Tài liệu Nghiên cứu vi sinh vật sinh methane ứng dụng cho sản xuất biogas trong điều kiện môi trường nước lợ và nước mặn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THU HOÀI NGHIÊN CỨU VI SINH VẬT SINH METHANE ỨNG DỤNG CHO SẢN XUẤT BIOGAS TRONG ĐIỀU KIỆN MÔI TRƯỜNG NƯỚC LỢ VÀ NƯỚC MẶN LUẬN ÁN TIẾN SĨ SINH HỌC Hà Nội – 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THU HOÀI NGHIÊN CỨU VI SINH VẬT SINH METHANE ỨNG DỤNG CHO SẢN XUẤT BIOGAS TRONG ĐIỀU KIỆN MÔI TRƯỜNG NƯỚC LỢ VÀ NƯỚC MẶN Chuyên ngành: VI SINH VẬT HỌC Mã số: 62 420107 LUẬN ÁN TIẾN SĨ SINH HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. TS. Đinh Thúy Hằng 2. GS. TS. Nguyễn Lân Dũng Hà Nội - 2015 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Đây là công trình nghiên cứu của tôi và một số kết quả cộng tác cùng với các cộng sự khác. Các số liệu trình bày trong luận án là trung thực, một phần đã được công bố trên các tập san và tạp chí khoa học chuyên ngành với sự đồng ý của các đồng tác giả. Phần còn lại chưa được công bố trong bất kỳ một công trình nào khác. Tác giả luận án Nguyễn Thu Hoài LỜI CẢM ƠN Thành công của Luận án này là kết quả của sự cố gắng nỗ lực bản thân trong suốt quá trình nghiên cứu, tìm hiểu đề tài. Đồng thời bản thân tôi còn nhận được sự giúp đỡ và tạo điều kiện của các thầy cô hướng dẫn, các anh chị và các bạn đồng nghiệp. Trước tiên, cho phép tôi gửi lời cảm ơn chân thành tới tập thể cán bộ Phòng Sinh thái Vi sinh vật, Phòng Công nghệ Enzyme - Protein của Viện Vi sinh vật và Công nghệ sinh học - Đại học Quốc Gia Hà Nội vì đã tạo mọi điều kiện, giúp đỡ về cơ sở vật chất cũng như khích lệ tôi trong quá trình thực tập Nghiên cứu sinh. Với tấm lòng biết ơn sâu sắc tôi xin được gửi cảm ơn tới TS. Đinh Thúy Hằng - Trưởng phòng Sinh thái Vi sinh vật, Viện Vi sinh vật và Công nghệ sinh học - ĐHQGHN là người trực tiếp định hướng nghiên cứu, hướng dẫn và chỉ bảo tận tình cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án. Đồng gửi lời cảm ơn tới GS.TS Nguyễn Lân Dũng - chuyên gia cao cấp của Viện Vi sinh vật và Công nghệ sinh học - người đã cho tôi nhiều lời khuyên bảo và giúp đỡ trong thời gian nghiên cứu luận án. Tôi cũng gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban lãnh đạo Viện Vi sinh vật và Công nghệ sinh học - ĐHQGHN đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cơ sở vật chất giúp tôi hoàn thành Luận án này. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn Thường vụ Đảng ủy, Ban Tổng Giám đốc Trung tâm nhiệt đới Việt - Nga đã tạo điều kiện giúp đỡ và khuyến khích, động viên tôi trong suốt quá trình làm Nghiên cứu sinh. Tôi mong muốn được cảm ơn đến Phân viện trưởng và các bạn đồng nghiệp của Phân viện Công nghệ sinh học, Trung tâm nhiệt đới Việt - Nga đã nhiệt tình giúp đỡ, động viên, tạo mọi điều kiện thời gian và cơ sở vật chất trong suốt