PHÂN TÍCH XU HƯỚNG NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI NHIỄM MẶN TRÊN CƠ SỞ SỐ LIỆU SÁNG CHẾ QUỐC TẾ
Tình hình nộp đơn đăng ký sáng chế về xử lý nước thải nhiễm mặn theo thời
Theo khảo sát từ cơ sở dữ liệu Thomson Innovation, hiện có khoảng 300 sáng chế được đăng ký bảo hộ liên quan đến công nghệ xử lý nước thải nhiễm mặn.
Từ đầu thập niên 90, số lượng đơn đăng ký sáng chế bắt đầu gia tăng, đặc biệt là từ năm 2009 đến nay, cho thấy sự quan tâm ngày càng lớn đối với việc bảo hộ sáng chế.
Giai đoạn 1991-2009: trung bình mỗi năm có 5 sáng chế nộp đơn đăng ký bảo hộ
Giai đoạn 2010-2015: trung bình mỗi năm có 44 sáng chế nộp đơn đăng ký bảo hộ.
Tình hình nộp đơn đăng ký sáng chế về xử lý nước thải nhiễm mặn ở các quốc gia
Hiện nay, công nghệ xử lý nước thải nhiễm mặn đã được nộp đơn đăng ký bảo hộ tại 15 quốc gia, bao gồm: Trung Quốc (249 SC), Hàn Quốc (11 SC), Mỹ (8 SC), Úc (6 SC), Nhật Bản (6 SC) và Mexico (3 SC).
Biểu đồ: Tình hình nộp đơn đăng ký bảo hộ sáng chế theo thời gian
Canada (CA): 2 SC, Đài Loan (TW): 2SC, Nam Phi (ZA): 2 SC, Anh (GB): 1
SC, Ấn Độ (IN): 1 SC, Singapore (SG): 1 CS, Brazil (BR): 1 CS, Hồng Kông (HK): 1SC, Tây Ban Nha (ES): 1 SC
Ngoài ra, sáng chế về công nghệ xử lý nước thải nhiễm mặn còn được nộp đơn đăng ký bảo hộ ở 2 tổ chức:
Tổ chức sở hữu trí tuệ thế giới (WO): 10 sáng chế
Tổ chức châu Âu (EP): 4 sáng chế
Sáng chế về công nghệ xử lý nước thải nhiễm mặn đăng ký bảo hộ ở các quốc gia thuộc các châu lục, cụ thể như sau:
Châu Á: có 7 quốc gia ( Trung Quốc, Hàn Quốc, Nhật, Đài Loan, Singapore, Hồng Kông, Ấn Độ)
Châu Mỹ: có 4 quốc gia ( Mỹ, Mexico, Brazil, Canada)
Châu Âu: có 2 quốc gia ( Tây Ban Nha, Anh)
Châu Phi: có 1 quốc gia ( Nam Phi)
Châu Úc: có 1 quốc gia ( Úc)
Tình hình nộp đơn đăng ký sáng chế về xử lý nước thải nhiễm mặn theo bảng phân loại sáng chế quốc tế IPC
Theo bảng phân loại sáng chế quốc tế IPC, sáng chế về công nghệ xử lý nước thải nhiễm mặn tập trung nhiều vào các hướng nghiên cứu sau:
11 8 6 6 3 2 2 2 1 1 1 1 1 1 Biểu đồ: Sáng chế nộp đơn đăng ký bảo hộ ở các quốc gia
Nghiên cứu tích hợp nhiều phương pháp trong xử lý nước thải nhiễm mặn hiện chiếm 30% tổng số sáng chế, với sự tập trung chủ yếu vào các phương pháp như xử lý nhiệt, hóa học, điện hóa và sinh học.
Hướng nghiên cứu ứng dụng vi sinh trong xử lý nước thải nhiễm mặn, lượng sáng chế chiếm 14%
Trong nghiên cứu, lượng sáng chế chiếm 56%, phản ánh sự đa dạng trong các hướng nghiên cứu nhỏ Những hướng nghiên cứu này bao gồm việc tìm hiểu bản chất của nước thải nhiễm mặn, phân tích các chất gây ô nhiễm, và phân lập các chủng vi sinh vật có khả năng chịu mặn.
Tình hình nộp đơn đăng ký sáng chế ở hướng nghiên cứu ứng dụng công nghệ sinh học trong xử lý nước thải nhiễm mặn
Nghiên cứu về ứng dụng vi sinh trong xử lý nước thải nhiễm mặn đã bắt đầu từ đầu thập niên 90 và ghi nhận sự gia tăng đáng kể số lượng sáng chế theo thời gian Hướng nghiên cứu này đang thu hút nhiều sáng chế nộp đơn đăng ký bảo hộ, cho thấy tiềm năng phát triển trong lĩnh vực xử lý nước thải.
Trong 10 năm qua, đã có nhiều nghiên cứu tập trung vào việc xử lý nước thải nhiễm mặn bằng các phương pháp như nhiệt, hóa học và điện hóa Những phương pháp này đã dẫn đến việc nộp đơn đăng ký bảo hộ sáng chế, thể hiện sự phát triển và đổi mới trong lĩnh vực xử lý nước thải.
Hướng nghiên cứu ứng dụng công nghệ vi sinh trong xử lý nước thải nhiễm mặn đã được phát triển sớm hơn khoảng 10 năm so với các hướng nghiên cứu khác.
Phương pháp tích hợp nhiều bước trong việc xử lý nước thải nhiễm mặn 30%
Phương pháp ứng dụng vi sinh trong xử lý nước thải nhiễm mặn 14%
Các hướng nghiên cứu chính theo bảng phân loại sáng chế quốc tế IPC
Xử lý điện hóa và hướng nghiên cứu này vẫn tiếp tục được quan tâm trong khoảng thời gian gần đây
Tình hình nộp đơn đăng ký sáng chế ở hướng nghiên cứu ứng dụng vi sinh trong xử lý nước thải nhiễm mặn theo thời gian
Tình hình nộp đơn đăng ký sáng chế trong nghiên cứu ứng dụng các phương pháp xử lý nhiệt, xử lý hóa học và xử lý điện hóa cho việc xử lý nước thải nhiễm mặn đang có xu hướng phát triển mạnh mẽ Các phương pháp này không chỉ nâng cao hiệu quả xử lý mà còn đáp ứng yêu cầu bảo vệ môi trường Việc áp dụng công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực này hứa hẹn mang lại giải pháp bền vững cho vấn đề ô nhiễm nước thải nhiễm mặn.
