanogen từ trầm tích biển Việt Nam. Tạp chí CNSH, đang chờ in.
- Nguyễn Thu H oài, Nguyễn Thị Hải, D ưong Chí Công, Đinh Thúy Hằng.
Phân lập cô khuân sinh methane ưa mặn Methanosarcina sp. M37 từ trâm tích
biển Cát Bà, Việt Nam. Tạp chí CNSH, đang chờ in.

8.3. Đào tạo sau đụi Itọc
Hỗ trợ đào tạo 01 tiến sỹ: Nguyễn Thu Hoài
Tên luận án: “Nghiên cứu vi sinh vật ứng dụng cho sản xuất biogas làm tăng hiệu suất
trong điều kiện nước lợ và nước mặn”.
8.4,. Sản phẩm ứng dụng
- Quy trình công nghệ tạo nguồn vi sinh vật sinh methane thích ứng với điều
kiện nước lợ và nước mặn (BMS).
Sản phẩm BMS hỗ trợ các bể lên men kỵ khí ở điều kiện nước lợ và nước mặn
(5 lít mỗi loại).
9. Tình hình sử dụng kinh phí
- Tổng kinh phí của đề tài được duyệt: 180.000.000 VNĐ
- Tông kinh phí của đề tài đã chi: 180.000.000 VNĐ, bao gồm các mục:
+ Chi phí thuê mướn: 77.000.000
+ Chi phí nghiệp vụ chuyên môn: 70.000.000
+ V ă n p h ò n g p h ẩ m : 1 .0 0 0 . 0 0 0
+ Chi khác (lệ phí của đơn vị DT): 3.000.000
+ Viết báo cáo tổng quan tài liệu: 3.000.000
+ Thù lao chủ trì đề tài: 12.000.000
+ Nghiệm thu:
+ Viết báo cáo:
+ Xây dựne; đề cương:
2 .0 0 0 . 0 0 0
1 0 .0 0 0 .0 0 0
2 .0 0 0 . 0 0 0
Xác n h ận c ủ a CO’ q u a n chủ tr ì
VIỆN TRƯỞNG
Chủ trì đ ề tài
Văn Hợp
Xác nhận của Đại học Quốc gia
Đinh Thúy Hằng

MỤC LỤC
Da.nh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
D a n h m ụ c cá c b ả n g v à h ìn h
I. TỎN G QUAN TÀI LIỆU
1.1. Phân hủy kỵ khí và ứng dụng trong xử lý môi trường 1
1.1.1. Phân hủy kỵ khí 1
1.1.2. Bản chất sinh học của phân hủy kỵ khí 2
1.1.3. Một số công nghệ phổ biến vận hành theo nguyên lý phân hủy kỵ khí 3
l . 1.3.1. Be lên men kỵ khí sinh methane (biogas) 3
1.1.3.2. Be tự hoại (Septic tank) 6
1.1.3.3. UASB (U pflow A n aerobic Slu dge Blanket) 6
1.1.3.4. M àn g lọc kỵ kh í (A naerobic F ilter) 7
1.2. Vi sinh vật tham gia quá trình phân hủy kỵ khí 8
1.2.1. Nhóm 1 - Vi khuẩn có hoạt tính thủy phân 8
1.2.2. Nhóm 2 - Vi khuẩn lên men sinh axit 9
1.2.3. Nhóm 3 - Vi khuẩn sinh acetate (acetogens) 9
1.2.4. Nhóm 4 - Vi sinh vật sinh methane (methanogen) 10
1.3. Các yểu tố ảnh hưởng sinh trưởng của vi sinh vật trong các hệ thống phân hủy 11
kỵ khí
1.3.1. Cân bằng dinh dưỡng 11
1.3.2. Các yếu tố lý hóa và sinh học 12
1.4. Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ phân hủy kỵ khí ở Việt Nam 13
II. NG UYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PH ÁP NGHIÊN CỨtJ
2.1. Nguyên liệu 16
2.2. Phương pháp 16
2 .2 .1 . C á c p h ư ơ n g p h á p v i s i n h v ậ t h ọ c 16
2.2.2. Các phương pháp sinh học phân tử 18
2 .2 .3 . C á c p h ư ơ n g p h á p p h â n tíc h h ó a h ọ c 19
III. KÉT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Làm giàu methanogen từ trầm tích biển Cát Bà và Nha Trang 21

3.2. Phân lập methanogen từ các mẫu làm giàu 23
3.3. Quần xã methanogen trong các mẫu làm giàu 25
3.4. Lựa chọn chủng thích hợp để phát triển chế phẩm 27
3.4.1. Lựa chọn chủng có hoạt tính cao 27
3.4.2. Nghiên cứu đặc điểm sinh học của chủng M37 28
3.5. Tạo nguồn methanogen để bổ sung vào các mô hình phân hủy kỵ khí 31
3.6. Xác định khả năng hồ trợ quá trình lên men kỵ khí của BMS 34
3.7. Thử nghiệm vận hành mô hình bể lên men kỵ khí để xử lý chất thải hữu cơ ở 34
điều kiện nước mặn
3.7.1. Thiết lập mô hình bể lên men kỵ khí trong phòng thí nghiệm 34
3.7.2. Loại COD hòa tan trong các mô hình 36
3.7.3. Thành phần methanogen trong các mô hình 37
V. KÉT LUẬN 38
KI ÉN NGH Ị 39
TÀI LIỆU T HAM KHẢO 40
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIÉT TẢT
AF Anaerobic Filter
BMS Nguồn methanogen cho lên men kỵ khí ở điều kiện nước mặn
COD Chemical Oxygen Demand
DGGE Denaturing Gradient Gel Electrophoresis
DMSO
Dimethyl Sulfoxide
DNA Deoxyribonucleic Acid
16S rDNA
16S ribosomal DNA
FISH
Fluorscent in situ Hybridization
F420
Coenzyme F420
HDPE