thời gian tham gia làm Nghiên cứu sinh. Tôi cũng muốn gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS. TS. Bùi Thị Việt Hà - Chủ nhiệm Bộ môn Vi sinh vật, các thầy cô giáo của Bộ môn Vi sinh vật học và Khoa sinh học, Trường Đại học Khoa học tự nhiên - ĐHQGHN đã trực tiếp giảng dạy và giúp đỡ tôi trong khóa học Nghiên cứu sinh. Cuối cùng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình, bạn bè và người thân đã luôn ủng hộ, cổ vũ và động viên tôi vượt qua mọi khó khăn trong quá trình học tập và nghiên cứu. Hà Nội, ngày 05 tháng 12 năm 2015 Nguyễn Thu Hoài MỤC LỤC Trang Lời cam đoan Lời cảm ơn Mục lục 1 Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt 5 Danh mục các bảng 6 Danh mục các hình vẽ, đồ thị 7 MỞ ĐẦU 10 Chương 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. 12 Xử lý chất thải hữu cơ theo công nghệ phân hủy kỵ khí sinh methane trong điều kiện nhiễm mặn 12 1.1.1. Ô nhiễm chất thải hữu cơ trong môi trường nhiễm mặn 12 1.1.2. Xử lý ô nhiễm chất hữu cơ bằng phân hủy kỵ khí 14 1.1.3. Xử lý chất thải hữu cơ bằng phân hủy kỵ khí trong điều kiện nhiễm mặn 18 1.2. Bản chất sinh học của phân hủy kỵ khí sinh methane 21 1.3. Đa dạng di truyền và đặc tính sinh học của VSVSMT 25 1.3.1. Phân bố của VSVSMT trong tự nhiên 25 1.3.2. Vị trí phân loại của VSVSMT 26 1.3.3. Đặc tính sinh học của VSVSMT 30 1.3.3.1. Cơ chất của quá trình phân hủy kỵ khí sinh methane 1.3.3.2. Sinh hóa của quá trình phân hủy kỵ khí sinh methane 32 1.3.3.3. Một số phương pháp nghiên cứu quần xã VSVSMT 35 1.3.3.4. VSVSMT trong môi trường nước lợ và nước biển 1.4. 30 37 Công nghệ xử lý chất thải hữu cơ bằng phân hủy kỵ khí sinh methane 40 1.4.1. Một số công nghệ phổ biến 40 1.4.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến phân hủy kỵ khí sinh methane 43 1.4.2.1. Cân bằng dinh dưỡng 43 1.4.2.2. Các yếu tố lý hóa và sinh học 44 1 1.5. Nghiên cứu về VSVSMT và công nghệ phân hủy kỵ khí tạo biogas ở Việt Nam Chương 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Vật liệu 46 48 48 2.1.1. Đối tượng, vật liệu nghiên cứu 48 2.1.2. Hóa chất, môi trường và thiết bị 48 2.2. Phương pháp nghiên cứu 49 2.2.1. Làm giàu và phân lập VSVSMT 49 2.2.1.1. Làm giàu VSVSMT 49 2.2.1.2. Phân lập VSVSMT 50 2.2.2. Nghiên cứu các đặc tính sinh học của VSVSMT 51 2.2.2.1. Quan sát đặc điểm hình thái 51 2.2.2.2. Xác định ảnh hưởng của các điều kiện nuôi cấy đến sinh trưởng của VSVSMT 51 2.2.3. Tách DNA tổng số từ mẫu môi trường và chủng thuần khiết 52 2.2.3.1. Tách DNA tổng số từ mẫu môi trường 52 2.2.3.2. Tách DNA tổng số của chủng thuần khiết 53 2.2.3.3. Điện di DNA trên gel agarose 54 2.2.4. Phương pháp PCR- DGGE 54 2.2.4.1. Khuếch đại đoạn 16S rDNA cho phân tích DGGE 54 2.2.4.2. Điện di biến tính DGGE 55 2.2.4.3. Cắt băng và thôi gel 55 2.2.5. Phân tích trình tự 16S rDNA của các chủng VSVSMT 56 