Nghiên cứu tạo chế phẩm vi sinh vật bản địa nhằm xử lý nước thải sinh hoạt đô thị hà nội
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (5.25 MB, 165 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
ĐÀO THỊ HỒNG VÂN
NGHIÊN CỨU TẠO CHẾ PHẨM VI SINH VẬT BẢN ĐỊA
NHẰM XỬ LÝ NƢỚC THẢI SINH HOẠT
ĐÔ THỊ HÀ NỘI
Luận án tiến sĩ Công nghệ sinh học thực phẩm
Hà Nội - 2012
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
ĐÀO THỊ HỒNG VÂN
NGHIÊN CỨU TẠO CHẾ PHẨM VI SINH VẬT BẢN ĐỊA
NHẰM XỬ LÝ NƢỚC THẢI SINH HOẠT
ĐÔ THỊ HÀ NỘI
Chuyên ngành
Mã số
: Công nghệ sinh học thực phẩm
: 62.54.02.05
Luận án tiến sĩ kỹ thuật
Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS.TS. Nguyễn Văn Cách
2. GS.TS. Đặng Thị Thu
Hà Nội - 2012
Lời cảm ơn !
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Văn Cách và
GS.TS. Đặng Thị Thu, Viện Công nghệ sinh học và Công nghệ thực phẩm,
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã hướng cho tôi những ý tưởng khoa học,
tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành bản luận
án này.
Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Trần Liên Hà và TS. Nguyễn Lan
Hương, Viện Công nghệ sinh học và Công nghệ thực phẩm, Trường Đại học
Bách Khoa Hà Nội đã quan tâm và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập.
Tôi xin chân thành cảm ơn ThS. Lương Hữu Thành và các cán bộ phòng
Sinh học môi trường, Viện Môi trường nông nghiệp đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi
trong quá trình thực nghiệm.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo nhà trường và các đồng nghiệp
khoa Công nghệ sinh học, Viện Đại học Mở Hà Nội đã tạo điều kiện, quan tâm,
chia sẻ và động viên tôi trong suốt thời gian qua.
Cuối cùng, tôi xin tỏ lòng biết ơn đến gia đình và bè bạn, những người
luôn động viên, góp ý và tạo điều kiện cho tôi trong suốt thời gian học tập và
nghiên cứu.
Hà Nội, ngày…. tháng ….. năm 2012
Đào Thị Hồng Vân
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và một số kết
quả cùng cộng tác với các cộng sự khác.
Các số liệu và kết quả thí nghiệm trình bày trong luận án là trung thực. Một
phần số liệu đã được đăng trên các tạp chí khoa học chuyên ngành như trong:
“Danh mục công trình khoa học đã công bố có liên quan đến luận án”, các số liệu
khác đã được sự đồng ý cho phép sử dụng của các đồng tác giả và phần còn lại là
các kết quả như trong luận án.
Hà Nội, ngày
tháng
Tác giả
Đào Thị Hồng Vân
năm 2012
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
1. TỔNG QUAN ........................................................................................................ 4
1.1. Nƣớc thải đô thị Hà Nội ..................................................................................... 4
1.1.1. Nguồn gốc nƣớc thải đô thị Hà Nội ............................................................ 4
1.1.2. Đặc tính nƣớc thải đô thị Hà Nội ............................................................... 4
1.1.3. Hiện trạng nước thải đô thị Hà Nội ............................................................... 6
1.2. Thành phần nƣớc thải đô thị Hà Nội ................................................................10
1.2.1. Các chất hữu cơ trong nước thải đô thị.........................................................10
1.2.1.1. Protein và quá trình chuyển hoá protein trong nước thải .......................12
1.2.1.2. Tinh bột và quá trình chuyển hoá tinh bột trong nước thải ....................13
1.2.1.3. Lipid (chất béo) và quá trìnhchuyển hoá lipid trong nước thải ..............14
1.2.2. Các hợp chất vô cơ trong nước thải đô thị ....................................................15
1.2.2.1. Các hợp chất nitơ vô cơ .......................................................................15
1.2.2.2. Các hợp chất phospho ..........................................................................19
1.2.2.3. Các nguyên tố kim loại ........................................................................20
1.2.3. Vi sinh vật trong nước thải đô thị ..............................................................20
1.2.4. Chất rắn trong nước thải đô thị ...................................................................24
1.3. Các giải pháp công nghệ xử lý nƣớc thải đô thị ...............................................25
1.3.1. Tổng quan về các giải pháp công nghệ xử lý nước thải đô thị .....................25
1.3.2. Giải pháp vi sinh vật trong xử lý nước thải đô thị .......................................27
1.3.3. Các giải pháp công nghệ vi sinh ứng dụng trong xử lý nước thải ................29
1.3.3.1. Phương pháp xử lý hiếu khí .............................................................30
1.3.3.2. Phương pháp xử lý kỵ khí ................................................................32
1.3.3.3. Phương pháp xử lý thiếu khí ............................................................33
1.3.3.4. Hệ thống xử lý sinh học nước thải phối hợp .....................................33
1.3.4. Tình hình nghiên cứu ứng dụng vi sinh vật và phát triển giải pháp công
nghệ xử lý nước thải ở Việt Nam .........................................................................35
1.3.4.1. Nghiên cứu phát triển chế phẩm vi sinh để xử lý nước thải ...............35
1.3.4.2. Nghiên cứu thử nghiệm và phát triển giải pháp CN xử lý nước thải ..38
1.3.4.3. Công nghệ vi sinh xử lý nước thải tích hợp tiết kiệm năng lượng ......41
2. VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..............................................46
2.1. Vật liệu ...............................................................................................................46
2.1.1. Đối tượng nghiên cứu .............................................................................46
2.1.2. Hoá chất thí nghiệm ................................................................................46
2.1.3. Thiết bị ...................................................................................................47
2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu ..................................................................................47
2.2.1. Phương pháp lấy mẫu .............................................................................47
2.2.2. Phương pháp vi sinh vật ...........................................................................47
2.2.2.1. Phân lập .....................................................................................47
2.2.2.2. Xác định hoạt tính .......................................................................48
2.2.2.3. Xác định mật độ tế bào ................................................................48
2.2.2.4. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và phát
triển của vi sinh vật ....................................................................................48
2.2.2.5. Tối ưu hóa các điều kiện nuôi cấy (phương pháp bề mặt đáp
