Nghiên cứu chế tạo chế phẩm và bước đầu xử lý nước rỉ rác

TỔNG QUAN

Tổng quan về thực trạng xử lý chất thải rắn

1.1.1 Chất thải rắn và các phương pháp xử lý chất thải rắn

Chất thải rắn (CTR) đang gia tăng nhanh chóng và trở thành vấn đề nghiêm trọng trong xã hội, đặc biệt tại các đô thị lớn Ô nhiễm môi trường do CTR đang đối mặt với nhiều thách thức cần giải quyết CTR bao gồm các chất thải rắn hoặc sệt phát sinh từ sản xuất, dịch vụ, kinh doanh và sinh hoạt hàng ngày Các phương pháp xử lý CTR bao gồm công nghệ đốt, ủ phân hữu cơ, xử lý liên hợp và chôn lấp Trong số đó, chôn lấp vẫn là phương pháp phổ biến tại nhiều quốc gia, bao gồm cả Việt Nam, nhờ vào những ưu điểm của nó.

1.1.1.1 Tình hình chất thải rắn trên thế giới

Sự gia tăng mật độ dân số và di cư từ nông thôn ra thành phố dẫn đến lượng chất thải lớn, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường.

Theo báo cáo của Ngân hàng Thế giới, mỗi năm toàn cầu sản xuất khoảng 1,3 tỷ tấn rác thải, và dự kiến con số này sẽ tăng lên 2,2 tỷ tấn vào năm 2025 Để xử lý lượng rác thải khổng lồ này, hầu hết các quốc gia vẫn chủ yếu sử dụng phương pháp chôn lấp, vì phương pháp này đơn giản và có chi phí đầu tư cùng vận hành thấp hơn so với các công nghệ khác.

Theo một nghiên cứu năm 2012 tại Trung Quốc, lượng chất thải rắn đô thị cần xử lý ước tính đạt 74,04 triệu tấn, trong đó 89,3% chất thải được xử lý bằng các phương pháp hiện có.

Vào năm 2016, tổng lượng chất thải rắn đô thị cần xử lý đạt 148 triệu tấn, trong đó 91,4% được xử lý bằng phương pháp chôn lấp, 6,4% bằng phương pháp đốt và 2,1% bằng phương pháp ủ Hiện tại, tỷ lệ chất thải được chôn lấp là 2%, 3,72% được xử lý bằng phương pháp đốt và 6,98% bằng phương pháp ủ.

1.1.1.2 Tình hình chất thải rắn tại Việt Nam

Theo báo cáo của Bộ Công Thương, lượng chất thải rắn sinh hoạt tại Việt Nam đang gia tăng nhanh chóng, với tổng lượng chất thải khoảng 15 triệu tấn mỗi năm Rác thải sinh hoạt đô thị phát sinh khoảng 34.500 tấn mỗi ngày, trong khi rác thải công nghiệp đạt khoảng 3,2 triệu tấn/năm, với tốc độ tăng trưởng từ 10-12% hàng năm Cụ thể, từ hơn 17.000 tấn/ngày vào năm 2010, lượng chất thải rắn ở các đô thị đã tăng lên 32.000 tấn vào năm 2014 Tại Hà Nội và TP.HCM, khối lượng rác thải sinh hoạt phát sinh lần lượt là 6.420 tấn và 6.789 tấn mỗi ngày Đáng chú ý, Việt Nam hiện vẫn sử dụng đến 80% công nghệ chôn lấp để xử lý lượng rác thải khổng lồ này, bao gồm rác từ hộ gia đình, nhà hàng, chợ, cũng như chất thải nguy hại từ ngành công nghiệp và y tế.

Bảng 1.1: Lượng chất thải phát sinh tại Việt Nam [5]

Lượng phát sinh chất thải (tấn/năm)

Thành thị Nông thôn Tổng

-Khu dân cư -Thương mại -Thị trường

Chất thải không nguy hại

-Dầu nhiên liệu -Hóa chất

Tổng lượng chất thải phi nông nghiệp 8.266.000 7.172.400 15.459.900 Nông nghiệp

• Chú thích: NA – Dữ liệu không xác định

1.1.2 Bãi chôn lấp và tình hình các bãi chôn lấp tại Việt Nam

1.1.2.1 Khái niệm và ưu nhược điểm của bãi chôn lấp

Chôn lấp là phương pháp xử lý và tiêu hủy chất thải rắn phổ biến và đơn giản nhất, được áp dụng rộng rãi trên toàn thế giới Thực chất, phương pháp này bao gồm việc lưu giữ chất thải trong một bãi và phủ đất lên trên để đảm bảo an toàn môi trường.