2.2.6. Thiết lập và phân tích thư viện gen mcrA(clone library) 57 2.2.6.1. Nhân PCR và tinh sạch sản phẩm 57 2.2.6.2. Phản ứng ghép nối gen vào vector 57 2.2.6.3. Biến nạp DNA plasmid vào tế bào khả biến E.coli DH5α bằng phương pháp sốc nhiệt 57 2.2.6.4. Tách dòng và giải trình tự gen mcrA 58 2.2.6.5. Phân tích trình tự gen mcrA và dựng cây phân loại 59 2 2.2.7. Phân tích hóa học 59 2.2.7.1. Phân tích COD hòa tan 59 2.2.7.2. Xác định hàm lượng muối trong nước 60 2.2.7.3. Xác định tổng thể tích khí sinh ra trong quá trình phân hủy kỵ khí 61 2.2.7.4. Xác định hàm lượng methane trong mô hình thí nghiệm 61 2.2.7.5. Xác định hoạt tính sinh methane 62 2.2.8. Thiết lập mô hình phân hủy kỵ khí chất thải hữu cơ ở điều kiện nước lợ và nước mặn 63 64 2.3. Sơ đồ mô tả các bước thí nghiệm Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Làm giàu VSVSMT từ trầm tích biển Nha Trang và Cát Bà 65 65 3.1.1. Làm giàu VSVSMT trong môi trường nước lợ 65 3.1.2. Làm giàu VSVSMT trong môi trường nước mặn 67 3.2. VSVSMT chiếm ưu thế trong các mẫu làm giàu 70 3.2.1. Mẫu làm giàu bằng methanol và acetate 70 3.2.2. Mẫu làm giàu bằng rong biển Ulva sp. 72 3.2.2.1. Phân tích bằng PCR-DGGE đoạn 16S rDNA 3.2.2.2. Đánh giá VSVSMT trong mẫu làm giàu bằng rong biển qua thư viện gen mcrA 72 73 3.3. Phân lập VSVSMT từ các mẫu làm giàu 78 3.4. Nghiên cứu đặc tính sinh học của các chủng VSVSMT phân lập 84 3.4.1. Khả năng sinh methane của các chủng VSVSMT phân lập 84 3.4.2. Ảnh hưởng của độ mặn tới sinh trưởng của hai chủng M7 và M37 86 3.4.3. Các đặc điểm sinh học của chủng M37 88 3.5. Tạo nguồn VSVSMT để hỗ trợ quá trình phân hủy kỵ khí ở điều kiện nước lợ và nước mặn 93 3.5.1. Lựa chọn nguồn VSVSMT phù hợp 93 3.5.2. Tạo giống khởi động VSVSMT 95 3.5.3. Bảo quản nguồn VSVSMT trong điều kiện phòng thí nghiệm 99 3 3.6.Thiết lập và vận hành mô hình kỵ khí xử lý chất thải hữu cơ theo phương pháp phân hủy kỵ khí sinh methane ở điều kiện nước lợ và nước mặn 99 3.6.1. Thiết lập mô hình 99 3.6.2. Vận hành mô hình 101 3.6.3. Đánh giá VSVSMT chiếm ưu thế trong các mô hình 105 KẾT LUẬN 108 KIẾN NGHỊ 109 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 110 TÀI LIỆU THAM KHẢO 111 PHỤ LỤC 4 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT AF Anaerobic Filter Bp Base pair BKM Bùn kỵ khí ưa mặn BSA Bovin serum albumin VSVSMT Vi sinh vật sinh methane CTAB Cetyl trimethyl ammonium bromide COD Chemical oxygen demand DGGE Denaturing gradient gel electrophoresis DMSO Dimethyl sulfoxide DNA Deoxyribonucleic acid dNTP 2’- deoxyribonucleotide 5’- triphosphate EDTA Ethylenediamintetraacetic acid EtBr Ethidium bromide IPTG Isopropylthio - β - D – glucosamine LB Môi trường Luria – Bertani mcrA Đoạn gen mã hóa cho tiểu phần α của methyl - coenzyme M reductase MPN Most probable number MQ Mili – Q SDS Sodium dodecyl sunfate TAE Tris – acetate – EDTA TE Tris – EDTA TEMED Tetramethylethylenediamine PCI Phenol - Chloroform - Isoamyl alcohol PCR Polymerase Chain Reaction RT-PCR Realtime PCR UASB Upflow Anaerobic Sludge Blanket X-Gal 5-bromo-4-chloro-3-indolyl-β-D-galactoside 5 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Tên bảng Trang 1.1 Đặc điểm các chi thuộc 5 bộ VSVSMT 28 2.1 Thành phần phản ứng và chu kỳ nhiệt của PCR cho DGGE 55 2.2 PCR khuếch đại đoạn 16S rDNA để định danh VSVSMT 56 3.1 VSVSMT trong mẫu làm giàu NTLRE3 bằng rong biển Ulva sp. 75 3.2 VSVSMT phân lập từ các mẫu làm giàu của trầm tích biển Nha Trang và Cát Bà 79 3.3 Vị trí phân loại của mười chủng VSVSMT phân lập dựa trên so sánh trình tự đoạn 16S rDNA 82 3.4 Khả năng sinh khí biogas và mức độ phát huỳnh quang của tế bào ở các chủng VSVSMT phân lập 85 3.5 Ảnh hưởng của nồng độ NaCl tới sinh trưởng của hai chủng VSVSMT M7 và M37 86 3.6 Nguồn hữu cơ trong các mô hình 101 3.7 Sự biến động của COD (mg/L) trong các mô hình nghiên cứu 102 6 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình Tên hình Trang 1.1 Một số nguồn chất thải hữu cơ tại các vùng ven biển Việt Nam 13 1.2 Chuyển hóa cacbon hữu cơ trong phân hủy hiếu khí và kỵ khí 14 1.3 Hầm biogas loại nhỏ phổ biến ở các gia đình nông thôn Việt Nam 17 1.4 Các nhóm vi sinh vật tham gia vào quá trình phân hủy kỵ khí sinh methane 21 1.5 Vi khuẩn acetogen và VSVSMT trong bùn kỵ khí từ bể biogas 24 1.6 Cây phân loại thể hiện vị trí của VSVSMT so với các ngành cổ khuẩn khác dựa trên trình tự 16S rRNA 27 1.7 Hình thái tế bào của một số loài VSVSMT đã được mô tả 29 1.8 Con đường hình thành methane từ acetate, methanol và CO2 32 1.9 Sơ đồ mcr-operon ở VSVSMT Methanosarcina mazei 33 1.10 Hình ảnh VSVSMT dưới kính hiển vi huỳnh quang 34 1.11 Cơ chế tác động của các chất ức chế oxyanion nhóm VI tới quá trình khử sulfate ở vi khuẩn khử sulfate 39 1.12 Bể tự hoại hai ngăn 40 1.13 Sơ đồ bể biogas xử lý chất thải có hàm lượng hữu cơ cao 41 1.14 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bể UASB 42 1.15 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của tầng lọc kỵ khí 42 2.1 Rong biển (Ulva sp.) sử dụng trong thí nghiệm phân hủy kỵ khí sinh methane 48 2.2 Các bước phân lập chủng thuần khiết VSVSMT bằng phương pháp ống thạch bán lỏng 50 2.3 Nguyên lý của phương pháp cột nước xác định tổng lượng khí sinh ra từ bể phân hủy kỵ khí 61 2.4 Đồ thị chuẩn xác định hàm lượng methane trên thiết bị sắc ký khí 62 2.5 Mô hình phân hủy kỵ khí chất hữu cơ sinh methane và hệ thống đo tổng lượng khí sinh ra bằng phương pháp cột nước 63 7 2.6 Sơ đồ các bước nghiên cứu 64 3.1 Khí tạo thành trong các mẫu làm giàu VSVSMT từ trầm tích biển Nha Trang và Cát Bà trong môi trường nước lợ bằng các cơ chất khác nhau 66 3.2 Khí tạo thành trong các mẫu làm giàu VSVSMT từ trầm tích biển Nha Trang và Cát