ứng) ...........................................................................................................49
2.2.3. Phương pháp xác định các chỉ tiêu trong nước ........................................50
2.2.3.1. Xác định BOD5 ............................................................................50
2.2.3.2. Xác định COD .............................................................................51
2.2.3.3. Xác định hàm lượng nitrit ............................................................51
2.2.3.4. Xác định hàm lượng nitrat ............................................................51
2.2.3.5. Phân tích phospho tổng số .............................................................52
2.2.3.5. Xác định nitơ tổng ........................................................................53
2.2.3.7. Xác định hàm lượng tổng chất rắn lơ lửng ....................................54
2.2.3.8. Xác định coliform .........................................................................55
2.2.4. Định tên vi sinh vật ..................................................................................55
2.2.4.1. Sử dụng kit chuẩn API 50 CHB ....................................................55
2.2.4.2. Phân tích đoạn gen 16S rRNA .......................................................55
2.2.5. Phân tích đa dạng vi khuẩn bằng kỹ thuật DGGE.....................................57
2.2.5.1. Tách chiết DNA tổng số từ bùn hoạt tính .....................................57
2.2.5.2. Điện di DNA trên gel agarose .......................................................58
2.2.5.3. Khuếch đại một đoạn DNA bằng phản ứng PCR ...........................58
2.2.5.4. Điện di trên gel gradient biến tính DGGE .....................................59
2.2.6. Phương pháp xử lý nước thải ...................................................................60
2.2.6.1. Xử lý gián đoạn .............................................................................60
2.2.6.2. Xử lý liên tục quy mô nhỏ .............................................................60
2.2.6.3. Xử lý liên tục tại hiện trường.........................................................60
2.2.6.4. Xác định hiệu suất xử lý................................................................61
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ..............................................................................62
3.1. Xác định đặc trƣng của nƣớc thải sinh hoạt đô thị ở sông Tô Lịch và Kim
Ngƣu, Hà Nội ............................................................................................................62
3.1.1. Đặc trưng chung .......................................................................................62
3.1.2. Nhận diện vi khuẩn có tiềm năng xử lý ô nhiễm .......................................65
3.2. Phân lập, tuyển chọn một số chủng vi sinh vật thích ứng để xử lý nƣớc
thải sinh hoạt đô thị..................................................................................................66
3.2.1. Phân lập và tuyển chọn vi sinh vật phân huỷ hợp chất hữu cơ...................67
3.2.2. Phân lập và tuyển chọn chủng vi sinh vật nitrat hoá .................................70
3.3. Định tên các chủng vi sinh vật tuyển chọn .......................................................73
3.4. Xác định các điều kiện lên men thu sinh khối vi khuẩ n .................................80
3.4.1. Lên men thu sinh khối, quy mô phòng thí nghiệm.....................................80
3.4.1.1 Lựa chọn môi trường và xác định ảnh hưởng của thời gian lên
men .........................................................................................................80
3.4.1.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến lên men thu sinh khối ....................83
3.4.1.3. Ảnh hưởng của pH môi trường đến lên men thu sinh khối ..........84
3.4.1.4. Ảnh hưởng của tỷ lệ cấp giống....................................................86
3.4.1.5. Tối ưu hóa các điều kiện lên men thu sinh khối vi khuẩn ............87
3.4.2. Lên men thu sinh khối, quy mô 5 lít ..........................................................91
3.4.2.1. Ảnh hưởng của tốc độ cấp khí ....................................................91
3.4.2.2. Xác định thời gian lên men thu sinh khối....................................93
3.5. Tạo chế phẩm vi sinh vật xử lý nƣớc thải sinh hoạt ........................................95
3.5.1. Kiểm tra sự tương hỗ của hai chủng vi khuẩn thí nghiê ̣m ..........................95
3.5.2. Tạo chế phẩm vi sinh vật ..........................................................................96
3.5.3. Xác định điều kiện bảo quản chế phẩm ................................................... 100
3.6. Sử dụng chế phẩm BioV1 xử lý nƣớc thải trong phòng thí nghiệm .............. 101
3.7. Hoàn thiện quy trình công nghệ sử dụng chế phẩm BioV1 thải sinh hoạt
đô thị quy mô nhỏ...................................................................................................104
3.7.1. Ảnh hưởng của pH nước thải đến hiệu suất xử lý ...................................106
3.7.2. Ảnh hưởng của lượng oxy hòa tan đến hiệu suất xử lý ............................ 107
3.7.3. Ảnh hưởng của thời gian lưu nước đến hiệu suất xử lý ........................... 108
3.7.4. Ảnh hưởng của lượng chế phẩm bổ sung đến hiệu suất xử lý .................. 109
3.7.5. Hoàn thiện quy trình công nghệ xử lý thử nghiệm (quy mô nhỏ) ............ 110
3.8. Ứng dụng chế phẩm BioV1 xử lý thử nghiệm tại hiện trƣờng ...................... 113
3.9. Đánh giá sự tồn tại của vi khuẩn bằng kỹ thuật DGGE ................................ 118
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 122
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................... 124
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
PHỤ LỤC
NHỮNG CHỮ VIẾT TẮT
BOD5
Biochecmical oxygen demand = Nhu cầu oxy hóa sinh hóa
COD
Checmical oxygen demand = Nhu cầu oxy hóa hóa học
TSS
Total Suspended Solids = Tổng chất rắn lơ lửng
MLSS
Mixed Liquor Suspended Solids = Chất rắn lơ lửng trong bùn
lỏng hỗn hợp
TDS
Total Dissolved Solids = Tổng chất rắn hòa tan
DO
Disolved oxygen = Oxy hòa tan
F/M
Food/Microoganism
DGGE
Denaturing Gradient Gel Electrophoresis = điện di gel
gradient biến tính
PCR
Polymerase Chain Reaction = Phản ứng chuỗi trùng hợp
dNTP
Deoxynucleoside triphosphates
rDNA
Acid deoxyribonucleic ribosom
bp
Base pair = Cặp bazơ
CFU
Clony Forming Unit = Đơn vị hình thành khuẩn lạc
EM
Effective microorganisms = vi sinh vật hữu hiệu
TCVN
Tiêu chuẩn Việt Nam
QCVN
Quy chuẩn Việt Nam
BTNMT
Bộ tài nguyên môi trường
XLNT
Xử lý nước thải
TNHHNNMTV
Trách nhiệm hữu hạn nhà nước một thành viên
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Kết quả phân tích nước thải tại sông, hồ trong nội thành Hà Nội ............. 8