Sáng chế ứng dụng vi sinh trong xử lý nước thải nhiễm mặn hiện đang được đăng ký bảo hộ tại 10 quốc gia, bao gồm Trung Quốc, Hàn Quốc, Mỹ, Úc, Canada, Ấn Độ, Mexico, Nam Phi, Nhật Bản và Brazil.
Ngoài ra, sáng chế về ứng dụng vi sinh xử lý nước thải nhiễm mặn còn được nộp đơn đăng ký bảo hộ ở 2 tổ chức:
Tổ chức thế giới (WO): 3 sáng chế
Tổ chức châu Âu (EP): 4 sáng chế
Theo đồ thị, sáng chế liên quan đến ứng dụng vi sinh trong xử lý nước thải nhiễm mặn chủ yếu được đăng ký bảo hộ tại Trung Quốc, với tỷ lệ lên tới 68% tổng số sáng chế trong lĩnh vực này.
Sáng chế về ứng dụng vi sinh xử lý nước thải nhiễm mặn chủ yếu được nộp đơn bảo hộ tại Trung Quốc, nhưng quốc gia đầu tiên đăng ký bảo hộ cho công nghệ này là Mỹ Tại Trung Quốc, các sáng chế liên quan đã được nộp đơn trong khoảng 10 năm gần đây.
Vào những năm 1990, một sáng chế ứng dụng vi sinh trong xử lý nước thải nhiễm mặn đã được nộp đơn đăng ký bảo hộ tại Mỹ, Úc, Nam Phi, Canada, cùng với hai tổ chức quốc tế là Tổ chức Thế giới (WO) và Tổ chức Châu Âu (EP).
CN KR US AU CA IN MX ZA JP BR EP WO
Tình hình nộp đơn đăng ký sáng chế về ứng dụng vi sinh trong xử lý nước thải nhiễm mặn ở các quốc gia
Tình hình nộp đơn đăng ký sáng chế về ứng dụng vi sinh xử lý nước thải nhiễm mặn trong thập niên 90
Từ năm 2005, châu Á đã phát triển các sáng chế ứng dụng công nghệ sinh học trong xử lý nước thải nhiễm mặn, với các sáng chế được đăng ký tại Trung Quốc, Nhật Bản và Hàn Quốc Trung Quốc nổi bật với việc liên tục nộp đơn sáng chế từ 2005 đến 2015.
Tình hình nộp đơn đăng ký sáng chế về ứng dụng vi sinh xử lý nước thải nhiễm mặn trong giai đoạn 2005-2015
Trung Quốc Mexico Hàn Quốc Hàn Quốc Hàn Quốc Hàn Quốc Úc Mỹ Mỹ
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VI SINH ĐỂ XỬ LÝ NƯỚC THẢI HỮU CƠ NHIỄM MẶN_ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU CỦA VIỆN NHIỆT ĐỚI MÔI TRƯỜNG_ VIỆN KH&CN QUÂN SỰ
Mục tiêu của đề tài
Nước thải nhiễm mặn có nồng độ muối cao, đòi hỏi công nghệ xử lý đặc biệt Trong 15 năm qua, nhiều nghiên cứu trên thế giới đã tập trung vào việc sử dụng vi khuẩn chịu mặn và nấm men kết hợp với kỹ thuật hiếu khí và màng lọc ở quy mô phòng thí nghiệm Tuy nhiên, kỹ thuật kỵ khí và nghiên cứu quy mô pilot vẫn chưa được chú trọng Tại Việt Nam, mặc dù nhu cầu nghiên cứu về công nghệ xử lý nước thải nhiễm mặn rất cấp bách, vẫn chưa có công trình nghiên cứu cấp bộ và nhà nước nào được thực hiện trong thời gian gần đây.
Vì thế đề tài này được đề xuất, với các mục tiêu sau đây:
Nghiên cứu này tập trung vào việc phân lập các chủng vi sinh vật có sẵn tại Việt Nam, có khả năng loại bỏ các chất hữu cơ (COD) và dinh dưỡng (N) trong nước thải nhiễm mặn Dựa trên những chủng vi sinh vật này, chúng tôi sẽ xây dựng và thử nghiệm một số quy trình công nghệ vi sinh nhằm xử lý hiệu quả nước thải sinh hoạt, chăn nuôi và sản xuất bị nhiễm mặn.
Xây dựng quy trình công nghệ hiệu quả để xử lý nước thải nhiễm mặn từ sinh hoạt, chăn nuôi và các ngành công nghiệp đặc thù như chế biến thủy hải sản là cần thiết cho các hải đảo và vùng thiếu nước ngọt Để đạt được mục tiêu này, cần thực hiện nghiên cứu các nội dung chủ yếu liên quan đến công nghệ xử lý nước thải.
Phân lập và định danh một số chủng vi sinh vật, bao gồm cả nấm men và vi khuẩn có khả năng phát triển trong môi trường nước mặn
Phát triển sinh khối mật độ cao trong môi trường nước mặn có thể được thực hiện thông qua nhiều phương pháp khác nhau Các phương pháp này bao gồm thích nghi từng bước, cố định hóa tế bào bằng vật liệu hỗ trợ, và cố định hóa tế bào bằng vật mang Những kỹ thuật này giúp tối ưu hóa quá trình phát triển sinh khối và nâng cao hiệu quả sản xuất trong điều kiện nước mặn.
So sánh các đặc tính kỹ thuật của sinh khối mật độ cao cho thấy khả năng phân hủy hữu cơ, hiệu quả loại bỏ nitơ (N) và phốt pho (P), tính ổn định và các thông số động học trong điều kiện hiếu khí và kỵ khí Các yếu tố này đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá hiệu quả sử dụng sinh khối trong các quy trình xử lý chất thải và sản xuất năng lượng tái tạo.