Bà trong môi trường nước mặn bằng các cơ chất khác nhau 68 3.3 Gel điện di biến tính DGGE phân tích 16S rDNA của VSVSMT trong các mẫu làm giàu từ trầm tích biển Nha Trang và Cát Bà 70 3.4 Gel điện di biến tính DGGE phân tích 16S rDNA của VSVSMT trong các mẫu làm giàu từ trầm tích biển Nha Trang và Cát Bà bằng rong biển Ulva sp. 72 3.5 Cấu trúc quần xã VSVSMT của mẫu làm giàu NTLRE3 dựa trên phân tích thư viện gen mcrA 74 3.6 Cây phát sinh chủng loại dựa trên trình tự đoạn gen mcrA của 44 dòng tế bào so sánh với các loài VSVSMT gần gũi 76 3.7 Gel điện di biến tính DGGE đoạn 16S rDNA của 10 chủng VSVSMT phân lập 80 3.8 Cây phát sinh chủng loại dựa trên trình tự đoạn 16S rDNA của các chủng VSVSMT đại diện và các băng điện di biến tính 82 3.9 Ảnh hưởng của nồng độ NaCl tới khả năng sinh CH4 của hai chủng M7 và M37 87 3.10 Hình thái tế bào và cây phát sinh chủng loại của chủng M37 89 3.11 Ảnh hưởng của điều kiện môi trường nuôi cấy đến mức tăng trưởng và sinh methane ở chủng M37 90 3.12 Sinh trưởng và sinh methane ở chủng M37 trên các nguồn cơ chất khác nhau 92 3.13 Khả năng sinh methane của chủng M37 so với mẫu làm giàu NTLRE3 tại cùng một điều kiện nuôi cấy 94 3.14 Tỷ lệ methane được sinh ra bởi VSVSMT trong môi trường khoáng bổ sung cám gạo lên men trong điều kiện nước lợ, nước mặn 96 3.15 Bình nuôi giống khởi động VSVSMT từ mẫu làm giàu NTLRE3 và chủng M37 với cám gạo lên men trong môi trường nước biển 97 8 sau 15 ngày 3.16 Quy trình bảo quản VSVSMT trong điều kiện phòng thí nghiệm 99 3.17 Sự biến động COD (A) và tỷ lệ khí methane (B) trong các mô hình thí nghiệm phân hủy kỵ khí 102 3.18 Gel điện di biến tính đoạn 16S rDNA của cổ khuẩn có mặt trong các mô hình thí nghiệm 105 9 MỞ ĐẦU Biogas (khí sinh học) là sản phẩm khí được sinh ra khi phân hủy chất thải hữu cơ trong điều kiện kỵ khí. Thành phần chủ yếu của khí sinh học là methane (chiếm 60-70% tổng thể tích khí biogas). Phân hủy kỵ khí được áp dụng trong thực tiễn dưới nhiều hình thức công nghệ khác nhau như bể tự hoại, bể biogas, bể FA, bể UASB... để phân hủy các chất thải hữu cơ, góp phần giải quyết các vấn đề có tính chiến lược như xử lý chất thải hữu cơ trong quá trình phát triển đô thị, trong sản xuất công nghiệp và chăn nuôi và tận thu năng lượng từ chất thải. Ở Việt Nam, dự án “Chương trình Khí sinh học cho Ngành Chăn nuôi Việt Nam” do Cục Chăn nuôi, thuộc Bộ NN & PTNT và Tổ chức hợp tác phát triển Hà Lan thực hiện là dự án lớn nhất về khí sinh học. Công nghệ phân hủy chất thải hữu hữu cơ tạo khí sinh học có thể giúp quản lý vệ sinh chuồng trại, xử lý chất thải và tận thu năng lượng tái tạo từ quá trình xử lý. Tuy nhiên các mô hình công nghệ đã triển khai ở dự án mới chỉ áp dụng trong điều kiện môi trường nước ngọt còn môi trường nước lợ hoặc nước mặn thì dự án lại chưa thực hiện thành công. Hiện nay tại các đơn vị quân