High Density Polyethylene
MPN
Most Probable Number
PCR Polymerase Chain Reaction
RNA Ribonucleic Acid
SRB
Sulfate Reducing Bacteria
TAE
Tris-acetate-EDTA buffer
TCD
Thermal Conductivity Detector
UASB
Upflow Anaerobic Sludge Blanket
ƯV
Ultra Violet
VFA
Volatile Fatty Acid
DANH MỤC CÁC BẢNG
Báng 3.1. Các chủng methanogen phân lập từ các mẫu làm giàu khác nhau 23
Bảng 3.2. Khả năng sinh khí biogas và mức độ phát sáng của tế bào dưới 27
kính hiển vi huỳnh quang ghi nhận ở các chủng methanogen phân lập được
Báng 3.3. Công thức thiết lập các mô hình lên men kỵ khí đã thực hiện 34
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Chuyển hóa cacbon hữu cơ trong phân hủy hiếu khí và kỵ khí 1
Hình 1.2. Các bước của quá trình phân hủy kỵ khí chất hữu cơ tạo khí sinh 3
học
Hình 1.3. Be phân hủy kỵ khí hoạt động ở chế độ lên men ấm và lên men 4
nóng
Hình 1.4. Bể lên men kỵ khí hai cấp 5
Hình 1.5. Be tự hoại hai ngăn 6

H i n h 1 .6 . C ấ u tạ o v à n g u y ê n lý h o ạ t đ ộ n g c ủ a b ể U A S B 7
Hỉnh 1.7. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của màng lọc kỵ khí 8
Hình í.8. Vi khuẩn acetogen và cổ khuẩn methanogen trong bùn từ bể 9
biogas
H'.nh 1.9. Methanosarcina sp. và Methanothrix sp. 10
H n h 1.10. Methanogen trong bùn kỵ khí dưới kính hiển vi huỳnh quang 11
Hình 1.11. Bể biogas bằng vật liệu HDPE dung tích 30 000 m3 tại nhà máy 14
rượu Hà Nội
Htnh 2.1. Nguyên lý của phương pháp cột nước xác định lượng khí sinh ra 20
từ bể lên men kỵ khí
Hình 3.1. Làm giàu methanogen từ các mẫu trầm tích biển Nha Trang và 21
Cát Bà trong môi trường nước biển
Hình 3.2. Làm giàu methanogen từ các mẫu trầm tích biển Nha Trang và 22
Cát Bà trong môi trường nước lợ
Hình 3.3. Tính đa dạng và độ tinh sạch của các chủng methanogen phân lập 24
được thể hiện qua phương pháp phân tích PCR-DGGE đoạn gen
16S rDNA
Hình 3 .4 . P h â n tíc h q u ầ n x ã m e th a n o g e n tr o n g c á c m ẫ u là m g ià u v ớ i trầ m
tích từ biển Nha Trang và Cát Bà bằng phương pháp PCR-DGGE
gen 16S rDNA
Hình 3.5. Cây phân loại neibourgh joining dựa trên trình tự đoạn gen 16S
rDNA của các chủng methanogen đại diện
Hình 3.6. Hình thái tế bào và vị trí phân loại của chủng methanogen M37
Hình 3.7. Ảnh hưởng của điều kiện môi trường nuôi cấy đến mức tăng
trưởng và sinh methane ở chủng M37
Hình 3.8. Sinh trưởng và sinh methane ở chủng M37 trên các nguồn cơ chất
khác nhau
Hình 3.9. Quy tr ìn h tạo nguồn methanogen từ c h ủ n g M37
Hình 3.10. Sinh trưởng tạo methane của methaogen M37 trên môi trường
khoáng và cám gạo (1,5%) lên men

Hình 3.11. Nguồn methanogen từ chủng M37 nuôi trên cám gạo trong môi
trường nước biển sau 15 ngày quan sát dưới kính hiển vi huỳnh
quang
Hình 3.12. Lên men sinh methane trong điều kiện nước lợ và nước mặn khi
bổ sung hay không bổ sung BMS
Hình 3.13. Mô hình bể lên men kỵ khí xử lý rong biển và bùn thải đầm tôm
ở điều kiện nước mặn.
Hình 3.14. Chuyển hóa COD và tạo methane trong các mô hình thí nghiệm
lên men kỵ khí rong biển
Hình 3.15. Phân tích thành phần methanogen trong các mô hình thí nghiệm
bằng phương pháp PCR-DGGE gen 16S rDNA
25
26
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
I. TÓNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Phân hủy kỵ khí và ứng dụng trong xử lý môi trường
1.1.1. Phân hủy kỵ khí
Phân hủy sinh học các hợp chất hữu cơ trong môi trường kỵ khí (anaerobic
d ig e s tio n ) đ ư ợ c b iế t đ ế n từ g iữ a th ế k ỷ 19 v à đ ư ợ c n g h iê n c ứ u r ộ n g từ n h ữ n g n ăm
đầu của thế kỷ 20 (Bitton, 1999). Lên men kỵ khí có thể quan sát thấy ở nhiều dạng
môi trường tự nhiên như trầm tích thủy vực, sình lầy ven biến, hệ tiêu hóa của động

vật, vỉa khai thác dầu Quá trình lên men kỵ khí được ứng dụng từ lâu đê ôn định
bùn thải và ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước thải và chất thải có
hàm lượng hữu cơ cao. Khí sinh học, biogas (chủ yếu gồm CƠ
2 và CH4) sau đó có
thể được sử dụng để sinh nhiệt năng (đốt) hay chuyển thành điện, tạo nguồn năng
lượng đáng kể, đóng vai trò quan trọng trong quỹ năng lượng của nhiếu quốc gia, ví
dụ như ở Trung quốc 1,2% (China biogas, 2008); Mỹ 100 tỷ kWh (Cuellar et al.,
2008), ở Đức 2,86% (Biopact, 2007). Phân hủy kỵ khí do vậy được ứng dụng ngày
c à n g r ộ n g rã i n h ờ g iả i q u y ế t đ ồ n g t h ờ i h ai v ấ n đ ề , (i) x ử lý tr iệ t đ ể v à h iệ u q u ả
nguồn thải hữu cơ và (ii) tận thu năng lượng từ nguồn thải này ở dạng biogas.
So với quá trình phân hủy hiếu khí, quá trình kỵ khí có nhiều ưu điểm như sau
(Lettinga, 1995;Bitton, 1999):
- Phân hủy kỵ khí sử dụng C 0 2 sẵn có trong môi trường làm chất nhận điện tử,
không có nhu cầu về oxy từ bên ngoài, do vậy làm giảm giá thành xử lý
nước/chất thải một cách đáng kể.
- Lượng bùn tạo ra trong phân hủy kỵ khí thấp hơn nhiều so với hiếu khí (3 -
20 lần) do sinh khối tạo ra ít (hiệu suất sinh năng lượng từ vi khuẩn kỵ khí
thấp) (Hình 1.1).
Ề
B
Effluent
(111 to 30%)
Hình 1.1. Chuyển hóa cacbon hữu cơ trong phân hủy hiếu khí (A) và kỵ khí (B)
(Lettinga, 1995)
1
Nếu như trong hô hấp hiếu khí, 50% cacbon hữu cơ được chuyển thành sinh
khối thì trong hô hấp kỵ khí chỉ có 5%, theo đó với 1 tấn COD bị phân hủy
thì có 20 - 100 kg sinh khối tế bào được tạo thành trong phân hủy kỵ khí, so
với 500 - 600 kg tạo thành trong phân hủy hiếu khí.
- Phân hủy kỵ khí tạo sản phẩm cuối cùng là methane, là khí có nhiệt năng