Bảng 3.1: Kết quả phân tích chất lượng nước sông Tô Lịch và Kim Ngưu ............ 63
Bảng 3.2: Hoạt tính phân giải hợp chất hữu cơ của các chủng phân lập ................ 68
Bảng 3.3: Kết quả thử nghiệm xử lý gián đoạn đối với nước thải sinh hoạt ........... 69
Bảng 3.4. Hoạt tính oxy hóa các hợp chất chứa nitơ của các chủng vi khuẩn ......... 71
Bảng 3.5: Khả năng nitrat hoá của chủng HA1 và HD5 trong nước thải sinh hoạt đô
thị ở điều kiện phòng thí nghiệm ........................................................................... 72
Bảng 3.6: Đặc điểm hình thái của các chủng vi sinh vật tuyển chọn ...................... 73
Bảng 3.7: Kết quả kiểm tra đặc tính sinh hóa của các chủng vi khuẩn gram dương
tuyển chọn dựa trên kit API 50CHB ..................................................................... 75
Bảng 3.8: So sánh mức độ tương đồng của gen 16S rRNA của các chủng tuyển
chọn với GenBank................................................................................................. 76
Bảng 3.9: Ảnh hưởng của môi trường dinh dưỡng đến sự phát triển của chủng A 6
và L6 ..................................................................................................................... 81
Bảng 3.10: Ảnh hưởng của môi trường dinh dưỡng đến sự phát triển của chủng
HA1 và HD5 ......................................................................................................... 82
Bảng 3.11: Ma trận thí nghiệm và kết quả ............................................................. 87
Bảng 3.12: Phân tích phương sai Anova của mô hình ............................................ 88
Bảng 3.13: Điều kiện lên men thu sinh khối vi sinh vật ......................................... 94
Bảng 3.14: Ảnh hưởng của chất mang đến tỷ lệ tế bào sống sót ............................ 98
Bảng 3.15: Ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn sinh khối và chất mang ........................ 99
Bảng 3.16: Tỷ lệ sống sót của vi khuẩn trong chế phẩm sau thời gian bảo quản .. 100
Bảng 3.17: Kết quả phân tích thành phần nước trước xử lý ................................. 102
Bảng 3.18: Thử nghiệm chế phẩm BioV1 xử lý gián đoạn ở quy mô 80 lít .......... 103
Bảng 3.19: Thử nghiệm chế phẩm BioV2 xử lý gián đoạn ở quy mô 80 lít .......... 104
Bảng 3.20: Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý .............................................. 106
Bảng 3.21: Ảnh hưởng của DO đến hiệu suất xử lý ............................................. 107
Bảng 3.22: Kết quả phân tích chất lượng nước sau xử lý liên tục quy mô 200 lít . 111
Bảng 3.23: Đặc tính ô nhiễm tại vị trí đập tràn A – Yên Sở ................................. 113
Bảng 3.24: Chất lượng nước đầu ra khi không có chế phẩm BioV1 ..................... 114
Bảng 3.25: Chất lượng nước đầu ra khi có chế phẩm BioV1 ............................... 115
Bảng 3.26: Chất lượng nước đầu ra khi ngừng bổ sung chế phẩm BioV1 ............ 116
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Quá trình chuyển hóa sinh học các hợp chất hữu cơ … .......................... 11
Hình 1.2: Cấu trúc phân tử tinh bột ....................................................................... 13
Hình 1.3: Sơ đồ quan hệ của hệ sinh thái nước ...................................................... 23
Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý cấu trúc vận hành và phân bổ chi phí chung của hệ thống
xử lý nước thải ...................................................................................................... 34
Hình 1.5: Đặc tính cấu trúc và nguyên lý vận hành của hệ thống xử lý nước thải
tích hợp tiết kiệm năng lượng ................................................................................ 42
Hình 3.1: Điện di biến tính DGGE đoạn gen 16S rRNA của vi khuẩn trong nước
thải và bùn thải ...................................................................................................... 65
Hình 3.2: Hình ảnh phản ứng tạo màu với thuốc thử Griss của các chủng ............ 70
Hình 3.3: Đặc điểm hình thái khuẩn lạc các chủng vi sinh vật tuyển chọn ............. 74
Hình 3.4: Đặc điểm hình thái tế bào các chủng vi sinh vật tuyển chọn................... 74
Hình 3.5: Cây phát sinh chủng loại chủng B. licheniformis A6 .............................. 77
Hình 3.6: Cây phát sinh chủng loại chủng B. subtilis L6........................................ 78
Hình 3.7: Cây phát sinh chủng loại chủng Nitrosomonas europea HA1 ................ 78
Hình 3.8: Cây phát sinh chủng loại chủng Nitrobacter vulgaris HD5 .................... 79
Hình 3.9: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự phát triển của các chủng tuyển chọn ..... 84
Hình 3.10: Ảnh hưởng của pH môi trường ............................................................ 85
Hình 3.11: Ảnh hưởng của tỷ lệ cấp giống ............................................................ 86
Hình 3.12: Hồi quy đáp ứng về ảnh hưởng của các yếu tố đến mật độ tế bào chủng
B. licheniformis A6 ............................................................................................... 89
Hình 3.13: Mức độ đáp ứng mong đợi ................................................................... 90
Hình 3.14: Ảnh hưởng của chế độ cấp khí đến khả năng thu sinh khối của các
chủng tuyển chọn .................................................................................................. 92
Hình 3.15: Ảnh hưởng của thời gian đến quá trình lên men của chủng A6, L6 ...... 93
Hình 3.16: Ảnh hưởng của thời gian đến quá trin
̀ h lên men của chủng HA1, HD5 93
Hình 3.17: Khả năng phát triển của 2 chủng trên cùng 1 môi trường ..................... 95
Hình 3.18: Quy trình tạo chế phẩm xử lý nước thải BioV1, BioV2........................ 96
Hình 3.19: Chế phẩm BioV1 trước và sau bao gói ................................................. 99
Hình 3.20: Modul xử lý gián đoạn 80 lít .............................................................. 103
Hình 3.21: Ảnh hưởng của thời gian lưu đến hiệu suất xử lý ............................... 108
Hình 3.22: Ảnh hưởng của nồng độ chế phẩm bổ sung đến hiệu quả xử lý .......... 110
Hình 3.23: Modul xử lý liên tục 200 lít ............................................................... 111
Hình 3.24: Sơ đồ công nghệ xử lý nước thải bằng bể tích hợp 93 m3 ................... 117
Hình 3.25: Nước thải trước và sau xử lý tại bể 93 m3 .......................................... 118
Hình 3.26: Sản phẩm PCR-DGGE gen 16S rDNA của vi khuẩn .......................... 119
Hình 3.27: Điện di biến tính (DGGE) gen 16S rDNA của vi khuẩn ..................... 120
MỞ ĐẦU
Ô nhiễm môi trường nước luôn là vấn đề mang tính thời sự ở hầu hết các
quốc gia, đặc biệt là các quốc gia đang phát triển. Ở Việt Nam cũng đang phải đối
mặt với thực trạng ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, trong đó nổi cộm là ô nhiễm
môi trường nước thải đô thị.