đội, chất thải hữu cơ từ hoạt động sinh hoạt và chăn nuôi tăng gia chủ yếu được xử lý thông qua cách thu gom và chôn lấp hoặc sử dụng các chế phẩm vi sinh vật để thúc đẩy quá trình phân hủy hiếu khí. Các biện pháp đang sử dụng mới chỉ giải quyết được một phần nhỏ chất thải là rác hữu cơ, còn lại một lượng lớn chất thải dạng lỏng từ hệ thống nhà tiêu và các hoạt động chăn nuôi gia súc gia cầm vẫn chưa được xử lý tới kết quả mong muốn vì thiếu công nghệ phù hợp và quá trình phân hủy sinh học ở điều kiện môi trường có nồng độ muối cao bị ức chế thường diễn ra với tốc độ chậm (Nguyễn Thị Nhung, 2009). 10 Việc phát triển công nghệ xử lý chất thải hữu cơ theo nguyên lý kỵ khí hứa hẹn một giải pháp hữu hiệu góp phần xử lý các nguồn chất thải sinh hoạt và chăn nuôi một cách hiệu quả, ngăn chặn ảnh hưởng của chất thải (mùi, mầm bệnh) tới môi trường sống, đồng thời có thể tận thu năng lượng từ chất thải dưới dạng khí sinh học, đặc biệt có ý nghĩa đối với những khu vực địa lý cách biệt như hải đảo. Để có thể đưa công nghệ này vào hoạt động tại các khu vực ven biển và hải đảo, vi sinh vật sinh methane (VSVSMT) – nhóm vi sinh vật giữ vị trí then chốt của công nghệ, cần được nghiên cứu và tiến tới tạo nguồn VSVSMT có hoạt tính cao, thích nghi tốt với môi trường nước lợ và nước mặn, chủ động hỗ trợ quá trình vận hành công nghệ. Đề tài: “Nghiên cứu vi sinh vật sinh methane ứng dụng cho sản xuất biogas trong điều kiện môi trường nước lợ và nước mặn” nhằm mục đích nghiên cứu tập hợp vi sinh vật sinh methane có hoạt tính sinh học cao, thích nghi tốt với điều kiện môi trường nước lợ và nước mặn để chủ động hỗ trợ cho các công nghệ xử lý kỵ khí, áp dụng cho nhiều dạng chất thải hữu cơ hiện đang đe dọa môi trường sống tại các vùng dân cư, các khu du lịch cũng như nơi bộ đội đóng quân ở ven biển, hải đảo. Nội dung nghiên cứu gồm: (1) Làm giàu quần thể VSVSMT sinh trưởng trong môi trường nước lợ và nước mặn từ các mẫu trầm tích biển với nhiều loại cơ chất khác nhau; (2) Nghiên cứu cấu trúc quần thể VSVSMT dựa trên gen mã hóa 16S rRNA và gen mcrA; (3) Phân lập một số chủng VSVSMT, nghiên cứu các đặc điểm sinh lý, sinh hóa và phân loại của chúng. Bảo quản các chủng đơn và mẫu quần thể trong điều kiện đảm bảo hoạt tính ổn định; (4) Đánh giá hoạt tính tạo khí sinh học của các quần thể làm giàu trong các điều kiện môi trường khác nhau (nồng độ muối, nhiệt độ, pH) và với các chất thải là bùn đầm nuôi tôm, rong biển có bổ sung nước biển. 11 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. XỬ LÝ CHẤT THẢI HỮU CƠ THEO CÔNG NGHỆ PHÂN HỦY KỴ KHÍ SINH METHANE TRONG ĐIỀU KIỆN NHIỄM MẶN 1.1.1. Ô nhiễm chất thải hữu cơ trong môi trường nhiễm mặn Ở các khu vực ven biển, nguồn ô nhiễm chất hữu cơ dễ phân hủy bao gồm chất thải sinh hoạt từ các khu dân cư, các hoạt động nuôi trồng và chế biến thủy hải sản, chất