cao, có thể sử dụng làm nhiên liệu đốt sinh nhiệt hay chuyển thành điện năng.
Chỉ có khoảng 3 - 5 % cơ chất bị thất thoát dưới dạng nhiệt.
- Phân hủy kỵ khí thích họp với các loại nguồn thải có hàm lượng hữu cơ rất
cao và có thể vận hành với tải trọng hữu cơ lớn.
- Vi sinh vật kỵ khí trong hệ thống tồn tại theo tổ họp ở dạng hạt bùn, có độ
bền cao về hoạt tính và mức sống sót, thậm chí khi hệ thống xử lý ngừng hoạt
động trong thời gian dài.
- Bên cạnh đó, các quá trình phân hủy kỵ khí còn có thể loại được nhiều chất
độc khó phân hủy như hydrocacbon mạch thẳng chứa clo (ví dụ
trichloroethylene, trihalomethane), lignin.
Với những ưu điểm kể trên, các công nghệ xử lý chất thải dựa theo nguyên lý
phân hủy kỵ khí ngày càng được ứng dụng rộng rãi. Tuy nhiên, bên cạnh những ưu
thế này, phân hủy kỵ khí còn bộc lộ một số nhược điểm như sau:
- Quá trình phân hủy kỵ khí diễn ra chậm hơn so với hiếu khí và thường mẫn
cảm với nhiều yếu tố độc hại trong môi trường như nhiệt độ, pH, axit hữu cơ
bay hơi (VFA), các kim loại nặng
- Bước khởi động của toàn bộ quá trình thường kéo dài, do vậy nguồn vi sinh
vật có hoạt tính cao (như bùn bể tự hoại, bùn hoạt tính hay chế phẩm vi sinh)
thường được sử dụng để rút ngắn quá trình này.
Những nhược điểm trên của phân hủy kỵ khí có thể được khắc phục thông
qua việc tối ưu quy tìn h công nghệ. Các bể phản ứng lên men kỵ khí thường được
thiết kế phức tạp hơn so với bể hiếu khí thông thường, có các thiết bị hỗ trợ như
cánh khuấy, hệ thống ống dẫn hướng dòng chảy, bộ phận châm xút để chỉnh pH khi
cần thiết, bộ phận thu và xử lý khí biogas tạo thành
1.1.2. Bản chất sinh học của phân hủy kỵ khí
Tổ họp vi sinh vật với thành phần chủ yếu là vi khuẩn tham gia vào quá trình
chuyển hóa các hợp chất hữu cơ cao phân tử thành methane. Mối quan hệ mật thiết
2
giữa các nhóm vi sinh vật thực hiện từng bước chuyển hóa quyết định toàn bộ quá
trình phân hủy theo phương trình phản ứng như sau:

Chất hữu cơ -> CH4 + C 0 2 + H2 + NH3 + H2S (Polpraset, 1989).
Vi khuẩn là nhóm chiếm ưu thế trong bể lên men kỵ khí. Các nhóm vi khuẩn
kỵ khí tùy tiện và kỵ khí bắt buộc có mặt với số lượng lớn ở đây, ảnh hưởng tương
hỗ với nhau để thực hiện quá trình phân hủy. Toàn bộ quá trình phân hủy kỵ khí
chất hữu cơ cao phân tử thành methane diễn ra theo bốn bước (Hình 1.2) gồm (i)
thủy phân và (ii) lên men sinh axit để tạo thành các axit hữu cơ mạch ngắn, (iii)
chuyển hóa H2 và axit hữu cơ thành acetat nhờ nhóm acetogen và (iiii) tạo CH4 từ
acetat nhờ nhóm methanogen.
ị Sinh acetate (VK Acetogen)
Acetate, H2, COz
ị Sinh methane (VK Methanogen)
Methane CH,
Hình 1.2. Các bước của quá trình phân hủy kỵ khí chất hữu cơ tạo khí sinh học
1.1.3. M ột số công nghệ phổ biến vận hành theo nguyên lý phân hủy kỵ khí
1.1.3.1. Be lên men kỵ khí sinh methane (bỉogas)
Nhờ đặc tính hữu hiệu trong việc xử lý chất thải dạng rắn và lỏng, đồng thời
tạo ra nguồn “năng lượng xanh” là khí methane, công nghệ khí sinh học hiện đang
được áp dụng tại nhiều nơi trên thế giới. Theo cách truyền thống, công nghệ này
được triển khai ở qui mô nhỏ như hộ và nhóm hộ gia đình với nguồn thải chuồng
trại kết hợp phế thải nông nghiệp, thường gặp ở các nước đang trong giai đoạn phát
3
triển ở châu Á và châu Phi như Trung quốc, Án độ, Việt Nam, Ethiopia, Senegal
(chương trình phát triển công nghệ biogas của chính phủ Hà Lan). Ở các nước phát
triển, biogas được sản xuất ở qui mô công nghiệp trong các bể phản ứng vận hành ở
nbiệt độ ấm (mesophilic, 37°C) hay nhiệt độ cao (thermophilic, 50 - 55°C), đạt qui
mô lớn (tới 5000 m3) và có thể sử dụng các nguồn thải phong phú, bao gồm rác sinh
hoạt, bùn thải, chất thải lỏng từ các nhà máy chế biến thực phẩm hay lò giết mổ hay
rong rác gây ô nhiễm ở biển v.v. (Bitton, 1999; Weiland et ai, 2003; Nofima,
/>Bể phản ứng kỵ khí (Hình 1.3) được thiết kế dạng hình trụ (cho thể tích chứa
lớn nhất trên cùng một đơn vị diện tích), có cửa tiếp nhận nguyên liệu ở một đầu và

