Tái chế bùn thải sinh học thành nguyên liệu tạo ra chế phẩm vi sinh vật
Hướng nghiên cứu mới này đã được sự quan tâm, hỗ trợ của Bộ Khoa học và Công nghệ, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam trong việc đầu tư trang thiết bị cho Phòng thí nghiệm Hóa – Vi sinh vật môi trường (8,75 tỉ đồng), chủ trì thực hiện 2 đề tài (1,47 tỷ và 98 triệu đồng). Từ tháng 8/2009 đến nay, nhóm nghiên cứu đã đạt được một số kết quả quan trọng, đặt nền tảng cho sự phát triển của hướng nghiên cứu mới này ở Việt Nam.
Bùn thải sinh học là bùn thải phát sinh từ các hệ thống xử lý nước thải theo phương pháp sinh học. Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế - xã hội, bùn thải sinh học đang trở thành một gánh nặng cho các doanh nghiệp không chỉ ở Việt Nam mà ngay cả ở các nước có nền kinh tế, khoa học kỹ thuật tiên tiến trên thế giới. Theo cục bảo vệ môi trường Mỹ (US-EPA), chi phí xử lý bùn thải chiếm tới 50% chi phí vận hành của toàn hệ thống. Ở Việt Nam, bùn thải chủ yếu được xử lý bằng cách ép loại nước, phơi khô, đổ bỏ hay chôn lấp, chỉ một phần rất nhỏ được sử dụng làm phân bón. Việc đổ bỏ, chôn lấp bùn thải đã và đang gây ra sự ô nhiễm môi trường nghiêm trọng.
Theo các nghiên cứu trong những năm gần đây, bùn thải sinh học có tiềm năng để tái sử dụng cho các mục đích khác nhau bởi thành phần chủ yếu của bùn thải là các vi sinh vật dư thừa của công đoạn xử lý sinh học với hàm lượng chất hữu cơ, nitơ và phốt pho cao. Ý tưởng tái sử dụng bùn thải làm môi trường thay thế cho môi trường nhân tạo để nuôi cấy vi sinh vật nhằm nâng cao giá trị của bùn thải lần đầu tiên được phát triển bởi giáo sư R.D. Tyagi thuộc Viện Nghiên cứu khoa học quốc gia, Quebec, Canada (INRS). Ưu điểm nổi bật của hướng nghiên cứu này là tận dụng thành phần dinh dưỡng trong bùn thải để thay thế cho môi trường nhân tạo đắt tiền thường được sử dụng trong quá trình nuôi cấy vi sinh vật để tạo ra các sản phẩm sinh học có ích như chế phẩm sinh học cho cải tạo đất, thuốc trừ sâu sinh học, màng PE, hóa chất keo tụ,... Việc tận dùng bùn thải vừa giúp giảm giá thành vừa góp phần bảo vệ môi trường.
Trong quá trình thực hiện đề tài, nhóm nghiên cứu đã tiến hành điều tra, khảo sát, lấy mẫu và phân tích chất lượng bùn thải sinh học của hệ thống xử lý nước thải thuộc nhiều nhóm ngành sản xuất khác nhau như: xử lý nước thải sinh hoạt, sản xuất bia, chế biến nông sản thực phẩm… nhằm sàng lọc và lựa chọn được loại bùn thích hợp, không chứa độc chất, phù hợp cho việc tái sử dụng theo mục đích của hướng nghiên cứu. Kết quả đạt được cho thấy, bùn thải phát sinh từ hệ thống xử lý nước thải của nhà máy bia và hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt có sự ổn định cao và có đặc tính tương đối giống với loại bùn thải được sử dụng trong nghiên cứu ở Canada về hàm lượng dinh dưỡng và độc tố. Thậm chí, bùn thải của Việt Nam còn có hàm lượng hữu cơ, nitơ và phốt pho cao hơn so với bùn thải đang được thử nghiệm ở quy mô pilot 2000 L ở Canada.
Sau một thời gian hợp tác nghiên cứu, các nhà khoa học đã tiếp thu, nắm vững được toàn bộ các quy trình nghiên cứu quan trọng do GS. R.D. Tyagi (INRS) chuyển giao thông qua đào tạo tại Canada và chủ động tiến hành nghiên cứu thử nghiệm tại Việt Nam, bao gồm:
Các phương pháp xử lý bùn thải sinh học thành môi trường nuôi cấy vi sinh vật. Nhờ đó, có thể áp dụng linh hoạt các phương pháp xử lý bùn khác nhau để tiền xử lý bùn thải sinh học cho phù hợp với từng loại vi sinh vật.