thải của các khu vực chăn nuôi gia súc, gia cầm và các sản phẩm phụ nông nghiệp… Sự ô nhiễm chất thải hữu cơ này sẽ gây ảnh hưởng lớn đến môi trường sinh thái nếu chất thải không được xử lý triệt để. Tại nhiều nước có ngành công nghiệp đánh bắt và chế biến hải sản lớn trên thế giới như Úc, Na Uy, Canada, Nhật Bản..., dạng nguồn thải hữu cơ quan trọng thường gặp ở các vùng ven biển là chất thải từ các hoạt động đánh bắt và chế biến hải sản có hàm lượng muối cao tương đương nước biển (Jenning và Kaiser, 1998; Kennish, 2002). Do quá trình phân hủy sinh học ở môi trường có nồng độ muối cao diễn ra với tốc độ chậm, việc tìm kiếm công nghệ phù hợp để xử lý loại chất thải này một cách hiệu quả được nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm nghiên cứu. Lefebvre và cộng sự (2007) đã chỉ ra vai trò của các VSVSMT chịu mặn và ưa mặn (thuộc các chi Methanosaeta và Methanobacterium) trong bể lên men kỵ khí, cho phép bể có thể vận hành một cách hiệu quả ở môi trường có nồng độ NaCl từ 10 – 60 g/L (Lefebvre et al., 2007). Các VSVSMT này có thể được tạo ra trong quá trình thích nghi bùn kỵ khí thông thường ở điều kiện muối cao trong thời gian dài. Trong nghiên cứu khác, Ferreira (2012) cho thấy bùn nạo vét từ các đầm nuôi hải sản có hàm lượng muối cao (10 – 20 g/L) có thể được sử dụng làm cơ chất cho quá trình lên men kỵ khí sinh methane để thu năng lượng một cách hiệu 12 quả nếu có bổ sung các VSVSMT đã thích nghi trước đó với nồng độ muối cao và cân bằng dinh dưỡng (C:N:P) trong bể lên men được kiểm soát. Ở Việt Nam, chất thải sinh hoạt của nhiều vùng dân cư ven biển và hải đảo hiện đang là một trong trong những vấn nạn môi trường. Rác thải, chất thải hữu cơ từ các hoạt động sản xuất và sinh hoạt không được xử lý mà thải thẳng ra biển sẽ gây ô nhiễm nghiêm trọng (Hình 1.1A). Do quá trình phân hủy sinh học trong môi trường biển chậm nên lượng chất thải này ngày càng tích lũy và gây ảnh hưởng không nhỏ cho các cơ quan quản lý cũng như hoạt động kinh doanh trên biển. Hoạt động nuôi trồng thủy sản cũng tạo ra một phần không nhỏ lượng chất thải bao gồm thức ăn dư thừa, xác chết và phân của vật nuôi. Đồng bằng sông Cửu Long - một trong những vùng nuôi thủy hải sản trọng điểm của Việt Nam hiện đang đối mặt với hiện trạng suy giảm chất lượng nước và ô nhiễm môi trường do bùng phát việc nuôi thâm canh thủy sản mà chất thải tích tụ tại những lớp bùn lớn dưới đáy ao nuôi là một trong những nguyên nhân chính (Hình 1.1B). A B Hình 1.1. Một số nguồn chất thải hữu cơ tại các vùng ven biển Việt Nam Theo số liệu thống kê của Viện khoa học thủy lợi Việt Nam, năm 2000 diện tích nuôi tôm ở đồng bằng sông Cửu Long chỉ là 250.000 ha, đến năm 13 2011 diện nuôi tôm của 8 tỉnh ven biển thuộc đồng bằng sông Cửu Long đã lên trên 580.000 ha, chiếm trên 80% diện tích nuôi tôm của cả nước (www.vawr.org.vn). Riêng