chất thải ra ở đầu khác. Đối với chế độ lên men nóng (50 - 55°C), bể được gắn với
hệ thống gia nhiệt và khuấy để duy trì nhiệt độ ổn định. So với lên men ấm (37°C)
thì lên men nóng có hiệu suất sinh khí và tốc độ phân hủy cao hơn, tuy nhiên quy
trình công nghệ và vận hành cũng phức tạp hơn (Lettinga, 1995).
Hình 1.3. Bể phân hủy kỵ khí (anaerobic digester) hoạt động ở chế độ lên men ấm (A) và
lên men nóng (B) (Metcalf & Eddy, 1991).
Bùn trong bể lên men kỵ khí chia làm hai lóp, ở đáy là bùn chín đã hoạt động
kém (stabilized sludge), sẽ được đưa ra ngoài theo van xả và có thể được xử lý tiếp
tục để sử dụng cho các mục đích khác, phổ biến nhất là làm phân vi sinh. Lớp trên
là bùn non có hoạt tính cao (active sludge) gồm vi sinh vật kỵ khí đang hoạt động
tích cực, tạo thành các hạt bùn có kích thước nhỏ hơn, chiụ trách nhiệm chính cho
quá trình phân hủy. Thời gian lưu điển hình của nước/chất thải trong bể biogas là 30
ngày. Phần nước trong ở trên cùng (supernatant) sẽ được chuyển ra ngoài theo
đường thoát, thường được đưa vào hệ thống xử lý tiếp theo nhằm loại nitơ, phospho
và lắng chất lơ lửng trước khi đưa ra ngoài môi trường (Bitton, 1999).
4
Công nghệ bể lên men kỵ khí thường được áp dụng với chất thải có hàm
lượng hữu cơ rất cao, COD có thể lên tới 30000 mg/L (Bitton, 1999; Lettinga,
1995), theo đó quá trình lên men sinh axit có thể dẫn tới pH trong bể bị giảm mạnh
tới 4 - 5 và làm dừng toàn bộ quá trình phân hủy. Đe khắc phục tình trạng này
người ta sử dụng hệ thống lên men hai cấp (Hình 1.4), trong đó quá trình lên men
sinh axit được tiến hành trong bể riêng (có thể áp dụng các biện pháp tiền xử lý như
bổ sung enzyme thủy phân ngoại bào), cơ chất sau lên men được chuyển dần vào bể
methane để tránh gây thay đổi đột ngột trong môi trường ở đây.
Hình 1.4. Bể lên men kỵ khí hai cấp (Metcalf & Eddy, 1991)
Nguyên liệu đầu vào cho bể biogas đã được đa dạng hóa cao. Nếu như trước
kia chất thải gia súc và phế thải nông nghiệp là nguyên liệu chủ yếu để sản xuất
biogas thì hiện nay rất nhiều loại nguồn thải giàu hữu cơ được sử dụng cho mục
đích này, ví dụ như bùn cống, rác thải hữu cơ, bùn cặn từ nuôi trồng thủy sản, chất
thải từ các nhà máy chế biến thực phẩm và các lò giết mổ v.v. Đạt được điều này là

nhờ những cải tiến đáng kể trong thiết kế bể biogas (có thiết bị khuấy, ổn định về
nhiệt, đảm bảo mức oxy thấp ) cùng với những hiểu biết sâu hơn về nhóm
methanogen (về đặc tính sinh lý, sinh hóa và di truyền), nhờ đó chủ động được về
nguồn vi sinh vật này cho quá trình phân hủy, không phụ thuộc vào các nguồn tự
nhiên truyền thống là phân trâu bò (Corti, Lombardi, 2007).
Bên cạnh đó, các công nghệ phụ trợ sử dụng khí methane sinh ra một cách
hiệu quả cũng đa dạng hơn trước. Hiện nay methane không chỉ được dùng để cấp
nhiệt (đốt trực tiếp) mà còn được chuyển thành các dạng năng lượng khác như điện,
methanol hay hóa lỏng để chạy động cơ (Biopact, 2007).
Supernatant
Thickened
sludge
Mechanical
Digested sludge
5
Bể tự hoại là hệ thống phân hủy kỵ khí được ứng dụng rộng rãi nhất và được
biết đến sớm nhất (từ thế kỷ 19). Phần lớn nước thải sinh hoạt từ các hộ gia đình
được xử lý theo công nghệ này. cấu trúc điển hình của một bể tự hoại hai ngăn
được trình bày ở hình 1.5. Bể tự hoại được đặt ngầm, tiếp nhận nước thải (nước xám
và nước đen) từ hộ gia đình và lưu trong thời gian từ 24 - 72 h. Ở khí hậu nhiệt đới,
bể tự hoại có thể loại được 90% BOD trong nước thải, ở khí hậu ôn đới thì hiệu suất
đạt mức 70 - 80% (Lettinga et ai, 1997).
1 .1 .3 .2 . B e t ự h o ạ i ( S e p tic ta n k )
shidgô—7 septic tank
cross
section
Hình 1.5. Be tự hoại hai ngăn (Bitton, 1999)
Lượng bùn sinh ra trong bể tự hoại thường được nạo vét sau 2 - 5 năm sử
dụng, sau đó được xử lý tiếp tục tại các hệ thống biogas tập trung (Bitton, 1999). Ở
Việt Nam hiện nay bùn bể tự hoại chủ yếu được thu gom và xử lý bằng phơi và