Chôn lấp hợp vệ sinh là phương pháp kiểm soát sự phân hủy chất thải rắn thông qua việc chôn nén và phủ bề mặt Quá trình phân hủy sinh học trong bãi chôn lấp tạo ra các sản phẩm giàu dinh dưỡng như acid hữu cơ, nitơ, hợp chất amon và khí CO2, CH4 Do đó, chôn lấp hợp vệ sinh không chỉ là biện pháp tiêu hủy sinh học mà còn giúp kiểm soát chất lượng môi trường trong quá trình phân hủy chất thải.

Hình 1.2 Mô hình bãi chôn lấp chất thải rắn [41]

Bãi chôn lấp chất thải rắn bao gồm khu vực chôn lấp, vùng đệm, hệ thống thu gom và xử lý nước rỉ rác, cùng với hệ thống thu hồi và xử lý khí thải Phương pháp chôn lấp mang lại nhiều ưu điểm, giúp quản lý chất thải hiệu quả và giảm thiểu tác động đến môi trường.

- Dễ vận hành và sử dụng

- Thu hồi khí gas trong quá trình xử lý để làm năng lượng

- Nếu được thiết kế và vận hành hợp lý, bãi chôn lấp sẽ là phương pháp rất hiệu quả để xử lý CTR sinh hoạt

- Rác thải hữu cơ có thể được tách riêng ra và sử dụng làm phân hữu cơ

- BCL hợp vệ sinh sau khi đóng cửa có thể sử dụng vào các mục đích khác như: bãi đỗ xe, trồng cây xanh,…

Nhược điểm của phương pháp chôn lấp [41]:

- Nếu BCL không được thiết kế đúng cách, nước rỉ rác sẽ xâm nhập vào hệ thống nước ngầm, từ đó làm ô nhiễm nguồn nước

- Khí thải từ bãi chôn lấp có thể làm phát sinh ô nhiễm, tạo ra mùi khó chịu làm ảnh hưởng đến sức khỏe con người

- Cần một diện tích lớn

- Cần có các đợt quan trắc thường xuyên để đảm bảo cho bãi chôn lấp hợp vệ sinh

1.1.2.2 Tình hình các bãi chôn lấp tại Việt Nam

Việt Nam sản xuất khoảng 50.000 tấn rác thải mỗi ngày, trong đó các đô thị đóng góp khoảng 35.000 tấn Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh mỗi ngày thải ra từ 7.000 đến 8.000 tấn rác, hơn 90% trong số đó được xử lý chủ yếu bằng công nghệ chôn lấp.

Hầu hết rác thải sinh hoạt hiện nay được xử lý tại các bãi chôn lấp, với hơn 900 bãi được thống kê nhưng chỉ dưới 20% trong số đó đạt tiêu chuẩn vệ sinh Nhiều bãi chôn lấp thiếu hệ thống thu gom khí và không đạt quy chuẩn kỹ thuật về xử lý nước rỉ rác Một số bãi chôn lấp nằm cách khu dân cư chỉ 200 – 500 m, tạo ra nguy cơ lớn cho sức khỏe cộng đồng do nước rỉ rác chưa được xử lý có thể xâm nhập vào nguồn nước ngầm và bề mặt, gây ô nhiễm đất và nước, đồng thời phát sinh mùi hôi khó chịu.

Tổng quan về nước rỉ rác

1.2.1 Khái niệm và quá trình hình thành nước rỉ rác

Nước rỉ rác là loại nước rò rỉ phát sinh từ nhiều nguồn như nước mưa, nước bề mặt, nước tưới tiêu, và nước ngầm thấm vào bãi chôn lấp Nó cũng bao gồm nước có sẵn trong chất thải rắn và nước sinh ra từ các phản ứng hóa sinh phân hủy chất hữu cơ Nước rỉ rác chứa nhiều tạp chất ô nhiễm hòa tan và các chất lơ lửng, hình thành qua các quá trình lý, hóa và sinh học diễn ra trong bãi chôn lấp.