Những năm gần đây, với tốc độ đô thị hoá, công nghiệp hoá nhanh, Hà Nội trung tâm chính trị, kinh tế, văn hoá, khoa học kỹ thuật của cả nước cũng đang phải
đối mặt với sự ô nhiễm và suy thoái môi trường. Hà Nội không chỉ bị ô nhiễm
không khí, ô nhiễm nguồn nước ngầm mà nguồn nước mặt ở Hà Nội cũng đang
trong tình trạng báo động. Nguyên nhân là do một lượng lớn nước thải đô thị chưa
qua xử lý thải thẳng ra các sông và hồ của thành phố.
Theo báo cáo tại Hội thảo “Quản lý và xử lý nước thải phi tập trung tại các
đô thị Việt Nam” tháng 12/2010, tổng lượng nước thải trên địa bàn Hà Nội hiện nay
khoảng 670.000 m3/ngày đêm, trong đó nước thải sinh hoạt và dịch vụ ở khu vực
thành thị chiếm tới 400.000 m3/ngày đêm, phần lớn đều không được xử lý [90].
Bên cạnh đó, Hà Nội hiện nay chỉ có một hệ thống thoát nước chung cho cả nước
thải sinh hoạt, nước thải sản xuất, nước mưa cho nên lượng nước thải đô thị ở thành
phố Hà Nội quá lớn; trong khi các hệ thống xử lý lại quá ít, không đáp ứng được
nhu cầu xử lý [6]. Cho đến nay, lượng nước thải trên địa bàn Hà Nội được xử lý chỉ
đạt mức gần 47.000 m3/ngày đêm, chiếm khoảng 7% tổng lượng nước thải phát
sinh hàng ngày [90], còn lại phần lớn đều chưa qua xử lý, trong đó tới 75% là nước
thải đô thị [61]. Thêm vào đó là nước thải từ các khu vệ sinh chỉ được xử lý sơ bộ
qua bể tự hoại hoặc thậm chí hoàn toàn không xử lý mà thải thẳng ra hệ thống thoát
nước, làm cho các con sông trong trong nội thành đều ô nhiễm. Hậu quả là các
sông, hồ này đều mất hoàn toàn khả năng tự làm sạch, nước có màu và mùi khó
chịu, gây mất mỹ quan đô thị, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khoẻ người dân và
gây trở ngại cho sự phát triển bền vững của toàn bộ nền kinh tế - xã hội.
Để giải quyết được hiện trạng ô nhiễm nước thải như hiện nay thì nước thải
(đặc biệt là nước thải sinh hoạt đô thị) cần phải được xử lý đạt yêu cầu trước khi
thải ra môi trường. Trong các phương pháp xử lý nước thải đô thị thì phương pháp
1
vi sinh vật là phương pháp có nhiều ưu điểm và hiện được ứng dụng phổ biến ở các
nước trên thế giới. Trong phương pháp này các vi sinh vật đóng vai trò quan trọng
trong hệ thống xử lý. Phương pháp vi sinh vật không chỉ giải quyết được tình trạng
ô nhiễm môi trường nước đồng thời không gây hại đến môi trường xung quanh,
cũng như giúp ổn định cân bằng sinh thái mà còn có giá thành xử lý là khá phù hợp
với các nước đang phát triển.
Các hệ thống xử lý nước thải đô thị ở nước ta hiện nay đều là các hệ thiết bị
và công nghệ nhập khẩu từ nước ngoài (Nhật Bản, Malaysia, Mỹ, Thụy Điển, Đan
Mạch...), với mức chi phí rất cao cùng với các vấn đề kỹ thuật nảy sinh do năng lực
thích ứng của công nghệ nhập khẩu với điều kiện khí hậu, cũng như sự sai khác về
đặc tính nước thải đô thị. Bên cạnh đó, với lượng nước thải đô thị hiện tại, tổng
công suất của các hệ thống xử lý nhập khẩu vẫn quá thấp so với nhu cầu xử lý trong
thực tiễn. Ngoài ra, giải pháp nhập khẩu thiết bị và công nghệ cũng đồng nghĩa với
khó khăn nảy sinh trong bảo dưỡng, bảo trì hay sửa chữa thay thế thiết bị. Do vậy,
yêu cầu khai thác nguồn lực trong nước để làm chủ và khai thác hiệu quả công nghệ
nhập khẩu, nghiên cứu phát triển các hệ thống xử lý nước thải thích ứng mới, cải
tiến để giảm giá thành xử lý và đặc biệt nâng cao năng lực, hướng tới đáp ứng đủ
yêu cầu xử lý thực tiễn là một đòi hỏi và thách thức. Những thành tựu nghiên cứu
mới ở trong nước trong những năm gần đây như hệ thống BASTAFAT-F, Biofast,
môđun của Viện Kỹ thuật hoá sinh và Tài liệu nghiệp vụ ... đã bước đầu đưa vào
ứng dụng, nhưng những hệ thống này chỉ phù hợp với quy mô nhỏ và chưa xác lập
được hệ vi sinh vật thích ứng với công nghệ đó.
Nhằm góp phần giải quyết vấn đề trên, chúng tôi đã tiến hành thực hiện đề
tài: “Nghiên cứu tạo chế phẩm vi sinh vật bản địa nhằm xử lý nước thải sinh hoạt
đô thị Hà Nội”.
Mục tiêu của đề tài:
-
Nghiên cứu xây dựng quy trình sản xuất chế phẩm vi sinh vật xử lý nước
thải sinh hoạt đô thị.
-
Thử nghiệm ứng dụng chế phẩm vi sinh vật trong xử lý nước thải sinh hoạt
đô thị.
2
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
-
Nước thải tại một số con sông trong nội thành Hà Nội
-
Vi sinh vật có năng lực phân giải các hợp chất ô nhiễm trong nước thải sinh
hoạt đô thị Hà Nội.
-
Hệ thống xử lý nước thải tích hợp để xử lý nước thải sinh hoạt đô thị (là giải
pháp công nghệ mới được triển khai thử nghiệm thẩm định năng lực xử lý
ngoài hiện trường).
Nội dung nghiên cứu:
-
Xác định đặc trưng của nước thải đô thị ở sông Tô Lịch, Kim Ngưu
-
Tuyển chọn chủng vi sinh vật bản địa có hoạt tính phân hủy hợp chất hữu cơ
và chuyển hóa nitơ cao ở trong môi trường nước thải.
-
Định tên vi sinh vật bằng phương pháp truyền thống và sinh học phân tử
-
Nghiên cứu điều kiện lên men thu sinh khối vi sinh vật
-
Nghiên cứu tạo chế phẩm vi sinh vật xử lý nước thải sinh hoạt đô thị
-
Sử dụng chế phẩm BioV1 xử lý nước thải trong phòng thí nghiệm
-
Nghiên cứu hoàn thiện quy trình công nghệ sử dụng chế phẩm BioV1 xử lý
nước thải sinh hoạt đô thị ở quy mô nhỏ
-
Ứng dụng chế phẩm BioV1 xử lý thử nghiệm tại hiện trường
-
Đánh giá sự tồn tại của vi khuẩn trong hệ thống bằng kỹ thuật DGGE
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn:
1. Về khoa học: Tuyển chọn các chủng vi sinh vật, xây dựng quy trình lên men
và sản xuất được chế phẩm vi sinh vật thích ứng với điều kiện môi trường,
ứng dụng để xử lý nước thải sinh hoạt đô thị.