chôn lấp, gây ảnh hưởng tới môi trường tại các khu vực xử lý (Nguyễn Việt Anh,
2007). Một số nghiên cứu đang tiến hành tại trường Đại học Xây dựng Hà Nội đề
cập đến việc xử lý bùn bể tự hoại và bùn cống theo công nghệ lên men kỵ khí ở
nhiệt độ cao và đã có kết quả khả quan (Dự án SEMIS AN, 2012).
ỉ. 1.3.3. UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket)
Be UASB được đưa vào áp dụng từ đầu thế kỷ 20. Nguyên lý vận hành của
bể UASB là dòng nước thải được đưa vào từ đáy bể thông qua một lớp bùn có hoạt
6
tính phân hủy cao (Hình 1.6). Nước thải qua xử lý được lắng trong ở phần trên của
bể và dưa ra ngoài.
UPFLOW ANAEROBIC SLUDGE
BLANKET REACTOR
Hình 1.6. Cấu tạ o và n g u y ên lý h o ạ t độ n g của bể UASB (L e tting a, 1995).
Bể UASB hoạt động với nước thải có hàm lượng hữu cơ COD thấp hơn so
với bể biogas, ở mức <5000 mg/L. Thời gian lưu của nước thải trong ƯASB từ 12 -
36 h, cho phép loại tới trên 90% COD, thậm chí ở điều kiện nhiệt độ khoảng 10°c
(Pipyn etal., 1979; Rebac et al., 1995).
Hiện nay trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng, công nghệ UASB
được ứng dụng nhiều trong xử lý nước thải tập trung tại các khu công nghiệp, các
nhà máy chế biến thực phẩm và đồ uống, nước thải sinh hoạt ở các khu dân cư
1.1.3.4. Màng lọc kỵ khỉ (Anaerobic Filter)
Công nghệ màng lọc kỵ khí đầu tiên được đưa vào từ đầu thế kỷ 20 nhưng
mới thực sự ứng dụng năm 1969 (Young, McCarty). Màng lọc này gồm có vật liệu
làm giá thể (đá, sỏi, nhựa) với cấu trúc rỗng (tới 50% thể tích) làm chỗ bám cho vi
sinh vật (Jewell, 1987) và các tế bào vi sinh vật có hoạt tính phân hủy sinh trưởng
bám dính trên giá thể, tạo màng sinh học dày tới 1 - 3 mm (Bitton, 1999). Đa dạng
các loại vật liệu phù hợp cho việc làm giá thể cho vi sinh vật ngày càng tăng, hỗ trợ
đáng kể cho hiệu quả xử lý của công nghệ. Dòng nước thải đưa từ đáy lên khi đi
qua màng lọc sẽ được loại bỏ các chất ô nhiễm (Hình 1.7). Công nghệ này cho phép
loại chất rắn lơ lửng YỚi hiệu quả cao, tuy nhiên hiệu quả loại BOD lại thấp hơn so

với bể biogas hay ƯASB. Hiệu suất loại BOD, chuyển hóa thành methane chỉ đạt
mức 20% (Bames, Fitzgerald, 1987).
7
Blog as
H ìn h 1.7. C ấ u tạ o v à n g u y ên lý h o ạ t độ n g củ a m à n g lọ c k ỵ k h í (Je w ell, 19 87 ).
1.2. Vi sinh vật tham gia quá trình phân hủy kỵ khí
Như đã trình bày ở trên, phân hủy kỵ khí là quá trình chuyển hóa sinh học
trong điều kiện không có oxy với sự tham gia của nhiều nhóm vi sinh vật có quan
hệ mật thiết với nhau theo hình thức chuỗi thức ăn, đảm bảo phân hủy chất hữu cơ
cao phân tử thành methane và C 0 2 (Hình 1.2). Bốn nhóm vi khuẩn chính tham gia
vào quá trình phân hủy kỵ khí gồm có nhóm thủy phân, nhóm lên men sinh axit,
nhóm sinh acetate và nhóm sinh methane. Các nhóm vi khuẩn này hoạt động dựa
trên mối quan hệ cộng sinh phụ thuộc vào hoạt tính sinh học cũng như sản phẩm
trao đổi chất của nhau (Archer, Kirsop, 1991).
1.2.1. Nhóm 1 - Vi khuẩn có hoạt tính thủy phân
Nhóm này bao gồm các vi khuẩn kỵ khí và kỵ khí tùy tiện thực hiện chức
năna bẻ gãy các phân tử hữu cơ phức hợp (như protein, cellulose, lignin, lipid)
thành các đơn phân tan trong nước như axit amin, glucose, axit béo và glycerol, tạo
nguồn cơ chất cho nhóm vi khuẩn tiếp theo tham gia quá trình phân hủy (Bitton,
1999). Thủy phân các hợp chất hữu cơ cao phân tử được thực hiện nhờ các enzyme
thủy phân ngoại bào như cellulase, protease và lipase. Giai đoạn này có thể kéo dài,
tùy thuộc thành phần nguồn thải cần xử lý. Để tăng tốc và rút ngắn thời gian cho
quá trình phân hủy kỵ khí, trong một số trường hợp xử lý nhiệt hay hỗn hợp enzyme
được áp dụng trên nguồn thải đầu vào, tuy nhiên như vậy lại làm tăng giá thành của
quá trình x ử lý (Amania e t a i , 2010).
8
1.2.2. Nhóm 2 - Vi khuẩn lên men sinh axit
Vi khuẩn lên men sinh axit (ví dụ như Clostridium) chuyển hóa đường, axit
amin và axit béo thành các axit hữu cơ (như axit acetic, propionic, formic, butyric
hay succinic), rượu và keton (như ethanol, methanol, glycerol, acetone), acetate,