Hình 1.3 Nước rỉ rác từ bãi rác tại huyện Nga Sơn, tỉnh Thanh Hóa [65]

Nước rỉ rác được hình thành khi nước thấm vào ô chôn lấp Nước rỉ rác phát sinh chủ yếu từ một số nguồn chính như sau:

- Nước có trong rác chôn lấp và quá trình phân hủy rác:

Lượng nước trong bãi chôn lấp phụ thuộc vào hàm ẩm của vật liệu và quá trình phân hủy rác Tại Việt Nam, rác thải sinh hoạt thường có hàm ẩm khoảng 60-70%, cung cấp lượng nước cần thiết cho các phản ứng hóa học trong bãi chôn lấp, từ đó tạo ra nước rỉ rác.

Nước mưa đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành nước rỉ rác tại các bãi chôn lấp, có diện tích từ 5 ha đến 50 ha Lượng nước mưa lớn, tùy thuộc vào thời tiết và khí hậu từng mùa, ảnh hưởng trực tiếp đến khối lượng nước rỉ rác phát sinh và làm thay đổi đặc tính của nó.

Nước mặt và nước ngầm có thể xâm nhập vào bãi chôn lấp, làm tăng khối lượng nước rỉ rác, chủ yếu do thiết kế bãi chôn lấp gần các nguồn nước mà không được gia cố kỹ thuật Trong mùa mưa lũ, nước có thể thấm và tràn vào bãi chôn lấp, tuy nhiên, hiện tượng này chủ yếu xảy ra ở các bãi chôn lấp nhỏ và không tuân thủ quy chuẩn thiết kế.

- Nước có trong vật liệu phủ:

Nước trong vật liệu phủ phụ thuộc vào nguồn gốc của vật liệu và điều kiện khí hậu Hiện nay, ngoài việc sử dụng đất tại hiện trường và rác thải xây dựng làm vật liệu phủ, người ta còn áp dụng tấm HDPE.

6 phủ bằng chất dẻo) Tuy nhiên, lượng nước này không lớn và chỉ phát sinh trong thời điểm ban đầu

1.2.2 Ảnh hưởng nước rỉ rác đến sức khỏe con người

Nước rỉ rác và các chất độc hại phát sinh từ bãi rác là nguyên nhân chính gây ra nhiều bệnh tật cho con người Hơn nữa, việc quy hoạch các bãi rác lớn gần khu dân cư được coi là một quyết định sai lầm, theo GS-TS Lê Huy Bá, Viện trưởng Viện Khoa học Công nghệ và Quản lý Môi trường.

Nước rỉ rác chứa các chất hữu cơ bán phân giải có khả năng gây độc hại cho sức khỏe con người và môi trường Các hộ dân trong bán kính 3-4 km từ bãi rác sẽ chịu ảnh hưởng nặng nề, trong khi phạm vi an toàn ít bị ảnh hưởng là từ 8-10 km Việc xác định hướng gió, khảo sát địa chất, đất đai và nguồn nước là cần thiết trước khi xây dựng bãi rác Nước rỉ rác ngấm từ trên xuống, do đó, người dân sử dụng nước giếng khoan ở độ sâu chỉ từ 30 cm có nguy cơ cao bị ô nhiễm.

Việc xử lý nước rỉ rác là rất cần thiết, đặc biệt tại Việt Nam, nơi các bãi chôn lấp rác thải thường nằm gần khu dân cư Sự ảnh hưởng của nước rỉ rác trong bán kính 40 mét là điều không thể tránh khỏi.

1.2.3 Thành phần và đặc tính nước rỉ rác

1.2.3.1 Thành phần nước rỉ rác

Hiện nay, Việt Nam chưa thực hiện phân loại rác thải từ nguồn phát sinh, dẫn đến nước rỉ rác có thành phần phức tạp và thay đổi theo thời gian Nước rỉ rác tại các bãi rác chứa nhiều chất hữu cơ, bao gồm muối amoni, kim loại nặng và các muối vô cơ, gây ô nhiễm đất, nước ngầm và nước bề mặt.

Thành phần nước rỉ rác trong các bãi chôn lấp bị biến đổi qua 5 giai đoạn:

Trong giai đoạn này, quá trình phân hủy sinh học hiếu khí diễn ra, trong đó các hợp chất hữu cơ dễ dàng bị oxy hóa thành những dạng đơn giản như protein, xenlulozo, tinh bột và chất béo Thời gian diễn ra giai đoạn này thường kéo dài từ vài ngày đến vài tuần.