2. Về thực tiễn: Thử nghiệm ứng dụng chế phẩm để nâng cao hiệu quả hệ
thống xử lý nước thải trên thực tế hiện trường nước thải đô thị Hà Nội.
Kết quả mới:
1. Đã xây dựng quy trình công nghệ và tạo chế phẩm vi sinh BioV1, BioV2
thích ứng với điều kiện môi trường ứng dụng để xử lý nước thải đô thị.
2. Thử nghiệm sử dụng thành công chế phẩm BioV1 để nâng cao hiệu quả hệ
thống xử lý nước thải tích hợp tiết kiệm năng lượng trên mô hình xử lý nước
thải đô thị thực dung tích 93 m3, chất lượng nước thải sau xử lý đạt giá trị
loại A, theo QCVN 24:2009/BTNMT.
3
1. TỔNG QUAN
1.1. Nƣớc thải đô thị Hà Nội
1.1.1. Nguồn gốc nƣớc thải đô thị Hà Nội
Nước thải đô thị là nước được thải hình thành sau các hoạt động dân sinh và
kinh tế đô thị, bao gồm nước từ các hoạt động sinh hoạt của cộng đồng (tắm, giặt
giũ, vệ sinh cá nhân), từ các cơ sở sản xuất, dịch vụ công cộng, trường học, bệnh
viện, chợ... Trong đó, phần lớn là nước sau sử dụng trong các hộ gia đình ở khu dân
cư [4]. Lượng nước thải đô thị của một khu dân cư phụ thuộc vào dân số, vào tiêu
chuẩn cấp nước và đặc điểm hệ thống thoát nước của khu vực đó. Nước thải đô thị
ở các vùng đô thị thường chảy vào hệ thống thoát nước chung và dẫn ra các sông
rạch, rồi đổ vào các dòng thải chung… Nước thải đô thị thường chứa một hỗn hợp
gồm nhiều chất khác nhau: chất dinh dưỡng, kháng sinh, muối khoáng… (Blaise,
2011); ngoài ra nó còn chứa cả những mầm bệnh, có thể bao gồm cả các loài vi
sinh vật gây bệnh nguy hiểm như tiêu chảy, tả, lỵ, thương hàn... Theo thống kê
hàng năm trên thế giới 1,1 triệu người chết do các bệnh này [32].
Ở Hà Nội, do địa hình tương đối bằng phẳng và trải qua tiến trình trên một
ngàn năm hình thành và phát triển, toàn bộ lượng nước thải đô thị đều chảy vào các
hệ thống cống thoát nước, sau đó được chảy vào năm con sông trong nội thành là:
sông Kim Ngưu, sông Sét, sông Lừ, sông Tô Lịch và sông Nhuệ. Do là hỗn hợp của
các loại nước thải, bao gồm nước thải sinh hoạt, nước thải sản xuất công nghiệp,
nước thải tự nhiên… nên thành phần nước thải đô thị Hà Nội rất phức tạp và hiện
đang bị ô nhiễm nghiêm trọng. Với lưu lượng nước thải lớn và chảy len lỏi ngay
trong môi trường dân cư đông đúc, nên nước thải đô thị Hà Nội cần được ưu tiên
xử lý để bảo vệ môi trường.
1.1.2. Đặc tính nƣớc thải đô thị Hà Nội
Về màu sắc: nước thải đô thị trong hầu hết các con sông đều có màu đen
hoặc xám đen, do trong nước có sự phân huỷ kỵ khí các hợp chất hữu cơ gây nên.
4
Cũng có thể bắt gặp nước có màu xanh lục (thường là nước hồ) đó là do nước thải
ở đó có chứa quá nhiều dưỡng chất nitơ và phospho gây nên hiện tượng phát triển
bùng nổ của tảo lục (hiện tượng phú dưỡng của nước). Độ màu càng lớn thì mức độ
ô nhiễm càng cao.
Về mùi: do trong nước thải đô thị thường chứa hàm lượng hợp chất hữu cơ
cao và do quá trình phân hủy kỵ khí các hợp chất hữu cơ chiếm ưu thế trong suốt
quá trình vận động trên dòng chảy nội đô, nên người dân dễ dàng nhận thấy (và
phải chịu đựng) mùi hôi thối, mùi khai, mùi tanh... đặc trưng của nước thải đô thị.
Về độ đục: vì nước thải đô thị Hà Nội là hỗn hợp của nhiều loại nước thải
khác nhau, lại cùng chảy chung trực tiếp với cả lượng nước mặt nên trong nước thải
chứa nhiều chất rắn lơ lửng (thậm chí có cả lượng nhỏ rác thải); cộng với lượng
chất rắn hình thành từ bùn lắng do phân hủy và chuyển hóa các chất hữu cơ, nên
nước thải đô thị Hà Nội rất đục. Độ đục cao và cường độ màu đậm của nước thải
một mặt làm giảm lượng ánh sáng truyền vào môi trường nước cần thiết cho sự
chuyển hóa ô nhiễm của tảo; nhưng đồng thời ảnh hưởng tiêu cực về độ đục, màu
và mùi còn gây mất mỹ quan thành phố nghiêm trọng.
Về vi sinh vật: trong nước thải đô thị Hà Nội, cũng như ở các thành phố
khác nói chung, đều chứa lượng lớn các vi sinh vật khác nhau, với mật độ vi sinh
vật trong nước thải đô thị thông thường khoảng 105-106 CFU/ml [56]. Đặc trưng ô
nhiễm vi sinh trong hệ thống sông, hồ nội thành Hà Nội bao gồm cả đặc trưng ô
nhiễm vi sinh vật gây bệnh từ nước thải của các bệnh viện trên địa bàn. Theo báo
cáo “Hiện trạng môi trường quốc gia 2010” của Bộ Tài nguyên – Môi trường, hầu
hết nước thải bệnh viện của các tỉnh miền Bắc xử lý chưa đạt tiêu chuẩn hoặc chưa
được xử lý. Chỉ tính riêng 32 bệnh viện lớn ở Hà Nội mỗi ngày xả trên 6.000m3
nước thải, trong đó gần một nửa chưa qua xử lý [16]. Một số bệnh viện đã có khu
xử lý nước thải, nhưng các hệ thống không được bảo dưỡng, dẫn đến hỏng hóc.