Thử nghiệm tính năng phân hủy nước thải nhiễm mặn quy mô phòng thí nghiệm và quy mô pilot.
Nội dung nghiên cứu khoa học của đề tài
Nghiên cứu về xử lý nước thải nhiễm mặn bằng công nghệ sinh học đã được thực hiện cả trong và ngoài nước, với mục tiêu tìm hiểu hiệu quả của các phương pháp sinh học Tại Việt Nam, việc điều tra và khảo sát các chủng vi sinh vật (VSV) có khả năng phát triển trong môi trường nước mặn và nước thải nhiễm mặn là rất quan trọng, nhằm ứng dụng các giải pháp bền vững cho vấn đề ô nhiễm nước.
1.1.Tổng quan các nghiên cứu trong và ngoài nước về xử lý nước thải nhiễm mặn bằng công nghệ sinh học
1.2 Điều tra, khảo sát, lấy mẫu và lựa chọn sơ bộ một số chủng vi sinh vật có khả năng phát triển trong môi trường nước mặn và nước thải nhiễm mặn ở Việt Nam
Chúng tôi tiến hành phân lập và nuôi cấy một số chủng vi sinh vật (VSV), bao gồm nấm men và vi khuẩn, có khả năng phát triển trong môi trường nước mặn và nước thải nhiễm mặn Đồng thời, chúng tôi khảo sát các đặc tính hình thái và động học cơ bản của các chủng vi sinh vật này.
2.1 Nuôi cấy một số chủng nấm men có khả năng phát triển trong môi trường nước mặn và nước thải nhiễm mặn
2.2 Nuôi cấy một số chủng vi khuẩn có khả năng phát triển trong môi trường nước mặn và nước thải nhiễm mặn
2.3 Phân lập một số chủng nấm men có khả năng phát triển trong môi trường nước mặn và nước thải nhiễm mặn và khảo sát các đặc tính cơ bản của chúng (hình thái, động học)
2.4 Phân lập một số chủng vi khuẩn có khả năng phát triển trong môi trường nước mặn và nước thải nhiễm mặn và khảo sát các đặc tính cơ bản của chúng (hình thái, động học)
Nội dung 3: Định danh một số chủng VSV chịu mặn và ưa mặn
3.3 Nhân đoạn gen đặc hiệu
3.4 Đánh dấu huỳnh quang trình tự đích
3.5 Giải trình tự gen đích
3.6 Phân tích trình tự gen và định danh chủng
Nội dung 4: Phát triển và khảo sát tính năng xử lý nước thải nhiễm mặn của
VSV hiếu khí trong các thí nghiệm mẻ
4.1 Phát triển sinh khối nấm men và vi khuẩn mật độ cao trong môi trường nước mặn trong điều kiện hiếu khí bằng phương pháp thích nghi từng bước
4.2 Phát triển sinh khối nấm men và vi khuẩn mật độ cao trong môi trường nước mặn trong điều kiện hiếu khí bằng phương pháp cố định hóa tế bào (cell immobilization) với vật liệu hỗ trợ
4.3 Phát triển sinh khối nấm men và vi khuẩn mật độ cao trong môi trường nước mặn trong điều kiện hiếu khí bằng phương pháp cố định hóa tế bào (cell immobilization) bằng vật mang
4.4 Khảo sát tính năng xử lý nước thải hữu cơ nhiễm mặn của sinh khối nấm men và vi khuẩn hiếu khí trong các thí nghiệm mẻ
Nội dung 5: Phát triểnvà khảo sát tính năng xử lý nước thải nhiễm mặn của
VSV kỵ khí trong các thí nghiệm mẻ
5.1 Phát triển sinh khối nấm men và vi khuẩn mật độ cao trong môi trường nước mặn trong điều kiện kỵ khí bằng phương pháp thích nghi từng bước
5.2 Phát triển sinh khối nấm men và vi khuẩn mật độ cao trong môi trường nước mặn trong điều kiện kỵ khí bằng phương pháp cố định hóa tế bào với vật liệu hỗ trợ
5.3 Phát triển sinh khối nấm men nấm men và vi khuẩn mật độ cao trong môi trường nước mặn trong điều kiện kỵ khí bằng phương pháp cố định hóa tế bào bằng vật mang
5.4 Khảo sát tính năng xử lý nước thải hữu cơ nhiễm mặn của sinh khối nấm men và vi khuẩn kỵ khí trong các thí nghiệm mẻ
Nội dung 6: Lựa chọn và thử nghiệm sinh khối với các thiết bị liên tục
6.1 Lựa chọn sinh khối trên cơ sở so sánh đặc tính kỹ thuật của các loại hình sinh khối nấm men và vi khuẩn mật độ cao hiếu khí và kỵ khí về:
Khả năng phân hủy hữu cơ (COD)
Khả năng loại TN và NH 4 -N
Các thông số động học
6.2 Thử nghiệm tính năng phân hủy nước thải nhiễm mặn trong các thiết bị liên tục áp dụng kỹ thuật kỵ khí quy mô phòng thí nghiệm
6.3 Thử nghiệm tính năng phân hủy nước thải nhiễm mặn trong các thiết bị liên tục áp dụng kỹ thuật hiếu khí quy mô phòng thí nghiệm
6.4 Thử nghiệm tính năng phân hủy nước thải nhiễm mặn trong các thiết bị liên tục áp dụng kỹ thuật kết hợp hiếu khí và kỵ khí quy mô phòng thí nghiệm
Nội dung 7: Thiết kế, chế tạo, lắp đặt và vận hành pilot xử lý nước thải nhiễm mặn sử dụng sinh khối được lựa chọn
7.1 Lựa chọn sơ đồ công nghệ phù hợp
7.2 Thiết kế pilot xử lý nước thải nhiễm mặn sử dụng sinh khối được lựa chọn
7.3 Chế tạo và lắp đặt pilot xử lý nước thải nhiễm mặn
7.4 Nuôi cấy sinh khối nạp pilot
7.5 Vận hành pilot xử lý nước thải nhiễm mặn
Nội dung 8: Tổng hợp đánh giá quy trình công nghệ; định hướng triển khai, hoàn thiện và mở rộng kết quả nghiên cứu
3 Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng:
Bằng cách áp dụng các phương pháp thu thập thông tin và điều tra thực tế nhu cầu cùng với hiện trạng trong nước, đồng thời tham khảo tình hình công nghệ và phương pháp triển khai quốc tế, chúng tôi sẽ đề xuất những giải pháp phù hợp với hoàn cảnh Việt Nam.