Trong giai đoạn này, khi các vi sinh vật hiếu khí đã tiêu thụ hết oxy, vi sinh vật kị khí bắt đầu hoạt động, dẫn đến các phản ứng chuyển hóa sinh học Các gốc nitrat và sunfat sẽ bị khử thành N2 và H2S, trong khi pH giảm do sự gia tăng của các acid hữu cơ và hàm lượng CO2.

Trong giai đoạn acid hóa, vi sinh vật kị khí phát triển mạnh mẽ, tạo ra acid hữu cơ và khí H2 Dưới điều kiện yếm khí, các vi sinh vật dị dưỡng cũng tham gia vào quá trình chuyển hóa các hợp chất hữu cơ đơn giản.

7 đường và các amino acid,…sản phẩm của quá trình là các acid béo bay hơi, rượu,

CO2 và N2, trong giai đoạn acid hóa pH tiếp tục giảm xuống Thông thường giai đoạn này kéo dài tương dài từ vài năm cho đến hang chục năm

Giai đoạn lên men sinh metan

Trong giai đoạn này, cổ khuẩn sinh khí metan xuất hiện, chuyển hóa các hợp chất đơn giản thành CO2 và CH4 cùng với các khí khác Tỷ lệ BOD/COD trong nước rỉ rác thường thấp.

Giai đoạn cuối của quá trình ủ rác tại các bãi chôn lấp (BCL) tiếp tục phân hủy các chất hữu cơ, tạo ra khí metan và CO2 Tốc độ sinh khí đã giảm đáng kể do phần lớn các chất đã được khử trong các giai đoạn trước Thành phần nước rỉ rác được chia thành hai nhóm.

Các chất hữu cơ: Các chất hữu hòa tan, các acid béo, acid humic, acid fulvic, tannin và các loại hợp chất hữu cơ có nguồn gốc nhân tạo

Các chất vô cơ: Lưu huỳnh, các hợp chất của nitơ, photpho, các ion kim loại hòa tan

Trong nước rỉ rác tại các bãi chôn lấp, có thể tìm thấy một số hợp chất như selenat, bari, liti, borat, sunfua, arsenat, thủy ngân và coban, tuy nhiên, nồng độ của các hợp chất này thường ở mức tương đối thấp.

Các phương pháp xử lý nước rỉ rác

Phương pháp xử lý nước rỉ rác bao gồm các kỹ thuật sinh học, cơ học và hóa học, hoặc kết hợp các phương pháp này với nhau Nước rỉ rác có thể được xử lý đồng thời với nước thải sinh hoạt để nâng cao hiệu quả xử lý.

Để xử lý nước rỉ rác, nên áp dụng phương pháp cơ học kết hợp với xử lý sinh học và hóa học Phương pháp cơ học có chi phí thấp và phù hợp với sự thay đổi thành phần của nước rỉ rác Tuy nhiên, nước rỉ rác từ bãi rác mới chôn lấp thường chứa nhiều chất hữu cơ phân hủy sinh học, nên xử lý sinh học sẽ mang lại hiệu quả cao hơn Đối với nước rỉ rác từ bãi chôn lấp lâu năm, quá trình xử lý hóa học là lựa chọn thích hợp.

1.3.1 Phương pháp xử lý cơ học

Phương pháp xử lý sơ bộ nước rỉ rác bao gồm các bước lắng và lọc, nhằm tách các vật rắn nổi lớn và loại bỏ các tạp chất có thể lắng Quá trình này giúp giảm tải lượng chất ô nhiễm cho hệ thống xử lý tiếp theo, nâng cao hiệu quả của việc xử lý nước thải.

Nước rỉ rác chứa các chất không tan ở dạng lơ lửng, cần được tách ra bằng các phương pháp cơ học như lắng trọng lực và tuyển nổi Việc lựa chọn công nghệ xử lý phù hợp phụ thuộc vào kích thước, nồng độ các chất lơ lửng, tính chất lý hóa và lưu lượng nước thải.

Bể lắng cát là một hệ thống xử lý nước, nơi nước chảy vào theo phương ngang Dưới tác động của trọng lực, các hạt cát, đất, chất lơ lửng và bông cặn sẽ được loại bỏ và rơi xuống hố thu ở đáy bể, sau đó được xả ra ngoài.