Cách thức nghiên cứu để tối ưu sự phát triển của các vi sinh vật trên môi trường bùn thải để tạo ra được sản phẩm sinh học với năng suất cao và chất lượng tốt nhất.
Thử nghiệm trên đối tượng bùn thải ở Việt Nam với kết quả bước đầu khá khả quan. Một số chủng vi sinh vật hữu ích như Bacillus thuringiensis (dùng để sản xuất thuốc trừ sâu sinh học), Rhizobium (vi khuẩn cố định đạm) đã được thử nghiệm và cho thấy có khả năng phát triển tốt trên môi trường bùn thải của nhà máy bia (với nồng độ của bùn thải là 20 g MLSS/L). Mật độ tế bào và nồng độ độc tính delta-endotoxin của vi khuẩn Bacillus thuringiensis khi nuôi trên môi trường bùn thải đạt lần lượt là 4,7x108 CFU/mL và 619 mg/L. Vi khuẩn Rhizobium cũng phát triển tốt trên môi trường bùn thải với mật độ tế bào đạt 2,6x108 CFU/mL.
Bên cạnh đó, nhóm các nhà khoa học cũng hợp tác nghiên cứu và đánh giá khả năng ứng dụng của chất keo tụ sinh học dựa trên việc nuôi cấy một số chủng vi sinh vật sinh EPS (hợp chất polymer ngoại bào) trên môi trường bùn thải. Các thí nghiệm này được tiến hành tại Việt Nam song song với phòng thí nghiệm của GS. R.D. Tyagi tại Canada. Kết quả nghiên cứu đã cho thấy chất keo tụ sinh học (sử dụng trực tiếp hỗn hợp sau nuôi cấy mà không cần phải tách chiết ra khỏi môi trường nuôi cấy) có hoạt tính keo tụ cao với kaolin: hiệu quả xử lý độ đục đạt 76,5 %, khả năng tách nước của bùn sau keo tụ được cải thiện đáng kể (CST giảm từ 31.5 s xuống 16 s, CST=20 s là giá trị cần để bùn có thể tách nước tốt). Đây là một hướng nghiên cứu mới và có khả năng ứng dụng nhiều trong xử lý nước thải và ổn định bùn thải. Chất keo tụ sinh học có khả năng thay thế hoặc giảm thiểu lượng polymer hóa học, chất keo tụ hóa học và những chất hóa học có tiềm năng gây độc cho sức khỏe con người và môi trường sinh thái hiện đang được sử dụng phổ biến trên thị trường.
Như vậy, sau 3 năm thực hiện chuyển giao, nghiên cứu về nâng cao giá trị bùn thải, nhóm các nhà nghiên cứu thuộc Viện Công nghệ môi trường do PGS.TS. Nguyễn Hồng Khánh chủ trì đã bước đầu tiếp nhận được các kỹ thuật nghiên cứu cơ bản, đánh giá được khả năng thành công và tính đúng đắn của hướng nghiên cứu mới tại Việt Nam. Các kết quả thu được còn mở ra triển vọng sản xuất, ứng dụng vào thực tế cho các chế phẩm sinh học, vật liệu sinh học bằng cách nuôi cấy các vi sinh vật hữu ích trên môi trường làm từ bùn thải để thay thế cho các môi trường nhân tạo có giá thành cao như: các loại chế phẩm ứng dụng cho nông lâm nghiệp (thuốc trừ sâu sinh học và các vi khuẩn kháng nấm, bệnh trên cây công nghiệp, chế phẩm dùng trong cải tạo đất trồng cây); Hóa chất keo tụ sinh học (dùng trong xử lý nước thải và bùn thải); Chế phẩm sinh học dùng cho xử lý nước thải (xử lý kim loại nặng, thuốc nhuộm, hợp chất hữu cơ khó phân hủy trong nước rác); Polyme sinh học dùng trong sản xuất túi đựng, màng bao gói tự phân hủy.
Những kết quả thu được cho thấy, đây thực sự là một hướng nghiên cứu mới vừa tạo ra được sản phẩm thân thiện môi trường vừa góp phần cải tạo và xử lý môi trường, phù hợp với định hướng phát triển bền vững của Nhà nước.