Khảo sát một số nhà máy chế biến thủy hải sản ven biển để tìm nguồn VSV chịu mặn, thu các mẫu bùn/nước thải chứa VSV chịu mặn
Sử dụng các phương pháp kỹ thuật phân lập nấm men chịu mặn và ưa mặn với các mẫu bùn/nước thải chứa VSV chịu mặn thu được
Sử dụng các phương pháp kỹ thuật để phân lập vi khuẩn chịu mặn và ưa mặn từ mẫu bùn/nước thải chứa vi sinh vật chịu mặn Quy trình định danh vi khuẩn và nấm men bao gồm các bước thiết kế primer, ly trích DNA, nhân đoạn gen đặc hiệu, đánh dấu huỳnh quang trình tự đích, giải trình tự gen và phân tích trình tự gen để xác định chủng vi khuẩn.
Sử dụng các phương pháp kỹ thuật cố định hóa VSV như dùng các polymer đặc dụng hay các vật liệu hỗ trợ bám dính
Sử dụng các phương pháp phân tích hóa lý công cụ như kính hiển vi điện tử quét SEM, để đánh giá hình thái VSV hoặc sinh khối
Sử dụng các phương pháp tiêu chuẩn để xác lập các thông số động học của VSV
Sử dụng các phương pháp phân tích hóa học và hóa lý tiêu chuẩn để đo đạc, đánh giá hiệu quả xử lý nước thải
Phương pháp thí nghiệm dạng mẻ
Phương pháp thí nghiệm sử dụng các thiết bị đơn lẻ hay kết hợp dạng liên tục (UASB, UFAF, FBR, SMBR…)
4 Phân lập, định danh 4 chủng vi sinh vật chịu mặn và ƣa mặn: Để có thể phân lập được các vi sinh vật ưa mặn/chịu mặn trong thời gian ngắn và thu được lượng sinh khối đủ lớn, phù hợp với mục tiêu nghiên cứu phát triển công nghệ, nhóm thực hiện đề tài đã phân lập các vi sinh vật ưa mặn/chịu mặn trong các nguồn bùn thải/nước thải nhiễm mặn từ một nhà máy chế biến hải sản gần biển có nước thải sản xuất với cường độ ô nhiễm tương đối cao và nhiễm mặn
Nhóm đề tài cũng đã sử dụng kỹ thuật thích nghi từng bước, với độ mặn cao dần từ 5, 10, 15, 20, 25 và 30 g/l NaCl, để thu được sinh khối vi sinh vật
4.1 Phân lập, nuôi cấy và định danh vi sinh vật hiếu khí chịu mặn:
Vi khuẩn hiếu khí được phân lập có độ tương đồng lên đến 99% với chủng Staphylococcus arlettae (AB009933) Qua khảo sát hình thái khuẩn lạc và hình thái tế bào dưới kính hiển vi điện tử quét (SEM), vi khuẩn này được định danh là Staphylococcus sp BH4 Tốc độ tăng trưởng tối đa của vi khuẩn tại các nồng độ NaCl 5 g/L, 10 g/L và 15 g/L lần lượt là 4,625; 1,064 và 2,203 ngày -1 Hệ số năng suất tăng trưởng (Y) của vi khuẩn hiếu khí tăng dần theo nồng độ muối NaCl, đạt 3,293; 4,66 và 11,723 mgVSS/mgCOD.
4.2 Phân lập, nuôi cấy và định danh vi sinh vật kỵ khí chịu mặn:
Phân lập, định danh 4 chủng vi sinh vật chịu mặn và ưa mặn
Để phân lập các vi sinh vật ưa mặn/chịu mặn nhanh chóng và thu được sinh khối lớn phục vụ cho nghiên cứu công nghệ, nhóm nghiên cứu đã tiến hành phân lập các vi sinh vật này từ nguồn bùn thải và nước thải nhiễm mặn tại một nhà máy chế biến hải sản gần biển, nơi có mức độ ô nhiễm và nhiễm mặn cao.
Nhóm đề tài cũng đã sử dụng kỹ thuật thích nghi từng bước, với độ mặn cao dần từ 5, 10, 15, 20, 25 và 30 g/l NaCl, để thu được sinh khối vi sinh vật
4.1 Phân lập, nuôi cấy và định danh vi sinh vật hiếu khí chịu mặn:
Vi khuẩn hiếu khí được phân lập có độ tương đồng cao đến 99% với chủng Staphylococcus arlettae (AB009933) Qua khảo sát hình thái khuẩn lạc và tế bào dưới kính hiển vi điện tử quét (SEM), chủng vi khuẩn được đặt tên là Staphylococcus sp BH4 Tốc độ tăng trưởng tối đa tại các nồng độ NaCl 5 g/L, 10 g/L và 15 g/L lần lượt là 4,625; 1,064 và 2,203 ngày -1 Hệ số năng suất tăng trưởng (Y) của các vi khuẩn hiếu khí tăng dần theo nồng độ muối NaCl, với giá trị tương ứng là 3,293; 4,66 và 11,723 mg VSS/mg COD.
4.2 Phân lập, nuôi cấy và định danh vi sinh vật kỵ khí chịu mặn:
Kết quả giải trình tự gen cho thấy vi khuẩn kị khí phân lập được có sự tương đồng cao với các vi khuẩn thuộc chi Desulfovibrio, đặc biệt là 100% với chủng Desulfovibrio desulfuricans ATCC27774 (M34113) Chủng vi khuẩn này có thể thuộc chi Desulfovibrio và được đặt tên là.