Tuyển nổi là quá trình loại bỏ các chất lơ lửng trong nước bằng cách sử dụng bọt khí nhỏ, giúp các hạt cặn kết dính và nổi lên bề mặt Khi bọt khí kết hợp với cặn, khối lượng riêng của chúng sẽ giảm, cho phép chúng nổi lên trên mặt nước, từ đó dễ dàng được loại bỏ bằng cánh gạt Quá trình này không chỉ làm sạch nước mà còn giúp làm đặc bùn sinh học hiệu quả.

- Lắng: Chất lơ lững và bông cặn được loại bỏ do trọng lực

- Bốc hơi: Lượng nước rỉ rác bị bốc hơi mất (phụ thuộc vào nhiệt độ, gió, độ ẩm và mưa)

Xử lý nước thải bằng phương pháp cơ học có nhiều ưu điểm nổi bật, bao gồm tính đơn giản, dễ vận hành và quản lý, cùng với chi phí thấp Phương pháp này hiệu quả trong việc loại bỏ chất lơ lửng và thường được áp dụng như bước sơ bộ trước khi tiến hành xử lý sinh học.

❖ Nhược điểm: Xử lý cơ học chỉ hiệu quả đối với các chất không tan, không tạo được kết tủa đối với các chất lơ lửng

1.3.2 Phương pháp xử lý hóa lý

Trong nguồn nước, nhiều hạt tồn tại dưới dạng keo mịn phân tán với kích thước từ 0,1 đến 10 micromet, khiến chúng không nổi và không lắng, do đó khó tách biệt Kích thước nhỏ của các hạt này làm tăng tỷ số diện tích bề mặt so với thể tích, làm cho hiện tượng hóa học bề mặt trở nên quan trọng Để tách các chất rắn lơ lửng, kim loại nặng và một phần chất hữu cơ trong nước rỉ rác, phương pháp hóa lý sử dụng hóa chất và bể phản ứng là cần thiết.

Hệ keo trong nước có thể bị mất ổn định do sự phân tán nhanh của hóa chất keo tụ, dẫn đến việc loại bỏ hiệu quả các chất hữu cơ, chất rắn lơ lửng (SS), photphate, một số kim loại và độ đục khỏi nước.

Muối nhôm, sắt và polymer là những hóa chất keo tụ phổ biến trong xử lý nước thải Khi nước thải được trộn với các chất keo tụ như phèn nhôm hoặc phèn sắt và khuấy nhanh, sẽ hình thành các hạt bông nhỏ Những hạt bông này sau đó được chuyển qua bể tạo bông, nơi có bổ sung chất trợ keo, tiếp tục khuấy trộn để tạo ra các hạt bông lớn hơn.

Cacbon hoạt tính được sử dụng để hấp thụ COD, BOD còn lại, các chất độc hại và các hợp chất hữu cơ khó phân hủy Ngoài ra, nó cũng có khả năng hấp thụ một số kim loại Cacbon thường được cung cấp dưới hai dạng chính là bột và hạt.

❖ Ưu điểm: Hiệu quả xử lý cao, không gian xử lý không lớn, dễ sử dụng và quản lý Nguyên liệu, các hóa chất dễ kiếm

❖ Nhược điểm: Chi phí hóa chất cao và thường tạo ra các sản phẩm phụ độc hại (chủ yếu là do sự có mặt của một số hóa chất)

1.3.3 Phương pháp xử lý hóa học

Phương pháp xử lý hóa học là kỹ thuật sử dụng các chất oxy hóa để phân hủy các hợp chất hữu cơ khó phân hủy trong nước rỉ rác, đồng thời cũng có tác dụng khử trùng nước này.

Các phương pháp xử lý hóa học:

- Khử trùng nước thải: là phương pháp sử dụng clo và các hợp chất của clo để tiêu diệt hết các vi khuẩn gây bệnh trong nước rỉ rác

Phương pháp oxy hóa là quá trình cung cấp oxy cho nước rỉ rác nhằm oxy hóa các kim loại như Fe 2+, tạo thành kết tủa và loại bỏ chúng khỏi nước rỉ rác.