C 0 2 và H2 (Amania et al., 2010). Acetate là sản phẩm chính được tạo ra trong quá
trình lên men các họp chất carbohydrat. Sản phẩm lên men thay đổi phụ thuộc vào
loài vi khuẩn cũng như điều kiện lý hóa (nhiệt độ, pH, thế oxy hóa khử) trong bể
phản ứng (Amania et al., 2010).
1.2.3. Nhóm 3 - Vi khuẩn sinh acetate (acetogens)
Vi khuẩn acetogen (vi khuẩn sinh acetate và H2) như Syntrobacter và
Syntrophomonas (M clnemay et ai, 1981) chuyển hóa các axit béo (như axit
propionic, butyric) và rượu thành acetate, H2 và C 0 2. Sản phẩm trao đổi chất của vi
khuẩn acetogen là nguồn cơ chất trực tiếp cho nhóm sinh methane hoạt động. Để có
thể chuyển hóa được các axit béo, vi khuẩn acetogen cần có điều kiện áp suất cục
bộ của H2 trong môi trường ở mức rất thấp, do vậy quan hệ cộng sinh chặt chẽ với
các vi sinh vật sinh methane là nhằm duy trì điều kiện này (Hình 1.8) (Bitton, 1999;
Amania et al., 2010). Ethanol, axit propionic và butyric được vi khuẩn acetogen
chuyến hóa thành axit acetic theo các phương trình phản ứng như sau:
CH3CH2OH (ethanol) + H20 —> CH3COOH (acid acetic) + 2H2
CH3CH2COOH (acid propionic) + 2H20 -» CH3COOH (acid acetic) + CO
2
+ 2H2
CH3CH2COOH (acid butyric) + 2H20 -» 2CH3COOH (acid acetic) + 2H2
Hình 1.8. Vi khuẩn acetogen (tế bào nhỏ) và cổ khuẩn methanogen (tế bào lớn) trong bùn
từ bể biogas (Madigan et al., 2009).
Vi khuẩn acetogen sinh trưởng nhanh hơn nhiều so với methanogen (khoảng
25 lần), tuy nhiên methanogen lại sử dụng cơ chất với hiệu suất thấp (sinh ra ít năng
lượng từ một đơn vị cơ chất), do vậy có thể giúp duy trì nồng độ sản phẩm trao đổi
9
chất do acetogen sinh ra (đặc biệt là H2) ở mức thấp và tạo điều kiện cho acetogen
tiếp tục sinh trưởng (Hammer, 1986).
1.2.4. Nhóm 4 - Vi sinh vật sinh methane (m ethanogen)
Vi sinh vật sinh methane có mặt ở nhiều dạng môi trường sinh thái khác nhau,
đặc biệt là các lóp bùn đáy sâu của các thủy vực và trong hệ đường ruột của động

vật nhai lại (W hitman et ai, 2000). Trong hệ xử lý nước thải các vi sinh vật này
sinh trưởng với tốc độ chậm với thời gian nhân đôi tế bào khoảng 3 ngày ở điều
kiện nhiệt độ 35°c (so với E. coli là khoảng 15 phút) hay tới 50 ngày ở điều kiện
bất lợi 10°c. Vi sinh vật sinh methane được chia thành hai nhóm lớn:
1 .2 .4 .1 . M e th a n o g e n sử d ụ n g h y d ro (h y d ro g e n o tr o p h ic )
Các loài thuộc nhóm này chuyển hóa H2 và C 0 2 thành CH4 theo phản ứng:
C 0 2 + 4H2 -» CH4 + 2H20 . Nhóm vi sinh vật này thực hiện chức năng duy trì áp
suất cục bộ của hydro trong hệ xử lý ở mức thấp phù hợp cho vi khuẩn acetogen
hoạt động, đảm bảo các acid béo và rượu được chuyển thành acetate. Các chi
thường gặp thuộc nhóm này gồm có Methanobacterium, Methanobrevibacter,
Methanococcus, Methanomicrobium, Methanogenium (Whitman et aL, 2000).
1.2.4.2. Methanogen sử dụng acetate (acetoclastic)
Methanogen thuộc nhóm này huyển hóa acetate thành CH4 và CO2 theo phản
ứng CH3COOH —> CH4 + C 0 2. Đây là nhóm chính chiếm ưu thể trong bể phân
hủy kỵ khí, tạo ra ~ 2/3 lượng methane trong bể, chỉ có 1/3 còn lại có nguồn gốc từ
H2 và CO2 (Mackie, Bryant, 1981).
Trong bể xử lý kỵ khí hai chi thường gặp thuộc nhóm này là Methanosarcina
và Methanothrix (Hình 1.9). Trong các bể kỵ khí lên men nóng (55°C) xử lý các
nguồn thải thực vật (lignocellulose), Methanosarcina chiếm vị trí chủ đạo ở giai
đoạn đầu, sau đó dần dần xuất hiện Methanothrix do ái lực với cơ chất acetate (giá
trị Ks) của Methanosarcina cao hon Methanothrix (Whitman et al., 2000).
Hình 1.9. Methanosarcina sp. (A) và Methanothrix sp. (B) (Madigan et al., 2009).
10
về vị trí phân loại trong sinh giới, methanogen được xếp vào nhóm cổ khuẩn
(Archaea), có nhiều đặc điểm khác biệt so với vi khuân (Bacteria) như cấu trúc
thành tế bào, bộ máy tổng hợp protein (ribosome), một số coenzyme đặc hiệu như
F420 (Hình 1.10), coenzyme M (Whitman et al., 2000).
Hình 1.10. Methanogen trong bùn kỵ khí dưới kính hiển vi huỳnh quang; tự phát
Do đóng vai trò then chốt trong toàn bộ quá trình xử lý kỵ khí, methanogen
trong các bể phản ứng thường được kiểm soát chặt chẽ. Hiện nay các phương pháp