Nhiều bệnh viện chỉ vận hành hệ thống trong giai đoạn còn bảo hành, sau đó bỏ
không với lý do không có kinh phí trả tiền điện, hóa chất khử trùng, ... Đây chính là
một trong những nguồn ô nhiễm nghiêm trọng và tiềm ẩn nhiều nguy cơ phát sinh
dịch bệnh.
5
Trong môi trường nước thải đô thị có chứa các chất hữu cơ, chủ yếu ở dạng
dễ phân hủy sinh học (protein, hydratcacbon, chất béo cùng với các sản phẩm phân
hủy của chúng…) nên hệ vi sinh vật trong đó sẽ phát triển bùng phát theo quy luật
cạnh tranh tự nhiên hoang dã. Hậu quả của quá trình này làm cho đặc tính vật chất
và hệ sinh thái sinh học của nước thải biến đổi, vượt khỏi tầm kiểm soát của con
người, đặc biệt là sự phát triển và lây lan của các loài vi sinh vật gây bệnh nguy
hiểm cho cộng đồng như tả, lỵ, thương hàn…
Theo nghiên cứu gần đây của Listowski và cộng sự (2011), nước thải sinh
hoạt đô thị còn phát thải khí nhà kính CH4, N2O, H2S, CO2 vào bầu khí quyển do sự
chuyển hoá các chất hữu cơ trong nước thải tạo ra [52].
1.1.3. Hiện trạng nƣớc thải đô thị Hà Nội
Trong những năm qua, Hà Nội có tốc độ phát triển kinh tế cao vượt bậc. Tuy
nhiên, sự phát triển hạ tầng và đặc biệt là xử lý nước thải không tăng cùng tốc độ phát
triển kinh tế, do đó môi trường sống ngày càng bị ô nhiễm nghiêm trọng ảnh hưởng
trước mắt và lâu dài đến sức khoẻ người dân. Ngoài ra, các kênh mương, sông, hồ
thoát nước ngày càng bị thu hẹp dần do người dân lấn chiếm; tình trạng vứt rác thải,
phế thải ra sông, mương làm hạn chế dòng chảy và ô nhiễm môi trường. Với mật độ
dân số ngày càng tăng, tốc độ đô thị hóa ngày càng cao, hệ thống sông, hồ vốn đã ô
nhiễm sẽ ngày càng bị ô nhiễm nă ̣ng nề hơn. Theo báo cáo tại Hội thảo “Quản lý và
xử lý nước thải phi tập trung tại các đô thị Việt Nam” tháng 12/2010, hiện nay,
lượng nước thải trên địa bàn Hà Nội được xử lý chỉ có gần 47.000 m3/ngày đêm,
chiếm khoảng 7% tổng lượng nước thải phát sinh hàng ngày [90], số còn lại chưa
qua xử lý, trong đó có tới 75% là nước thải đô thị [61].
Nguồ n nước bi ̣ô nhiễm đã gây ra những ảnh hưởng xấ u không chỉ đế n sức
khỏe người dân mà còn để lại hậu quả nặng nề với môi trường sinh thái . Hệ thống
sông, hồ trên địa bàn Thủ đô bị ô nhiễm không phải là vấn đề mới được phát hiện.
Chính quyền thành phố đã có nhiều nỗ lực trong việc quản lý, khai thác, giữ gìn hệ
thống sông, hồ: nạo vét, làm vệ sinh sông, hồ, cũng như đã có đầu tư một số trạm
xử lý nước thải đô thị : trạm XLNT Kim Liên , trạm XLNT Trúc Bạch, trạm XLNT
Bắc Thăng Long -Vân Trì , trạm XLNT Gamuda Yên Sở… Tuy nhiên , những cố
6
gắ ng của chính quyền và người dân trong nhiều năm qua vẫn chưa đủ để giải quyết
thực trạng ô nhiễm trước mắt cũng như nguy cơ ô nhiễm nặng hơn trong tương lai
và thực trạng ô nhiễm môi trường nước trên địa bàn Hà Nội là rất trầm trọng, đã
tiềm ẩn nguy cơ đe dọa trực tiếp sức khỏe cộng đồng và trở thành trở lực thực sự
cho sự phát triển bền vững nền kinh tế thủ đô. Trên địa bàn Hà Nội đã xảy ra dịch
tiêu chảy cấp dương tính với phẩy khuẩn tả nguy hiểm ; số người mắc bệnh viêm
màng kế t , tiêu chảy, ung thư… ngày càng tăng . Thêm nữa, có tới 93% nước thải đô
thị được dùng lại cho mục đích nông nghiệp và nuôi trồng thủy sản (ví dụ nuôi cá
trực tiếp trong môi trường nước thải đô thị trong hồ điều hòa Yên Sở, Hà Nội), điều
đó đồng nghĩa với rủi ro về an toàn vệ sinh thực phẩm rất cao (Raschid-Sally và
cộng sự, 2004 [61]).
Theo kết quả phân tích mẫu nước thải tháng 1 và tháng 7/2011 tại các con
sông trong nội thành của Công ty TNHHNNMTV Thoát nước Hà Nội thì hàm
lượng DO, BOD5, COD đều vượt xa QCVN 08:2008/BTNMT cột B2 (quy chuẩn
chất lượng nước mặt) [17]. Như vậy, các con sông ở Hà Nội ô nhiễm chủ yếu bởi
hàm lượng các chất hữu cơ và ở mức tương đối cao. Khi đem so với QCVN
08:2008/BTNMT cột B2 (xem bảng 1.1) đã cho thấy:
Sông Tô Lịch (điểm cầu Trung Kính) lượng oxy hoà tan (DO) thấp hơn gần 2
lần, nhu cầu oxy hoá sinh học (BOD5) cao gấp 3 lần, nhu cầu oxy hoá học (COD)
cao gấp hơn 3 lần, hàm lượng muối amon (NH4+) cao gấp 45 lần, và hàm lượng
coliform cũng cao gấp vài chục đến vài trăm lần [17].
Sông Kim Ngưu (điểm cầu Mai Động) lượng oxy hoà tan (DO) thấp hơn gần
2 lần, nhu cầu oxy hoá sinh học (BOD5) cao gấp 4 lần, nhu cầu oxy hoá học (COD)
cao gấp 4 lần, hàm lượng muối amon (NH4+) cao gấp khoảng 30 lần, và hàm lượng
coliform cũng cao gấp hơn 1000 lần [17 ].
Sông Sét (điểm cầu Sét) lượng oxy hoà tan (DO) thấp hơn gần 2 lần, nhu cầu
oxy hoá sinh học (BOD5) cao gấp 3 lần, nhu cầu oxy hoá học (COD) cao gấp 3 lần,
hàm lượng muối amon (NH4+) cao gấp 40 lần, và hàm lượng coliform cũng cao gấp
vài trăm lần [17 ].