❖ Ưu điểm: Xử lý được nhiều thành phần ô nhiễm, hiệu quả cao, chi phí thấp

❖ Nhược điểm: Tạo ra các thành phần ô nhiễm thứ cấp, gây ảnh hưởng tới môi trường tự nhiên

1.3.4 Phương pháp xử lý sinh học Đây là phương pháp đặc biệt hiệu quả để xử lý nước rỉ rác, nhất là đối với những bãi chôn lấp mới do tỷ lệ BOD5/COD > 0,5 chứng tỏ trong đó có hàm lượng cao các chất hữu cơ có thể phân hủy được bằng cách sử dụng phương pháp sinh học

Phương pháp này dựa vào hoạt động sống của vi sinh vật để chuyển hoá các chất hữu cơ như protein, hydratcacbon và lipid, những thành phần chính gây ô nhiễm trong nước thải Sự hiện diện của chúng với hàm lượng cao làm giảm lượng oxy hòa tan trong nước Quá trình chuyển hoá sinh học bắt đầu từ thủy phân ngoại bào vật liệu hữu cơ thành các đơn vị cấu trúc như đường, acid amin, glyxerin và acid béo Sau đó, vi sinh vật sử dụng các vật liệu này để phát triển sinh khối hoặc chuyển hoá thành các chất thứ cấp nhằm thu nhận năng lượng và vật liệu cấu trúc tế bào, tiếp tục quá trình chuyển hoá.

Chế phẩm vi sinh trong xử lý nước thải

1.4.1 Vi sinh vật trong xử lý nước thải Đặc điểm chung của vi sinh vật: Vi sinh vật có kích thước rất nhỏ bé với kích cỡ là micromet, sinh trưởng và phát triển rất nhanh, so với các loài sinh vật khác thì VSV có tốc độ sinh trưởng và phát triển lớn hơn rất nhiều Ngoài ra, chúng còn có năng lực thích nghi với môi trường tốt và đa dạng về chủng loại Vì thế, ngày nay việc áp dụng công nghệ sinh học càng được ưu tiên trong lĩnh vực xử lý nước thải Qua quá trình thực tế cũng đã chứng minh hiệu quả và những ưu điểm mà phương pháp sinh học mang lại là rất tốt, hơn cả những phương pháp xử lý khác

Xử lý nước thải bằng vi sinh vật đáp ứng mục đích đưa dòng thải vào vòng tuần

Nước thải được xử lý và phân hủy theo chu trình sinh học tự nhiên, giúp bảo vệ môi trường Quá trình này không sử dụng các biện pháp hóa học can thiệp, do đó nước thải sau khi xử lý giữ được tính chất tự nhiên và sạch hơn, sẵn sàng được đưa trở lại môi trường.

Trong xử lý nước thải, quá trình xử lý sinh học là phương pháp hiệu quả để làm sạch nước thải chứa chất bẩn hữu cơ hòa tan và huyền phù Các hợp chất hữu cơ có thể tồn tại dưới nhiều dạng khác nhau và thường đóng vai trò là cơ chất cho vi sinh vật Vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ và khoáng chất làm nguồn dinh dưỡng và năng lượng, từ đó phát triển và sinh trưởng Quá trình phân hủy chất hữu cơ nhờ vi sinh vật được gọi là quá trình oxy hóa sinh hóa Do đó, việc xem xét sự hiện diện của vi sinh vật trong nước thải là rất quan trọng để tối ưu hóa quá trình xử lý và tạo điều kiện thuận lợi cho chúng phát triển.

Các quá trình đồng hóa và dị hóa trong tế bào vi khuẩn được xúc tác bởi nhiều loại enzyme, chia thành enzyme nội bào và enzyme ngoại bào Enzyme ngoại bào có vai trò quan trọng trong việc xúc tác các phản ứng chuyển hóa các phân tử lớn và phức tạp thành các phân tử nhỏ hơn, giúp chúng dễ dàng thẩm thấu qua màng tế bào Trong nước thải, vi khuẩn có khả năng hấp thụ các chất hữu cơ hòa tan đơn giản, phục vụ cho quá trình chuyển hóa trao đổi chất của chúng.