trong việc nuôi cá tra và tôm sú ở đồng bằng sông Cửu Long mỗi năm có đến hàng triệu tấn thức ăn không được tiêu hóa hết. Ngoài ra, lượng chất thải hữu cơ giàu protein, lipit và các phụ phẩm khác của thủy sản mực, tôm, cá…cũng rất lớn. Nước thải trong sản xuất chế biến (chiếm 85 - 90% tổng lượng nước thải) từ hoạt động rửa nguyên liệu, chế biến, vệ sinh dụng cụ thiết bị cũng là nguồn thải nhiễm hữu cơ nặng cần được xử lý (www.fistenet.gov.vn). 1.1.2. Xử lý ô nhiễm chất hữu cơ bằng phân hủy kỵ khí Bản chất của phương pháp sinh học trong xử lý chất thải hữu cơ là dựa vào hoạt động sống của vi sinh vật (các loài bản địa cũng như các loài có hoạt tính cao được bổ sung vào hệ thống xử lý) mà các chất hữu cơ ô nhiễm được khoáng hóa tạo thành khí CO2, CH4 và nước. CO2 40-50% COD 100% Biogas 70-90% COD 100% Hiếu khí Kỵ khí Dòng chảy 5-10% Dòng chảy Bùn 5- 15% 10-30% Bùn 50- 60% A B Hình 1.2. Chuyển hóa cacbon hữu cơ trong phân hủy hiếu khí (A) và kỵ khí (B) (Lettinga, 1995) Biện pháp sinh học trong xử lý chất thải hữu cơ được chia thành hai dạng chính: (i) phương pháp hiếu khí dựa trên hoạt động của các vi sinh vật hiếu khí với oxy là chất nhận điện tử cần được cung cấp liên tục để đảm bảo 14 hoạt động sống của vi sinh vật và (ii) phương pháp kỵ khí dựa trên hoạt động của các vi sinh vật không có nhu cầu về oxy trong quá trình sinh trưởng. So với quá trình phân hủy hiếu khí, quá trình kỵ khí (Hình 1.2) có nhiều ưu điểm như sau (Lettinga, 1995; Bitton, 1999): - Phân hủy kỵ khí sử dụng CO2 sẵn có trong môi trường làm chất nhận điện tử, không có nhu cầu về oxy từ bên ngoài, do vậy làm giảm giá thành xử lý nước/chất thải một cách đáng kể. - Lượng bùn tạo ra trong phân hủy kỵ khí thấp hơn nhiều so với phân hủy hiếu khí (3 ÷ 20 lần) do sinh khối tạo ra ít (hiệu suất sinh năng lượng từ vi khuẩn kỵ khí thấp). Nếu như trong hô hấp hiếu khí, 50% cacbon hữu cơ được chuyển thành sinh khối thì trong hô hấp kỵ khí chỉ có 5%, theo đó với 1 tấn COD bị phân hủy thì chỉ có 20 ÷ 100 kg sinh khối tế bào được tạo thành trong phân hủy kỵ khí, so với 500 ÷ 600 kg tạo thành trong phân hủy hiếu khí (Lettinga, 1995). - Phân hủy kỵ khí tạo sản phẩm cuối cùng là biogas với thành phần chủ yếu là khí methane (50 ÷ 70%), loại khí có nhiệt năng cao được sử dụng làm nhiên liệu đốt hay chuyển thành điện năng. Chỉ có khoảng 3 ÷ 5% cơ chất bị thất thoát dưới dạng nhiệt. Ngoài ra quá trình phân hủy kỵ khí còn sinh ra một số sản phẩm khác như CO2 (25 ÷ 45%), H2S (0 ÷1%), CO (0 ÷ 2 %), N2 (0 ÷ 2%), NH3 (0 ÷ 1%), O2 (0 ÷ 2%) (Graaf và Fendler, 2010). Các khí tạp này cần phải được loại bỏ (thông qua các hệ thống lọc phù hợp) để biogas sau đó có thể sử dụng làm nhiên liệu đốt hay phát điện. - Phân hủy kỵ khí thích hợp với các nguồn chất thải có hàm lượng hữu cơ rất cao và có thể vận hành với tải trọng hữu cơ lớn. 15