7
Sông Lừ (điểm cầu Định Công) lượng oxy hoà tan (DO) thấp hơn 2 lần, nhu
cầu oxy hoá sinh học (BOD5) cao gấp 4 lần, nhu cầu oxy hoá học (COD) cao gấp 4
lần, hàm lượng muối amon (NH4+) cao hơn 40 lần, và hàm lượng coliform cao gấp
trên dưới 1000 lần [17].
Bảng 1.1 Kết quả phân tích nước thải tại các sông, hồ trong nội thành Hà Nội
(tháng 1/2011)
Chỉ tiêu
pH
TT
DO
TSS
T-N
T-P
COD
BOD 5
Coliform
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
CFU/
Mẫu
Cột B2 - QCVN
08:2008/BTNMT
100ml
5,5-9
>2
80
50
25
10000
1
Cầu Tàu Bay
7,51
1,18
39
35,6
3,7
161
89
7,2x106
2
Cầu Định Công
7,46
1,09
78
36,8
3,85
169
82
8,7x106
3
Hạ lưu cầu Đông Tác
7,82
1,21
45
27,4
3,4
92
59,2
6,9x106
4
Cầu Đông Tác
7,74
1,42
38
26,6
3,1
85
57,8
6,2x106
5
Hồ Yên Sở 1
7,52
1,87
62
20,6
1,48
76
39,7
3x104
6
Hồ Yên Sở 2
7,59
1,93
67
15,8
1,42
71
36,4
2x104
7
Hồ Yên Sở 3
7,61
2,16
53
14,6
1,32
64
38,6
2x104
8
Hồ Yên Sở 4
7,43
2,37
48
15,2
1,24
59
31,6
4x104
9
Hồ Yên Sở 5
7,56
2,24
42
14,2
1,29
62
34,8
1,8x105
10
Hồ Trúc Bạch (mép hồ)
7,79
2,54
25
13,6
0,78
31
11
8x104
11
Hồ Trúc Bạch (giữa hồ)
8,03
2,78
18
12,9
0,51
75
45
1,2x105
12
Hồ Hoàn Kiếm
9,14
3,15
80
5,2
0,48
44
19
3x104
13
Hồ Thuyền Quang
7,89
3,08
32
14,2
3,06
87
42
6x104
14
Hồ Bảy Mẫu
8,08
2,95
36
13,8
3
55
37
5x104
15
Cống Lò Đúc
7,75
1,05
52
43,2
4,3
84
51
1,25x107
16
Cầu Mai Động
7,49
1,18
74
39,7
4,9
197
92
1,37x107
17
Cầu Hoàng Văn Thụ
7,81
1,09
68
41,2
5,3
203
112
1,55x107
18
Hạ lưu sông Kim Ngưu
7,63
1,21
79
38,6
4,6
185
89
1,9x106
8
19
Cầu Trung Kính
7,32
1,02
58
51,8
1,8
158
81
1,38x107
20
Đập Thanh Liệt
7,42
1,87
69
48,6
2,9
167
83
8,9x106
21
Cầu Tó
7,56
1,59
58
42,7
2,1
151
76
3,6x106
7,39
1,78
72
41,9
1,5
143
71
2,1x106
Hạ lưu mương Thuỵ
22
Khuê
23
Cầu Khỉ
7,49
1,08
75
41,5
4,8
159
86
4,2x106
24
Cầu Sét
7,28
1,15
79
46,7
5,2
163
87
4,8x106
25
Hồ Thành Công
7,65
2,3
13
12,3
0,71
44
23
7x104
26
Hồ Giảng Võ
7,75
2,35
16
9,8
0,29
29
16,5
5x104
27
Hồ Thanh Nhàn 1
8,02
1,27
10
13,8
0,36
37
18,5
3x104
28
Hồ Thanh Nhàn 2A
7,86
1,34
21
16,8
1,5
48
25,6
2,5x105
7,94
1,05
78
40,2
4,1
137
71
9,9x106
7,34
1,17
83
42,8
5,2
129
65
7,3x106
7,52
1,09
59
48,6
4,2
142
75
9,2x106
7,58
0,98
47
53
4,9
138
75
1,07x107
Thượng lưu mương
29
Chẹm Xã Đàn
Hạ lưu mương Chẹm
30
Xã Đàn
Thượng lưu mương
31
Thanh Nhàn
Hạ lưu mương Thanh
32
Nhàn
Nguồn: Công ty TNHHNNMTV Thoát nước Hà Nội [17]
Cùng trong hệ thống nước mặt ô nhiễm bởi nước thải, thì nước hồ ô nhiễm
cũng đang là vấn đề đầy bức xúc. Trong tất cả các hồ ở Hà Nội, hồ Hoàn Kiếm
luôn có ý nghĩa quan trọng hơn cả về mặt lịch sử, cảnh quan lẫn tâm linh. Tuy
nhiên, những năm gần đây, hồ Hoàn Kiếm đang phải đối mặt với ô nhiễm. Ngoài
ra, lớp bùn ngày càng dày, diện tích hồ bị thu hẹp, mực nước cạn. Các chuyên gia
cho rằng chỗ sâu nhất hiện nay chỉ còn khoảng 1,4m, nông nhất 0,5m, dưới đó là
lớp bùn trên 4m. Nếu không kịp thời cải tạo và nạo vét lòng hồ, chẳng bao lâu nữa
hồ sẽ trở thành đầm lầy [18].
Hồ Tây và hồ Trúc Bạch: với diện tích mặt nước hơn 500 ha, hồ Tây mang
lại sức sống mạnh mẽ và điều hoà không khí cho Hà Nội. Thế nhưng, “lá phổi của
thành phố” đang bị đầu độc một cách nghiêm trọng. Mỗi ngày đêm, hồ Tây trung
9
bình phải gánh trên 4.000m3 nước thải công nghiệp và sinh hoạt của hàng chục nhà
máy, xí nghiệp, bệnh viện gần kề... [18]. Đó là chưa kể hàng ngàn tấn rác thải của
bao nhiêu nhà hàng, khách sạn, quán ăn và hộ gia đình ven hồ Tây trực tiếp xả
xuống hồ. Hồ Trúc Bạch cũng đang ở trong tình trạng tương tự. Mặc dù có trạm xử
lý nước thải, tuy nhiên trạm này cũng chỉ có thể xử lý được một phần nhỏ nước thải
thuộc góc ven hồ.
Cụm hồ Yên Sở Nằm ở phía Nam Hà Nội, hồ Yên Sở được coi là lá phổi
xanh thứ 2 của Hà Nội với diện tích 137 ha, đã từng được coi là “thùng chứa nước
thải của thủ đô” bởi tiếp nhận đến hơn 50% lượng nước thải của Hà Nội [18]. Hệ
thống ao hồ trong công viên Yên Sở hiện đang bị ô nhiễm, tù đọng với chất thải và
phát ra mùi hôi thối khó chịu.