1.4.1.1 Vi khuẩn thuộc loài loài Bacillus

Bacillus là một trong những vi sinh vật đầu tiên được phát hiện vào cuối thế kỷ 19, đánh dấu sự phát triển của ngành vi sinh vật học Chi vi khuẩn này bao gồm gần 200 loài hiếu khí, có hình dạng que và khả năng sinh nội bào tử, giúp chúng chống chịu các điều kiện môi trường khắc nghiệt Bacillus phân bố rộng rãi trong các hệ sinh thái tự nhiên, từ môi trường trên cạn đến dưới nước, bao gồm cả nước ngọt và nước mặn, từ vùng ven bờ đến đáy đại dương.

Theo phân loại của Bergey (1974), Bacillus sp thuộc Lớp Bacilli, Bộ Bacillales, Họ Bacillaceae và Giống Bacillus Đây là loại vi khuẩn Gram dương, hiếu khí, nổi bật với khả năng sinh nội bào tử, giúp chúng chống chịu tốt trong các điều kiện môi trường khắc nghiệt.

Kích thước tế bào sinh dưỡng dao động từ 0.5-1.2 μm x 2.5-10 μm, trong khi kích thước bào tử nằm trong khoảng 0.42-0.98 μm x 1.22-2 μm Nội bào tử thường có hình dạng oval, tròn, hình trụ hoặc hình thận Dưới điều kiện bất lợi, mỗi tế bào chỉ tạo ra một nội bào tử.

21 duy nhất, nội bào tử thường nằm ở trung tâm tế bào hoặc nằm lệch về một trong hai đầu của tế bào

Hầu hết các loài vi khuẩn Bacillus có khả năng phát triển trong môi trường nhân tạo với thành phần dinh dưỡng đơn giản Chúng thường được phân lập từ đất và nước, và điều kiện hình thành bào tử của chúng cũng dễ dàng xác định.

Vi khuẩn Bacillus sp có khả năng sản sinh nhiều enzyme quan trọng như α-amylase, protease và lipase Chúng thường phát triển tốt trong khoảng nhiệt độ từ 30 đến 45 độ C, nhưng một số chủng có thể phát triển tối ưu ở 65 độ C, trong khi một vài chủng ưa lạnh có thể sống ở nhiệt độ thấp đến 0 độ C Bacillus sp có thể tồn tại trong dải pH rộng từ 2 đến 11 và có khả năng chống chịu tốt với các yếu tố môi trường khắc nghiệt như nhiệt độ cao, tia UV và tia gamma Khi gặp điều kiện môi trường và dinh dưỡng thuận lợi, chúng có thể chuyển từ dạng bào tử sang dạng sinh trưởng Loài vi khuẩn này thường được tìm thấy và phân lập từ đất và nước.

Nhóm Bacillus subtilis bao gồm nhiều chủng như B subtilis, B spizizenii, B mojavensis, B vallismortis, B clausii, B atrophaeus, B amyloliquefaciens, B licheniformis, B sonorensis, B firmus, B lentus và B sporothermodurans Các chủng trong nhóm này có quan hệ họ hàng chặt chẽ nhưng thường khó phân biệt, đặc biệt là về kiểu hình Chúng đều là vi sinh vật ưa nhiệt, phát triển tốt trong điều kiện pH cao, có kích thước nhỏ hơn 1 μm, túi bào tử không phình to và bảo tử có hình elip Một số chủng như B subtilis, B spizizeni, B mojavensis và B vallismortis rất khó phân biệt và chỉ khác nhau ở mức độ nhất định trong kiểu gen.

1.4.1.2 Vi khuẩn thuộc loài Paracoccus

Paracoccus, được đề xuất lần đầu bởi Davis và cộng sự vào năm 1969, thuộc họ Rhodobacteraceae trong lớp Alphaproteobacteria Vi khuẩn này nổi bật với khả năng oxy hóa mạnh, hoạt tính catalase, và khả năng phát triển ở cả môi trường hiếu khí lẫn kị khí, đồng thời là chủng gram âm Chúng được phân lập từ nhiều môi trường như đất, lò phản ứng sinh học, bùn hoạt tính, nước biển và trầm tích Paracoccus có khả năng sử dụng nhiều hợp chất hữu cơ, bao gồm cả các chất ô nhiễm như axeton và methylamine, làm nguồn cacbon và năng lượng cho sự phát triển Ngoài ra, Paracoccus đóng vai trò quan trọng trong các chu trình sinh địa hóa và được ứng dụng trong xử lý sinh học các môi trường ô nhiễm, như xử lý đất bị ô nhiễm hydrocacbon thơm đa vòng (PAHs) với chủng vi khuẩn Paracoccus sp HPD-2.