xác định số lượng và hoạt tính của methanogen trong các bể phản ứng cũng được tối
ưu dần, bao gồm nuôi cấy (điều kiện kỵ khí hoàn toàn) đến các phương pháp sinh
học phân tử dựa trên DNA và RNA như điện di biến tính (DGGE), lai trực tiếp bằng
đầu dò huỳnh quang đặc hiệu (FISH) (Amann, 1995).
1.3. Các yếu tố ảnh hưởng sinh trưởng của vi sinh vật trong các hệ thống
phân hủy ky khí
Phân hủy kỵ khí thực tế được đặt dưới kiểm soát chặt chẽ của các điều kiện
môi trường do quá trình này đòi hỏi sự phối hợp nhịp nhàng giữa các nhóm vi sinh
vật, đặc biệt là methanogen vì chúng rẩt nhạy cảm (Speece et al., 1983).
1.3.1. Cân bằng dinh dưỡng
Đe quá trình xử lý sinh học có thể thành công, chất dinh dưỡng vô cơ thiết
vếu cho vi sinh vật cần phải được cung cấp đầy đủ và cần phải được cân bằng để đạt
tỷ lệ tối ưu. Các chất thiết yếu cho hoạt động của vi sinh vật (theo mức độ giảm dần
về tầm quan trọng) gồm nitơ, sulfur, phosphor, sắt, cobalt, nikel, molipden, selen,
riboflavin, vitamin B 12.
• N itơ là nguồn dinh dưỡng được tiêu thụ với lượng lớn cho sự phát triển của
vi sinh vật. Trong điều kiện kỵ khí, ammonia và nitơ hữu cơ là nguồn nitơ
sáng nhờ coenzyme F420 (Madigan et al., 2009)
11
chính dành cho vi sinh vật phát triển. Trong bể biogas, tỷ lệ nitơ/carbon phải
đạt 130:5 đối với các nguồn thải giàu hydrat carbon và 330:5 đối với các
nguồn thải giàu lipid và protein (Lettinga et al., 1997).
• Lượng phospho được vi sinh vật tiêu thụ trong hệ xử lý kỵ khí được xác
định vào khoảng 1/5 đến 1/7 nhu cầu về nitơ. Phần lớn vi sinh vật đều có khả
năng sử dụng phospho vô cơ, hấp thụ vào các tế bào đang sinh trưởng nhờ
enzyme phosphatase (Amania et ai, 2010).
• Sulfur cần thiết cho việc tổng hợp protein trong tế bào và trong môi trường
kỵ khí, sulfide (H2S) và cystein là nguồn sulfur chủ yếu cho vi sinh vật phát
triển. Tuy nhiên H2S có tác động ức chế đối với nhiều nhóm vi sinh vật, bao
gồm cả methanogen (ở nồng độ > 200 ppm), do vậy sự có mặt của hợp chất

này trong bể biogas phải được kiểm soát ở mức thấp (Bitton, 1999).
1.3.2. Các yếu tố lý hóa và sinh học
• Nhiệt độ: Trong các hệ xử lý kỵ khí, quá trình sinh methane được thực hiện
ở nhiệt độ ấm (25 - 40°c, tối ưu ở 35°C) hay nhiệt độ cao (50 - 65°c, tối ưu
ở 55°C), tùy thuộc vào loại công nghệ áp dụng. Do có tốc độ sinh trưởng
chậm, methanogen rất nhạy cảm với những thay đổi nhỏ về nhiệt độ trong
môi trường (Marta-Alvarez
et al., 2000).
• Thòi gian lưu: Phụ thuộc vào đặc điểm của nguồn thải và điều kiện môi
trường, thời gian lưu cần được kéo dài ở mức độ thích hợp, thường trong
khoảng 1 0 - 6 0 ngày (Polprasert, 1989). Thời gian lưu có thể được rút ngắn
tùy thuộc vào các điều kiện hỗ trợ công nghệ, ví dụ như xử lý sơ bộ nguồn
thải ban đầu hay bổ sung nguồn vi sinh vật đã được thích nghi với nguồn thải
đầu vào (Sterritt, Lester, 1988).
• Độ pH: Điều kiện tối ưu cho bể biogas là pH = 7,0 - 7,2, quá trình bị dừng
khi pH ở mức gần 6,0. Các vi khuẩn sinh axit tạo axit hữu cơ và là nguyên
nhân làm giảm độ pH trong hệ xử lý. Trong trường hợp pH của hệ xử lý
giảm xuống dưới mức cho phép cần có biện pháp hỗ trợ để pH có thể phục
hồi bằng cách bổ sung một số hóa chất có tính kiềm cao như thạch cao
(lime), ammonium khan, NaOH, N aH C 03, Na2C 0 3 (Bitton, 1999).
• T hành phần hóa học của nguồn thải: Nguồn nguyên liệu thải cần được cân
bằng về dinh dưỡng (carbon, nitơ, phospho, lưu huỳnh ) để có thể duy trì
được hệ xử lý kỵ khí ở mức hiệu suất cao. Theo một số nghiên cứu, tỷ lệ C/N
12
cho sinh khí tối ưu là 25 - 30:1 (Polprasert, 1989). Các nguyên tố vi lượng
như sat, cobalt, molypden và nickel cũng có vai trò rất quan trọng (Speece et
al., 1983).
• Cạnh tran h giữa m ethanogen và vi khuẩn khử sulfate (SRB): do có cùng
phổ cơ chất để sinh trưởng với methanogen nên SRB có thể cạnh tranh đáng
kể với methanogen khi trong nguồn thải có mặt sulfate ở nồng độ cao (tỷ lệ

COD/SO4 <2) (Choi, Rim, 1991).
• Độ mặn: Độ mặn có ảnh hưởng lớn tới quá trình phân hủy trong hệ xử lý kỵ
khí. Trong các môi trường nước lợ và nước mặn quá trình phân hủy kỵ khí
do vậy mà thường không hiệu quả hoặc tốc độ chậm (Marta-Alvarez et ai,
2000). Tuy nhiên nhiều nghiên cứu cho thấy methanogen có mặt với số
lượng đáng kể trong môi trường có ảnh hưởng nước biển (rừng ngập mặn,
đáy biển), do vậy việc đưa những loài đã thích nghi với nước mặn này vào bể
biogas sẽ có tác dụng tích cực tới tốc độ phân hủy (Marta-Alvarez et al.,
2 0 0 0 ).
• Các yếu tố ức chế khác: oxy hòa tan, ammonia (nồng độ > 3000 mg/L), các
hợp chat hydrocarbon chứa halogen (như chloroform), các hợp chất thơm
(như benzene, toluene, phenol, pentachlorophenol), formaldehyde (nồng độ >
100 mg/L), axit béo bay hơi (volatile fatty acid, như butyric, propionic), kim
loại nặng (mức độc hại đối với methanogen theo thứ tự Ni > Cu > Cd > Cr >
Pb), một số chất độc khác như cyanide, sulfide, tannin và ức chế ngược do
sản phẩm trao đổi chất (như H2 hay axit béo bay hơi) (Bitton, 1999).
1.4. Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ phân hủy kỵ khí ở Việt Nam
Phân hủy kỵ khí với hiệu quả loại chất hữu cơ cao được quan tâm nghiên cứu
và ứng dụng khá rộng rãi ở Việt Nam. Tuy nhiên, các nghiên cứu đã tiến hành cho
đến nay mới chỉ tập trung vào triển khai, cải tiến và tối ưu công nghệ, hầu như chưa
có nghiên cứu nào đề cập đến các nhóm vi sinh vật tham gia quá trình phân hủy.
Nguyên nhân chính là do việc phân lập và nuôi cấy vi sinh vật kỵ khí trong phòng
thí nghiệm đòi hỏi kỹ năng chuyên sâu mà hiện ít phòng thí nghiệm trong nước có
điều kiện tiến hành.
Công nghệ áp dụng nguyên lý phân hủy kỵ khí điển hình nhất là bể tự hoại.
Đại bộ phận các đô thị ở Việt Nam sử dụng công nghệ này để xử lý nước thải sinh
hoạt. Tuy nhiên, theo đánh giá của các nhà công nghệ môi trường Việt Nam thì hầu
hết các bể tự hoại xây dựng sau năm 1960 tới nay đều chưa đúng quy cách, cặn lắng
13
trong bể không được nạo vét định kỳ nên nước thải ra tò bể tự hoại còn chứa chất lơ

lửng và chất hữu cơ ở nồng độ khá cao (Nguyễn Việt Anh, 2007). Bùn thu gom từ
các bê tự hoại cũng chưa được xử lý triệt đế nên còn là nguồn ô nhiễm cần quan tâm
xử lý.
Tiếp theo, công nghệ biogas đã được triển khai ở nhiều vùng nông thôn khác
nhau, bao gồm cả miền núi và đồng bàng nhờ chương trình phát triển công nghệ
biogas do chính phủ Hà Lan tài trợ (Biogas Vietnam). Một đặc điểm nổi bật của
ch ương trình này là công nghệ mới được triển khai ở qui mô nhỏ
(<10 m3) sử dụng
nguồn thải truyền thống là phân trâu bò và phế thải nông nghiệp. Sản xuất biogas ở
qui mô lớn cũng đã được triển khai ở một số điểm, sử dụng nguồn thải ban đầu từ
các nhà máy chế biến thực phẩm (nhà máy rượu Hà Nội, nhà máy bia Hà Nội, nhà
m áy chế biến tinh bột sắn ở Quảng Ngãi là một số ví dụ) (Hình 1.11). Tuy nhiên,
điém chung của các hệ thống biogas ở nước ta hiện nay là cho hiệu suất thấp và
kh ông ổn định, do vậy khí biogas tạo ra cũng chưa được sử dụng triệt để, mới chỉ
dừng ờ mức làm nhiên liệu đốt và một phần nhỏ được chuyển thành điện năng.
HTinh 1.11. Bể biogas bằng vật liệu HDPE dung tích 30 000 m3 tại nhà máy rượu Hà Nội
(khu công nghiệp Yên Phong, Bắc Ninh).
Xử lý nước thải theo nguyên lý công nghệ UASB và màng lọc kỵ khí (AF)
cũng khá phổ biến, áp dụng cho các cơ sở sản xuất có nước thải hữu cơ và các khu
công nghiệp. So với bể tự hoại hay bể biogas, hai dạng công nghệ này đòi hỏi thiết
kế, vận hành phức tạp hơn. Mặc dù được áp dụng để xử lý các loại nước thải có
hàm lượng hữu cơ ở mức trung bình (COD 1000 - 5000 mg/L) nhưng các bể UASB
và AF cũng không tránh khỏi vướng mắc trong giai đoạn khởi động với thời gian
thuiờng kéo dài 6 tháng hoặc hơn.
14
So với hiện trạng hoạt động của các hệ thống xử lý kỵ khí trong môi trường
nước ngọt, các hệ thống hoạt động trong môi trường nước mặn (nước lợ và nước
b iế n ) c ò n k é m h iệ u q u ả h ơ n n h iề u . N g u y ê n n h â n là d o q u á trì n h p h â n h ủ y v ậ t c h ất
(cả hiếu khí và kỵ khí) ở điều kiện nước mặn thường chậm. Trong khi tình hình ô
nhiễm (đặc biệt là ô nhiễm chất thải hữu cơ từ sinh hoạt và công nghiệp nuôi trồng

thủy sản) ở các vùng ven biển đang ngày càng trở nên trầm trọng, gây ảnh hưởng
đến môi trường sống và da lịch, thì các công nghệ xử lý nước thải và chất thải ở đây
như bể tự hoại, UASB, bể biogas, AF lại kém hiệu quả và không đáp ứng được nhu
cầu thực tế. Bên cạnh ảnh hưởng ức chế của hàm lượng muối cao, sự cạnh tranh của
vi khuấn khử sulfate (SRB) cũng là yếu tố quan trọng làm giảm hiệu suất của quá
trìn h lên m e n k ỵ k h í ở n ư ớ c lợ v à n ư ớ c b iể n (R a b u s et a i , 2 0 0 0 ). N ế u n h ư p h â n tr â u
bò, bùn cone và bùn hoạt tính từ các hệ thống xử lý nước thải được sử dụng làm
nguồn methanogen bổ sung ban đầu vào các hệ thống xử lý kỵ khí ở môi trường
nước ngọt thì trong môi trường nước mặn lại chưa có các nguồn vi sinh tương ứng.
Đe góp phần khắc phục tình trạng hoạt động kém hiệu quả của các hệ thống
xử lý kỵ khí ở môi trường nước mặn, chúng tôi đã được giao thực hiện đề tài
“ N g h iê n c ử u p h á t triển sin h p h ẩ m h o t r ợ c ô n g n g hệ lê n m e n tạ o k h í s in h h ọ c tr o n g
c á c đ iề u k iệ n m ô i t r ư ờ n g đ ặ c b iệ t” v ớ i s ả n p h ẩ m c ô n g n g h ệ h ư ớ n g tớ i là n g u ồ n
methanogen hỗ trợ một cách chủ động cho các hệ thống xử lý kỵ khí vận hành ở
đ iề u k iện n ư ớ c lợ v à n ư ớ c b iể n .
15