4.3 Phân lập, nuôi cấy và định danh nấm men chịu mặn:
Nhóm nghiên cứu đã phân lập chủng nấm men YH, có mối quan hệ gần gũi và độ tương đồng cao với các chủng nấm men thuộc chi Candida, đặc biệt là với chủng Candida sp YS W113A (AM410670) với độ tương đồng 92% Qua quan sát hình thái khuẩn lạc và hình thái tế bào dưới kính hiển vi điện tử quét, chủng YH được đặt tên là Candida sp YH Tốc độ tăng trưởng tối đa của chủng YH đạt được tại các nồng độ NaCl 20 g/L, 25 g/L và 30 g/L lần lượt là 2,79; 2,77.
Hệ số năng suất tăng trưởng (Y) của nấm men giảm khi nồng độ muối NaCl tăng, với các giá trị lần lượt là 0,4271; 0,281 và 0,2564 mgVSS/mgCOD, phù hợp với các số liệu quốc tế.
Ch ủng YH tương đồ ng 92% ch ủ ng Candida sp YS W113A (AM410670) được đị nh tên là Candida sp YH
Kết quả từ phân tích SEM cho thấy tế bào nấm men có hình dạng oval, là đặc trưng cơ bản của loài này, với mật độ dày đặc trong mẫu bùn Hình ảnh dưới kính hiển vi điện tử quét với độ phóng đại 9.000 lần và 20.000 lần đã xác nhận khả năng chịu mặn tốt của nấm men, cho phép chúng sinh trưởng và phát triển trong điều kiện độ mặn lên đến 30.000 mg/l Những phát hiện này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về việc sử dụng nấm men trong xử lý nước thải nhiễm mặn.
4.4 Phân lập nuôi cấy và định danh vi khuẩn Anammox chịu mặn:
Nhóm nghiên cứu đã phân lập thành công các chủng Anammox có khả năng hoạt động hiệu quả ở độ mặn 25g/L Kết quả giải trình tự gen cho thấy các mẫu này có trình tự tương đồng 100% với các chủng vi khuẩn chưa được nuôi cấy như Ana17-2-17 (gb|KP693147.1|), ZG4737 (gb|KJ917252.1|), UASB_37 (gb|KC736554.1|) và KT3 (gb|GU294781.1|).
Hình: Hình thái t ế bào n ấ m men t ạ i n ồng độ mu ố i 30.000mg/L
Khảo sát tính năng xử lý nước thải nhiễm mặn của các vi sinh vật chịu mặn, ưa mặn
5.1 Khảo sát tính năng xử lý nước thải nhiễm mặn của vi sinh vật trong thí nghiệm mẻ
5.1.1.Kh ảo sát tính năng xử lý nướ c th ả i nhi ễ m m ặ n c ủ a vi sinh v ậ t hi ế u khí trong các thí nghi ệ m m ẻ :
5 g/L: đạt max 3.250 mg/l sau 9 mẻ
Sinh khối hiếu khí ở nồng độ 5-10g/L có khả năng loại bỏ COD trung bình lên đến 80% Tuy nhiên, khi nồng độ tăng lên 20g/L, vi khuẩn cần thời gian thích nghi dài hơn và hiệu quả loại bỏ COD giảm rõ rệt.
5.1.2 Kh ảo sát tính năng xử lý nướ c th ả i nhi ễ m m ặ n c ủ a n ấ m men trong các thí nghi ệ m m ẻ :
Sau khi phân lập nấm men, thí nghiệm được tiến hành với nồng độ muối NaCl lần lượt là 20.000mg/l, 25.000mg/l và 30.000mg/l, đồng thời đo các giá trị đầu ra COD và MLSS Kết quả cho thấy trong suốt quá trình làm giàu, sinh khối nấm men và hiệu quả loại bỏ COD tăng dần theo thời gian.
Thí nghiệm xử lý tại nồng độ muối 20g/l cho thấy MLSS tăng dần từ 0 lên 3.000mg/l trong 6 mẻ, đạt hiệu quả xử lý COD trên 90% ở các mẻ đầu tiên Trong giai đoạn đầu, MLSS tăng chậm, nhưng từ mẻ thứ 4 trở đi, sự gia tăng trở nên rõ rệt, đạt 3.000mg/l ở mẻ thứ 7 Hiệu quả loại bỏ COD cao nhất ghi nhận được là 96%, với giá trị COD đầu ra là 203mg/l.
Tại nồng độ muối 25g/l, thí nghiệm được thực hiện qua 8 mẻ, cho thấy hiệu quả loại COD tăng dần nhưng không có sự thay đổi rõ rệt giữa các mẻ, ổn định ở mức 89% đến 90% trong 4 mẻ đầu MLSS cũng tăng theo thời gian, đạt 3000mg/l ở mẻ thứ 8, với hiệu quả loại COD cao nhất đạt 95% và giá trị COD đầu ra là 250mg/l.
Tại nồng độ muối 30g/l, thí nghiệm kết thúc sau 9 mẻ, với hiệu quả loại COD bắt đầu giảm so với nồng độ muối 20g/l và 25g/l Trong những mẻ đầu tiên, hiệu quả xử lý đạt 83% với giá trị COD đầu ra là 805mg/l Sau đó, hiệu quả loại COD tăng dần, kết thúc thí nghiệm với hiệu quả loại cao nhất đạt 93.6% và giá trị COD đầu ra là 320 mg/l.
Sự khác biệt trong hiệu quả xử lý và thời gian hoàn thành quá trình làm giàu nấm men có thể được giải thích bởi nồng độ muối, yếu tố ảnh hưởng đến cân bằng ion trong tế bào nấm men, yêu cầu thời gian thích nghi Độ mặn cũng có khả năng ức chế các phản ứng trong phân hủy sinh học, dẫn đến ly giải tế bào và tăng lượng chất thải rải Điều này lý giải tại sao giá trị COD đầu ra tăng dần ở nồng độ muối cao hơn, mặc dù MLSS tại mỗi nồng độ muối đều đạt khoảng 3000mg/l khi kết thúc thí nghiệm.
Hình: Hiệu quả loại COD của nấm men tại nồng độ muối 20g/l, 25g/l và 30g/l
NaCl 20 g/L: SKNM đạt 3.250 mg/l sau 6 mẻ
NaCl 25 g/L: SKNM đạt 3.025 mg/l sau 8 mẻ
NaCl 30 g/L: SKNMđạt 3.015 mg/l sau 9 mẻ
Hiệu quả loại COD tại NaCl 30 g/L: > 93%
5.1.3 Kh ảo sát tính năng xử lý nướ c th ả i nhi ễ m m ặ n c ủ a vi sinh v ậ t k ỵ khí trong các thí nghi ệ m m ẻ
Than hoạt tính giúp giữ lại MLSS trong thiết bị, giảm thất thoát sinh khối, qua đó tăng đáng kể hiệu quả loại COD
Bentonite giúp giữ lại MLSS trong thiết bị, giảm thất thoát sinh khối, qua đó tăng đáng kể hiệu quả loại COD, cao hơn so với GAC
5.1.4 Kh ảo sát tính năng xử lý nướ c th ả i nhi ễ m m ặ n c ủ a vi khu ẩ n Anammox trong các thí nghi ệ m m ẻ :
Vi khuẩn anammox được phân lập từ nước thải chăn nuôi heo đã cho thấy khả năng thích nghi và phát triển trong môi trường có nồng độ muối tăng dần từ 5 đến 25g/l NaCl Trong các thí nghiệm mẻ, vi khuẩn này có khả năng loại bỏ NH4-N với hiệu suất giảm từ 75% xuống còn 40%.
Kết quả nghiên cứu với các thí nghiệm mẻ cho thấy để phân hủy hữu cơ, loại bỏ COD trong nước thải nhiễm mặn có thể sử dụng:
Sinh khối vi khuẩn hiếu khí, vi khuẩn kỵ khí và nấm men hiếu khí đã được làm giàu qua các thí nghiệm tĩnh (mẻ) trong điều kiện độ mặn từ 5 – 30 g/l, với hiệu quả giảm dần khi độ mặn tăng.
- Tuy nhiên việc phân lập, làm giàu nấm men kỵ khí không cho kết quả khả quan
Để loại bỏ NH4-N hiệu quả, việc sử dụng vi khuẩn anammox là cần thiết Tuy nhiên, thách thức lớn là phải thích nghi sinh khối anammox từ môi trường có độ mặn thấp (2-4 g/L) đến các mức độ mặn cao, lên đến 30 g/L NaCl.
Thiết bị liên tục cho quá trình xử lý chất thải có thể bao gồm các loại thiết bị kỵ khí cao tải như UASB và hybrid UASB, cũng như thiết bị nấm men độc lập hoặc nối tiếp Có hai trường hợp áp dụng là điều chỉnh pH và không điều chỉnh pH, tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của quá trình xử lý.
5.2 Thử nghiệm sinh khối vi sinh vật với các thí nghiệm liên tục:
5.2.1 Th ử nghi ệ m sinh kh ố i vi sinh v ậ t k ỵ khí v ớ i các thi ế t b ị liên t ụ c:
Kết quả thử nghiệm và đánh giá khả năng phân hủy hữu cơ trong các thí nghiệm liên tục trong vòng 350 ngày, cho thấy:
Sinh khối vi sinh vật kỵ khí đã được phân lập và làm giàu từ hệ thống xử lý nước thải của ngành chế biến thủy hải sản, cho thấy khả năng thích nghi với các nồng độ muối cao, bắt đầu từ 5%.
- Được sử dụng trong các thiết bị dạng UASB với HRT 24h, loại bỏ 80 – 90% COD trong trường hợp có pH ổn định 7,5 – 8,0 nhờ dung dịch đệm NaHCO 3
Khoảng 50-60% trường hợp không sử dụng dung dịch đệm NaHCO3 dẫn đến pH của nước thải sau xử lý giảm xuống còn 5-6, do quá trình axit hóa chiếm ưu thế.
5.2.2 Th ử nghi ệ m sinh kh ố i n ấ m men v ớ i các thi ế t b ị liên t ụ c:
Kết quả thử nghiệm và đánh giá khả năng phân hủy hữu cơ trong các thí nghiệm liên tục trong vòng 350 ngày, cho thấy:
• Nấm men chịu độ mặn cao tốt hơn
• Hiệu quả phân hủy hữu cơ của nấm men cao hơn
Thử nghiệm quy mô pilot
6.1 Lựa chọn đối tƣợng thử nghiệm:
Lựa chọn đối tượng thử nghiệm công nghệ quy mô pilot là nước thải chế biến thủy hải sản vì :
Nước thải từ chế biến thủy hải sản có tính chất tương tự như nước thải sinh hoạt, với hàm lượng chất hữu cơ và dinh dưỡng cao Tuy nhiên, nước thải này có cường độ ô nhiễm lớn hơn nhiều so với nước thải sinh hoạt Nếu các phương pháp xử lý nước thải chế biến thủy hải sản được thử nghiệm thành công, chúng sẽ cung cấp kinh nghiệm quý giá cho việc xử lý nước thải sinh hoạt một cách hiệu quả hơn.
Điều kiện cần thiết cho nước thải thử nghiệm là có độ mặn cao, tối thiểu từ 5 – 10 g/l NaCl Tại Khu Căn cứ Cam Ranh, không có nguồn nước thải có độ mặn cao ổn định, vì vậy việc chọn nguồn nước thải từ chế biến thủy hải sản gần TP Hồ Chí Minh là lựa chọn hợp lý hơn.
6.2 Địa điểm lựa chọn nghiên cứu quy mô pilot:
Công Ty TNHH Thanh An, tọa lạc tại Số 12, Đường số 2, KCN Sóng Thần 1, KP Nhị Đồng 2, Phường Dĩ An, TX Dĩ An, tỉnh Bình Dương, có đặc trưng nước thải sản xuất sau bể điều hòa, phản ánh quy trình xử lý nước thải hiệu quả và tuân thủ các tiêu chuẩn môi trường.