1.4.2 Chế phẩm vi sinh vật trong xử lý nước thải

Chế phẩm sinh học (CPSH) là sản phẩm được tổng hợp từ các vi sinh vật với đặc tính và năng lực vượt trội CPSH có sự đa dạng về chủng loại và sở hữu nhiều đặc điểm khác nhau, được sản xuất thông qua các phương pháp sinh học.

Các chế phẩm sinh học (CPSH) xử lý nước thải chủ yếu chứa vi khuẩn Bacillus, như B subtilis, B mojavensis và B licheniformis Những vi khuẩn này thường được ứng dụng trong xử lý nước thải, có thể kết hợp với các enzyme như amylaza và proteaza để nâng cao hiệu quả xử lý.

Việc áp dụng vi khuẩn Bacillus trong sản xuất chế phẩm xử lý nước thải đang trở thành xu hướng nghiên cứu và ứng dụng nổi bật hiện nay Phương pháp này được chú trọng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm xử lý nước thải từ chế biến thực phẩm, nuôi trồng thủy sản và nước thải sinh hoạt.

Việc ứng dụng các chủng Bacillus trong chế phẩm xử lý nước thải đã được triển khai trên toàn cầu từ lâu và đã chứng minh hiệu quả cao Nhiều nghiên cứu đã công bố kết quả tích cực về khả năng xử lý nước thải của các chủng này.

Nghiên cứu của Deng và cộng sự [32] đã tạo lập thành công chế phẩm MBFA9 từ chủng vi khuẩn Bacillus mucilagionosus để xử lý nước thải tinh bột

Luận giải xây dựng nội dung nghiên cứu

Áp lực gia tăng từ các bãi chôn lấp dẫn đến lượng nước rỉ rác tăng, ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe con người và xã hội Phương pháp xử lý sinh học sử dụng vi sinh vật để chuyển hóa chất thải thành sinh khối, phục vụ cho các mục đích thứ cấp Qua đó, quá trình xử lý ô nhiễm không chỉ là khắc phục vấn đề mà còn khai thác ô nhiễm thành tài nguyên hữu ích cho các ứng dụng khác.

Xử lý sinh học nước rỉ rác tận dụng khả năng thích ứng nhanh của vi sinh vật để chuyển hóa các chất ô nhiễm thành nguồn dinh dưỡng, từ đó giảm thiểu ô nhiễm và cải thiện chất lượng môi trường Phương pháp này không chỉ hiệu quả trong việc xử lý chất thải mà còn thân thiện với con người.

Việc ứng dụng phương pháp sinh học trong xử lý nước rỉ rác đang trở thành xu hướng phổ biến nhờ vào những ưu điểm vượt trội và hiệu quả cao mà nó mang lại Để đáp ứng nhu cầu này, đề tài “Nghiên cứu tạo chế phẩm và bước đầu xử lý nước rỉ rác” được thực hiện nhằm phát triển một chế phẩm chứa tổ hợp các chủng vi sinh vật có khả năng phân giải nước rỉ rác hiệu quả Nghiên cứu tập trung vào việc lựa chọn và kết hợp các chủng vi sinh vật dựa trên các tiêu chí cụ thể để tạo ra chế phẩm sinh học tối ưu.

- Khả năng sinh trưởng và phát triển nhanh;

- Tốc độ xử lý ô nhiễm (tính theo hàm lượng COD) cao;

- Khả năng kết lắng tốt và tạo bông bùn lớn;

- Các chủng an toàn sinh học

Nội dung cụ thể của nghiên cứu:

Chúng tôi đã tuyển chọn các chủng vi sinh vật có khả năng xử lý nước rỉ rác từ bộ sưu tập giống tại Bộ môn Vi sinh – Hóa sinh – Sinh học Phân tử, thuộc Viện Công nghệ sinh học và Công nghệ thực phẩm, Đại học Bách Khoa Hà Nội.

(2) Xác định và tối ưu hóa điều kiện lên men sản xuất chế phẩm từ các chủng đã được tuyển chọn thành công

(3) Đánh giá năng lực xử lý của chế phẩm thông qua các chỉ số ô nhiễm trong nước rỉ rác ở quy mô phòng thí nghiệm 5L

VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP