PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG CÔNG NGHỆ MÀNG BIOFILM HIẾU KHÍ XỬ LÝ NƯỚC THẢI CÓ HÀM LƯỢNG ĐẠM CAO VỚI LƯỢNG PHÁT THẢI KHÍ NHÀ KÍNH TỐI THIỂU

Xử lý đạm trong nước thải công nghiệp và nước thải sinh hoạt là công đoạn cần thiết để bảo vệ các thủy vực tiếp nhận khỏi hiện tượng phú dưỡng hóa. Để xử lý nước thải giàu đạm amoni (NH₄⁺) bằng các bể bùn hoạt tính thường phải qua 2 giai đoạn để thực hiện quá trình nitrate hóa và khử nitrate hóa. Phương pháp này thường rất tốn kém do phải: (1) cung cấp năng lượng điện lớn để sục khí, (2) cung cấp carbon hữu cơ cho giai đoạn khử nitrate hóa, và (3) xử lý bùn hoạt tính dư thừa (Ahn, 2006). Mặt khác, phát thải khí nitrous oxide (N₂O) trong quá trình xử lý nước thải đang là vấn đề được quan tâm hiện nay do đây là khí gây hiệu ứng nhà kính nghiêm trọng và là nguyên nhân gây suy giảm tầng ozone. Mỗi phân tử N₂O bắt giữ năng lượng nhiệt gấp gần 300 lần phân tử CO₂ (Ciais et al., 2013; IPCC, 2007). Một số nghiên cứu cho thấy lượng phát thải khí N₂O từ các nhà máy xử lý nước thải được coi là một trong những nguồn phát thải nhân tạo chủ yếu và có thể chiếm đến 78,4% tổng lượng phát thải tính theo CO₂ của các nhà máy xử lý nước thải (Law et al 2012; Daelman et al, 2013). Vì vậy, nhóm nghiên cứu đã thực hiện dự án phát triển hệ thống xử lý nước thải dùng công nghệ màng lọc biofilm hiếu khí (MABR) để thực hiện quá trình nitrate hóa và khử nitrate hóa đồng thời và phân tích khả năng giảm phát thải N₂O của hệ thống xử lý này.

Biofilm trong hệ thống MABR có đặc tính khuếch tán cơ chất ngược, trong đó oxy được cung cấp từ màng lọc hiếu khí (thuộc phần gốc của biofilm, nơi biofilm bám vào và phát triển) (Hình 1). Trong trường hợp nước thải có chứa carbon hữu cơ và NH₄⁺, phương thức khuếch tán cơ chất ngược này tạo ra môi trường trong đó nồng độ carbon hữu cơ được duy trì ở mức tối đa với nồng độ oxy hòa tan (DO) tối thiểu, là điều kiện phù hợp để cải thiện hiệu suất quá trình khử nitrate. Với đặc điểm này, nhóm nghiên cứu đã đưa ra giả thuyết rằng MABR có chức năng giảm thiểu phát thải N₂O tốt hơn so với bể xử lý dựa trên phản ứng màng sinh học thông thường (CBR) (Hình 1).

Mục đích của chúng tôi trong nghiên cứu này là nhằm trả lời các câu hỏi: (1) dạng biofilm có hình thái khuếch tán cơ chất ngược trong biofilm của hệ thống MABR có lượng phát thải N₂O thấp hơn so với biofilm trong hệ thống CBR hay không; (2) cấu trúc hệ vi sinh vật trong biofilm của hệ thống MABR khác biệt hay tương tự như hệ vi sinh trong biofilm của hệ thống CBR, và (3) yếu tố nào góp phần giảm hay tăng phát thải N₂O trong 2 dạng hệ thống xử lý nước thải. Để trả lời những câu hỏi này, chúng tôi sử dụng các vi điện cực (microsensors) để đo đạc nồng độ N₂O ở các vị trí khác nhau theo độ dày biofilm và tại các vị trí khác nhau của biofilm trên 2 hệ thống. Bên cạnh đó, phương pháp vi sinh học phân tử như PCR định lượng, giải trình tự gene thông lượng cao dựa trên mẫu khuếch đại gene 16S rRNA, và đặc tính di truyền (metagenomic) của hệ vi sinh trên các mẫu biofilm đã được phân tích.

Kết quả nghiên cứu cho thấy các biofilm có hình thái khuếch tán cơ chất ngược được sử dụng trong MABR phát thải lượng N₂O thấp hơn 130 lần và phát thải NO thấp hơn 2 lần so với các màng sinh học đồng khuếch tán được sử dụng trong CBR (Hình 2). MABR cũng có hiệu suất sử dụng oxy cao hơn 20% và hiệu suất loại bỏ đạm tổng cao hơn 12% so với CBR ở cùng điều kiện hoạt động.

Các phân tích sinh học phân tử cho thấy biofilm trong hệ thống MABR có độ đa dạng cao hơn, nổi bậc là sự hiện diện của các nhóm vi sinh vật mang gene khử nitrate hóa, đặc biệt là gene nitrous oxide reductase (nosZ). Các chi Thauera, Rhizobium, Stenotrophomonas, Sphingobacteria và Brevundimonas là những nhóm vi khuẩn được ghi nhận khả năng khử N₂O phân bố phổ biến trong hầu hết mẫu theo độ dày của biofilm trong hệ thống MABR. Kết quả nghiên cứu của chúng tôi có ý nghĩa quan trọng khi lần đầu tiên làm rõ các cơ chế phát thải NO và N₂O thấp của biofilm có hình thái khuếch tán cơ chất ngược trong MABR so với biofilm trong bể xử lý sinh học thông thường. Đây là minh chứng cho thấy công nghệ MABR để thực hiện phản ứng nitrate hóa và khử nitrate đồng thời là công nghệ hiệu quả có thể ứng dụng để xử lý đạm trong các nhà máy công nghiệp có hàm lượng phát thải đạm cao với lượng phát thải khí nhà kính N₂O tối thiểu.

Nguồn: Kinh et al (2017). https://doi.org/10.1016/j.watres.2017.07.058

Tác giả: Cô Thị Kính