STT Thông số Đơn vị Sau khi xử lý tại bể điều hòa kỵ khí Trung bình
Nguồn: Viện Nhiệt đới Môi trường- Nhà máy Thanh An 2014 - 2015
6.3 Xác định mục tiêu nghiên cứu pilot và tiêu chuẩn xử lý :
Loại bớt các chất hữu cơ (COD)
Loại amoni và tổng Ni tơ
Amoni (tính theo N): không quá 10 mg/l
Tổng Nitơ: không quá 40 mg/l
Lựa chọn phương hướng công nghệ thử nghiệm quy mô pilot:
Giai đoạn xử lý kỵ khí là quá trình oxy hóa các hợp chất hữu cơ trong điều kiện không có oxy, mang lại nhiều ưu điểm như tạo ra bùn thấp và khả năng thích nghi tốt của vi khuẩn kỵ khí với nước thải có nồng độ muối cao Ngoài ra, hiệu suất xử lý COD trong các thí nghiệm cho thấy có thể đạt trên 80%.
Trong giai đoạn hiếu khí của quá trình xử lý nước thải, chủng nấm men ưa mặn được phân lập sẽ được sử dụng để oxy hóa các chất hữu cơ.
Giai đoạn nitrit hóa: Sử dụng chủng vi khuẩn hiếu khí ưa mặn để chuyển hóa amoni thành nitrit, điều kiện cần để diễn ra quá trình anammox
Giai đoạn xử lý kỵ khí ammoni: Sử dụng chủng vi khuẩn anammox ưa mặn để chuyển hóa amoni và nitrit thành khí nitơ phân tử
6.4 Thiết kế, chế tạo, lắp đặt hệ thống thử nghiệm pilot:
6.5 Kết quả vận hành hệ thống thử nghiệm pilot:
Hiệu quả loại COD của thiết bị pilot:
Với CODinf,tb 791 mg/l, đầu ra của thiết bị UASB có COD trung bình đạt
Hiệu suất loại bỏ COD của thiết bị nấm men đạt khoảng 78%, với COD đầu ra trung bình là 89,7 mg/l (từ ngày 10 đến ngày 70 chưa chỉnh pH, sau ngày 70 có chỉnh pH), tương ứng với hiệu suất loại bỏ COD khoảng 47% Khi kết hợp cả hai thiết bị, hiệu suất loại bỏ COD đạt 88,6% Từ ngày 70, COD của nước thải sau thiết bị nấm men luôn duy trì dưới 100 mg/l, đáp ứng tiêu chuẩn loại B theo QCVN 40, 2011/BTNMT.
Hiệu quả khử amoni của pilot:
Khoảng 50 ngày đầu là thời gian thích nghi (độ mặn tăng dần từ 10 đến 15g/L), từ ngày 50 SK anammox chịu mặn được nạp 1000 mg/l MLSS trong thiết bị kết hợp nitrit hóa và khử nitơ
Trong 7 ngày tiếp theo, với nồng độ NH 4 -N đầu vào trung bình 249 mg/l, đầu ra của thiết bị anammox với nitrit hóa bán phần có NH 4 -N trung bình đạt 116mg/l, tương đương với hiệu suất khử NH4-N khoảng 53%
Trong 10 ngày tiếp theo, với nồng độ NH4-N inf tb 87 mg/l, NH4-N eff, tb đạt 35.6 mg/l, tương đương với hiệu suất loại bỏ NH 4 -N khoảng 59% Trong giai đoạn 7 ngày cuối, với nồng độ NH 4 -N inf, tb 88 mg/l, NH4-N eff, tb đạt 18.4mg/l, tương đương với hiệu suất loại bỏ NH4-N khoảng 79%
Khoảng từ ngày 22, kết quả NH4-N và TN của nước thải sau xử lý luôn thấp hơn tương ứng là 10mg/l và 40 mg/l, đạt loại B QCVN 40, 2011/BTNMT
Tổng kết các thông số công nghệ của hệ thống pilot xử lý nước thải:
Thời gian lưu thủy lực HRT
Tải trọng hữu cơ OLR
Tải trọng Ammonia N-LR Đơn vị m 3 /m 2 h h kgCOD/m 3 ngày kgNH4-
Đề xuất sơ dồ công nghệ:
Có thể chia ra các trường hợp chính:
Chẳng hạn trong trường hợp COD của nước thải đầu vào nhỏ hơn 500 mg/l, có thể chọn một trong hai giải pháp đơn giản hóa:
Bắt đầu ngay với công đoạn sử dụng nấm men kỵ khí
Sử dụng sơ đồ trên, nhưng không cần dung dịch đệm cho UASB/UFAF và không cần chỉnh hóa chất cho thiết bị nấm men
Khi Tổng N và NH4-N dưới 100 mg/l, có thể kết hợp quá trình nitrit hóa và anammox trong cùng một thiết bị sử dụng đệm cố định và cấp khí cục bộ.
Khái toán phương án xử lý nước thải nhiễm mặn: Lưu lượng trung bình, tải lƣợng COD và NH 4 -N thấp:
Thông số/Hạng mục Đơn vị Giá trị Tải lƣợng
NH4-Ninf mg/l 100 Độ mặn g/l 10 - 15
So sánh với nước thải không nhiễm mặn (nồng độ NaCl < 5g/L), bể nấm men có dung tích lớn hơn 3 lần so với bể aerotank truyền thống và yêu cầu điều chỉnh pH trước và sau bể nấm men Các thiết bị như bơm, máy thổi khí và thiết bị phụ trợ không có sự khác biệt đáng kể Tuy nhiên, chi phí đầu tư ban đầu và chi phí vận hành hệ thống xử lý nước thải sẽ tăng từ 10% đến 15% so với các hệ thống xử lý thông thường.
Khái toán phương án xử lý nước thải nhiễm mặn: Lưu lượng trung bình, tải lƣợng COD và NH 4 -N cao:
Thông số/Hạng mục Đơn vị Giá trị Tải lƣợng
NH 4 -N inf mg/l 200 Độ mặn g/l 10 - 15
Khi nồng độ COD và NH4-N cao, so với nước thải không nhiễm mặn (NaCl < 5g/L), bể UASB có dung tích cao gấp 2 lần, trong khi bể nấm men có dung tích cao gấp 3 lần so với bể UASB và bể aerotank truyền thống Cần điều chỉnh pH trước và sau bể nấm men, trong khi các thiết bị như bơm, máy thổi khí không có sự khác biệt đáng kể Chi phí đầu tư ban đầu tăng từ 20% đến 30%, và chi phí vận hành hệ thống xử lý nước thải tăng khoảng 10% đến 15%.