Theo Trung tâm Nghiên cứu Môi trường và Cộng đồng (CECR), phần lớn các
hồ bị ô nhiễm chất hữu cơ, có tới 71% hồ có giá trị BOD 5 vượt quá tiêu chuẩn cho
phép (> 15mg/l); trong đó 14% hồ bị nhiễm hữu cơ khá nặng (BOD 5 > 100mg/l);
25% hồ bị ô nhiễm trung bình (BOD5 từ 50-100mg/l) và 32% có dấu hiệu ô nhiễm.
70% số lượng hồ có nồng độ oxy hòa tan (DO) dưới mức tiêu chuẩn cho phép (<
4mg/l); 6 hồ có nồng độ DO dưới 1mg/l. Nguyên nhân gây ô nhiễm chính là do
nước thải đô thị từ gia đình hoặc cộng đồng tùy tiện thải xuống hồ [15].
1.2. Thành phần nƣớc thải đô thị
Theo Howard và cộng sự (2004), nước thải đô thị có chứa rất nhiều vi sinh
vật gây bệnh và hàm lượng hợp chất hữu cơ cao [47]. Có thể chia các chất trong
nước thải đô thị thành các nhóm sau:
1.2.1. Các chất hữu cơ trong nƣớc thải đô thị
Trong nước thải đô thị có chứa nhiều hợp chất hữu cơ, đó là sản phẩm tạo
thành từ quá trình chăm sóc cá nhân và các hoá chất gia dụng thông thường khác
[47]. Trong đó, phần lớn là các chất hữu cơ dễ phân huỷ sinh học có nguồn gốc từ
thực phẩm dư thừa hoặc từ chất thải của người và động vật thải ra. Các hợp chất
hữu cơ dễ phân huỷ sinh học trong nước thải đô thị bao gồm protein (40 – 60%),
10
hydratcacbon (25 – 50%), chất béo (khoảng 10%) cùng với sản phẩm phân huỷ của
chúng [56]. Chúng có thể được oxy hoá bởi vi sinh vật để thu năng lượng và vật
liệu xây dựng tế bào hoặc được lưu trữ dưới dạng glycogen hoặc dưới các dạng
khác [85].
Hình 1.1 Quá trình chuyển hóa sinh học các hợp chất hữu cơ [4]
Với các thành phần cơ bản (protein, hydratcacbon, lipid và các cấu tử cấu
thành tương ứng của chúng), các chất hữu cơ thường là thành phần gây ô nhiễm
chủ đạo trong nước thải đô thị và sự có mặt của chúng với hàm lượng cao sẽ làm
giảm lượng oxy hòa tan trong nước thải [40]. Quá trình chuyển hoá sinh học ba
thành phần cơ bản này ở vi sinh vật bắt đầu từ quá trình thuỷ phân ngoại bào vật
liệu hữu cơ trên thành các đơn vị cấu trúc tương ứng (các loại đường, acid amin,
glyxerin và các acid béo...), tiếp theo là quá trình vi sinh vật sử dụng các vật liệu
này để phát triển sinh khối hoặc chuyển hoá tiếp tục thành các chất thứ cấp (để thu
nhận năng lượng hay để thu nhận vật liệu cấu trúc tế bào) và cuối cùng là giai đoạn
chuyển hoá tiếp tục các cấu tử thứ cấp này thành các chất an toàn và thân thiện với
môi trường. Để xử lý các hợp chất hữu cơ dễ phân huỷ sinh học có nguồn gốc động
vật hoặc thực vật trên, thường sử dụng vi sinh vật trong các quá trình bùn hoạt tính
hoặc lọc sinh học [74].
11
1.2.1.1. Protein và quá trình chuyển hoá protein trong nước thải
Protein là những đại phân tử được cấu tạo theo nguyên tắc đa phân mà các
đơn phân là acid amin. Chúng kết hợp với nhau thành một mạch dài nhờ các liên
kết peptid (gọi là chuỗi polypeptid). Các chuỗi này có thể xoắn cuộn hoặc gấp theo
nhiều cách để tạo thành các bậc cấu trúc không gian khác nhau của protein. Protein
có khối lượng phân tử tương đối lớn và thay đổi trong một dải rộng từ mười nghìn
đến hàng trăm nghìn dalton [14]. Các phân tử lớn này có thể có dạng cầu hoặc dạng
sợi. Các protein hình cầu tan trong nước hoặc dung dịch muối loãng, rất hoạt động
về mặt hóa học. Thuộc nhóm này có hầu hết protein có hoạt tính xúc tác như
hemoglobin, albumin. Protein hình sợi tương đối trơ về mặt hóa học, chủ yếu có
chức năng cơ học ví dụ như colagen của da, xương, sụn; keratin của tóc lông,
miozin của cơ…
Pamela và cộng sự (2007) đã nghiên cứu cho thấy hàm lượng protein chiếm
tỷ lệ lớn nhất của thành phần hữu cơ trong nước thải đô thị [64]. Các protein đơn
giản thường có trong nước thải từ các hoạt động tắm giặt, vệ sinh cá nhân… của
con người; ngoài ra protein còn có nhiều trong thực phẩm dư thừa mà con người sử
dụng hàng ngày như thịt, đậu, cá, trứng …Các thực phẩm này được cuốn trôi ra
cống rãnh, sông hồ. Trên thực tế, protein có khả năng hòa tan trong nước và cố định
mùi nhưng do tốc độ thải ra của con người quá nhanh và lớn hơn rất nhiều so với
tốc độ hòa tan và phân hủy của protein nên protein bị biến tính và bị phân hủy gây
ra mùi hôi thối khó chịu trong nước thải sinh hoạt.
Muốn phân giải protein, đầu tiên các vi sinh vật phải tiết ra các enzym phân
giải protein ngoại bào và làm chuyển hóa các protein thành các hợp chất có phân tử
nhỏ hơn, đó là các polypeptid và olygopeptid. Sau đó các chất này tiếp tục được
thủy phân thành acid amin nhờ các peptidase ngoại bào hoặc được xâm nhập ngay
vào tế bào vi sinh vật sau đó mới được chuyển hóa thành các acid amin. Một phần
các acid amin này được vi sinh vật sử dụng trong quá trình tổng hợp protein của
chúng, một phần khác được tiếp tục phân giải theo những con đường khác nhau để
sinh NH3, CO2 và nhiều sản phẩm trung gian khác (NO, CH4) [14]. Quá trình
chuyển hóa tiếp tục thành phần NH3 trong nước thải sẽ dẫn tới một phần tái cấu
12