Kết luận
Nhóm nghiên cứu đã tiến hành khảo sát một số đơn vị sản xuất có khả năng phát sinh nước thải nhiễm mặn và đã chọn được một nhà máy chế biến thủy hải sản làm đối tượng nghiên cứu.
Bà Rịa Vũng Tàu và lấy mẫu bùn của nước thải có độ mặn từ 2 – 3 g/l NaCl, từ đó làm giàu và phân lập các vi sinh vật chịu mặn
Nhóm nghiên cứu đã thu thập mẫu bùn từ một cơ sở chế biến thủy hải sản và tiến hành làm giàu vi sinh vật hiếu khí, kỵ khí và nấm men Họ đã thích nghi các vi sinh vật này với độ mặn tăng dần từ 5 đến 30 g/l NaCl Đồng thời, nhóm cũng đã phân lập chủng vi khuẩn hiếu khí và khảo sát hình thái của chúng thông qua việc chụp ảnh.
Kết quả giải trình tự gen cho thấy chủng vi khuẩn phân lập được có mức tương đồng cao với các vi khuẩn hiếu khí thuộc chủng Staphylococcus sp BH4 và cũng có sự tương đồng 100% với chủng Desulfovibrio desulfuricans ATCC27774 (M34113) trong nhóm vi khuẩn kị khí Qua khảo sát hình thái bằng chụp ảnh SEM, chủng vi khuẩn này có thể được phân loại vào chi Desulfovibrio.
Các thông số động học của vi khuẩn hiếu khí cho thấy tốc độ tăng trưởng tối đa (à max) tại các nồng độ NaCl 5 g/L, 10 g/L và 15 g/L lần lượt là 4,625; 1,064 và 2,203 ngày-1 Hệ số năng suất tăng trưởng (Y) của nấm men tăng dần theo nồng độ muối NaCl, với các giá trị tương ứng là 3,293; 4,66 và 11,723 mgVSS/mgCOD.
Kết quả thử nghiệm kéo dài 16 tháng cho thấy khả năng phân hủy hữu cơ của sinh khối vi sinh vật kỵ khí được phân lập từ hệ thống xử lý nước thải của nhà máy chế biến thủy hải sản, cho thấy chúng có khả năng thích nghi với các nồng độ muối cao dần từ 5.
Nồng độ NaCl từ 10 đến 30 g/l có thể được sử dụng trong thiết bị kỵ khí UASB với thời gian lưu giữ (HRT) 24 giờ, cho phép loại bỏ 80-90% COD khi pH ổn định ở mức 7,5-8,0 nhờ vào dung dịch đệm NaHCO3 Trong trường hợp không có dung dịch đệm NaHCO3, hiệu suất loại bỏ COD giảm xuống còn 50-60%, và pH của nước thải sau xử lý có xu hướng giảm xuống còn 5-6 do quá trình axit hóa chiếm ưu thế.
Sinh khối nấm men ưa mặn được phân lập từ hệ thống xử lý nước thải của nhà máy chế biến thủy hải sản, có khả năng thích nghi với nồng độ muối cao từ 5 đến 30 g/l NaCl Nấm men này có thể hoạt động hiệu quả trong các thiết bị hiếu khí dạng FBR với thời gian lưu nước (HRT) 24 giờ và tải trọng hữu cơ từ 0.1 đến 1 kg COD/m³/ngày, cho phép loại bỏ 80 – 90% COD khi pH được duy trì ở mức 3,5 Tuy nhiên, ở pH 5 – 6, khả năng loại bỏ COD giảm xuống còn 40 – 50%.
Vi khuẩn anammox, được phân lập từ nước thải chăn nuôi heo, đã phát triển và thích nghi với độ mặn lên đến 25g/L NaCl trong nước thải thuộc da Chúng có thể hoạt động hiệu quả trong các thiết bị kỵ khí dòng chảy ngược có đệm (UFAF) với thời gian lưu giữ (HRT) 24 giờ, pH ổn định từ 7,5 đến 8,0, và tải trọng ammonia từ 0,1 đến 0,2 kg NH4-N/m³.ngày Quá trình này cho phép loại bỏ 70 – 80% NH4-N, đặc biệt hiệu quả khi độ mặn của nước thải dưới 15g/L NaCl.
Dựa trên phân tích và tổng kết kết quả nghiên cứu từ quy mô phòng thí nghiệm và pilot, bài viết đề xuất áp dụng một sơ đồ công nghệ sinh học tổng quát sử dụng vi sinh vật ưa mặn/chịu mặn để xử lý nước thải hữu cơ nhiễm mặn Sơ đồ này bao gồm các quy trình như UASB/UFAF, thiết bị nấm men, nitrit hóa và anammox, đồng thời chỉ ra các phương án đơn giản hóa phù hợp với các điều kiện cụ thể.
Nhóm nghiên cứu đã đề xuất các phương hướng nghiên cứu nhằm hoàn thiện công nghệ tăng cường khả năng cố định hóa sinh khối ưa mặn/chịu mặn và nghiên cứu quá trình nitrit hóa ở độ mặn cao từ 25 – 30g/l NaCl Để đạt được mục tiêu này, cần tiếp tục đầu tư vào các hướng nghiên cứu cụ thể nhằm tối ưu hóa công nghệ.
Nghiên cứu các loại giá thể phù hợp cho vi sinh vật kỵ khí và hiếu khí ưa mặn/chịu mặn nhằm cải thiện khả năng cố định hóa các vi sinh vật này trong thiết bị xử lý, từ đó nâng cao tải trọng và hiệu quả xử lý.
Nghiên cứu ứng dụng công nghệ SMBR nhằm giữ lại hoàn toàn các vi sinh vật ưa mặn/chịu mặn trong thiết bị, từ đó nâng cao tải trọng và hiệu quả xử lý.
Nghiên cứu hoàn thiện quá trình khử tổng N và NH4-N, với trọng tâm là quá trình nitrit hóa, ở các độ mặn 25 – 30mg/l
Áp dụng thử công nghệ đề xuất để xử lý nước thải sinh hoạt và sản xuất trên một đảo với công suất 50 – 100 m 3 /ngày đêm.