Luận văn Nghiên cứu xử lý nước thải tinh bột khoai mì bằng quá trình lọc sinh học hiếu khí

Nội dung nghiên cứu của đề tài bao gồm các phần như sau:- Tổng quan về nước thải tinh bột khoai mì.- Tìm hiểu về các phương pháp xử lý nước thải tinh bột khoai mì hiện nay.- Tổng quan về quá trình lọc sinh học hiếu khí.- Xây dựng mô hình và vận hành mô hình thí nghiệm với nhiều tải trọng khác nhau.- Xử lý số liệu thực nghiệm và đưa ra kết luận về tải trọng tối ưu và thông số động học của quá trình.

Chương 1

MỞ ĐẦU

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

1.2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

1.5 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Việt Nam là một đất nước nông nghiệp và đang không ngừng công nghiệp hóatheo xu thế của toàn cầu Chính vì lẽ đó mà cả những sản phẩm nông nghiệp cũngđược đưa vào ngành công nghiệp, đặc biệt là công nghiệp chế biến

Khoai mì là một cây nông nghiệp đã được công nghiệp hóa rất thành công Ởnước ta, khoai mì được trồng từ Nam ra Bắc Cùng với việc trồng, từ lâu nhân dân ta

đã chế biến thành lương thực cho người, gia súc (sắn lát) hoặc chế biến thành nhữngmón ăn dân dã như làm bánh, nấu chè…Nhiều ngành công nghiệp và chế biến thựcphẩm có sử dụng tinh bột khoai mì cũng rất phát triển dẫn đến nhu cầu tinh bột khoai

mì tăng nhanh chóng

Việc sản xuất tinh bột khoai mì này đã tạo ra một lượng nước thải rất lớn ảnhhưởng đến môi trường mà chúng ta không thể xem thường được Nguồn nước thảitrên có pH thấp, chứa hàm lượng cặn cao, khó phân hủy, bốc mùi chua nồng ảnhhưởng đến môi trường xung quanh Nguồn nước thải này thường không được xử lýtriệt để, có nơi còn không xử lý mà xả trực tiếp ra môi trường hoặc ra cống thoátnước thải sinh hoạt Nó gây ảnh hưởng đến đời sống sản xuất và sinh hoạt của ngườidân

Chính vì những lý do đó mà việc xây dựng hệ thống xử lý cho loại nước thải này

là rất cần thiết Nước thải tinh bột khoai mì có hàm lượng chất hữu cơ dễ phân hủysinh học cao nên xử lý bằng phương pháp sinh học là một sự lựa chọn phù hợp Đề

tài: “Nghiên cứu xử lý nước thải tinh bột khoai mì bằng quá trình lọc sinh học

hiếu khí” được thực hiện nhằm đánh giá khả năng xử lý nước thải ngành sản xuất

tinh bột khoai mì bằng phương pháp lọc sinh học hiếu khí và qua đó đề xuất tải trọng

xử lý tối ưu cho loại nước thải này

1.2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Mục tiêu chính của đề tài là nghiên cứu hiệu quả xử lý nước thải tinh bột khoai

mì bằng quá trình lọc sinh học hiếu khí để:

- Xác định hiệu quả xử lý tại các tải trọng khác nhau, từ đó xác định được tảitrọng tối ưu

- Xác định các thông số động học của quá trình

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Nội dung nghiên cứu của đề tài bao gồm các phần như sau:

- Tổng quan về nước thải tinh bột khoai mì

- Tìm hiểu về các phương pháp xử lý nước thải tinh bột khoai mì hiện nay

- Tổng quan về quá trình lọc sinh học hiếu khí

- Xây dựng mô hình và vận hành mô hình thí nghiệm với nhiều tải trọng khácnhau

- Xử lý số liệu thực nghiệm và đưa ra kết luận về tải trọng tối ưu và thông sốđộng học của quá trình

1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Đề tài được thực hiện dựa trên các phương pháp nghiên cứu như sau:

- Phương pháp thu thập tài liệu: dữ liệu được thu thập từ các kết quả nghiêncứu, các tài liệu và các trang web có liên quan

- Phương pháp khảo sát thực địa: tiến hành khảo sát về tính chất, thành phầnnước thải

- Phương pháp xây dựng mô hình: vận hành mô hình mô phỏng ở quy môphòng thí nghiệm để xử lý nước thải

- Phương pháp phân tích: các thông số đo và phương pháp phân tích tương ứngđược trình bày trong bảng sau:

Bảng 1.1: Các thông số và phương pháp phân tích

2 COD Phương pháp đun kín (K2Cr2O7)

4 Nitơ tổng Phương pháp chưng cất Kjeldahl

5 Photpho tổng Phương pháp so màu

1.5 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

- Đối tượng nghiên cứu: nước thải ngành chế biến tinh bột khoai mì

- Phạm vi nghiên cứu: nghiên cứu quá trình lọc sinh học hiếu khí trên mô hình ởqui mô phòng thí nghiệm

Chương 2

TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI

TINH BỘT KHOAI MÌ

2.1 TỔNG QUAN VỀ NGÀNH CHẾ BIẾN TINH BỘT KHOAI MÌ

2.2 GIỚI THIỆU VỀ NƯỚC THẢI NGÀNH CHẾ BIẾN TINH BỘT MÌ 2.3 MỘT SỐ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI TINH BỘT KHOAI MÌ

2.1 TỔNG QUAN VỀ NGÀNH CHẾ BIẾN TINH BỘT KHOAI MÌ

2.1.1 Nguồn gốc lịch sử khoai mì:

Phân loại khoai mì

- Giới (regnum): Plantae

- Ngành (divisio): Magliophyta

- Lớp (class): Magnoliopsida

- Bộ (ordo): Malpighiales

- Họ (familia): Euphorbiaceae

- Phân họ (subfamilia): Crotonoideae

- Tông (tribus): Manihoteae

- Chi (genus): Manihot

- Loài (species): M esculenta

Cây mì có nguồn gốc ở vùng nhiệt đới của châu Mỹ La tinh (Crantz, 1976) vàđược trồng cách đây khoảng 5.000 năm (CIAT, 1993) Trung tâm phát sinh cây mìđược giả thiết tại vùng đông bắc của nước Brasil thuộc lưu vực sông Amazon, nơi cónhiều chủng loại mì trồng và hoang dại (De Candolle 1886; Rogers, 1965) Trungtâm phân hóa phụ có thể tại Mexico và vùng ven biển phía bắc của Nam Mỹ Bằngchứng về nguồn gốc mì trồng là những di tích khảo cổ ở Venezuela niên đại 2.700năm trước Công nguyên, di vật thể hiện củ mì ở cùng ven biển Peru khoảng 2000năm trước Công nguyên, những lò nướng bánh khoai mì trong phức hệ Malabo ởphía Bắc Colombia niên đại khoảng 1.200 năm trước Công nguyên, những hạt tinhbột trong phân hóa thạch được phát hiện tại Mexico có tuổi từ năm 900 đến năm 200trước Công nguyên (Rogers 1963, 1965)

Cây mì được người Bồ Đào Nha đưa đến Congo của châu Phi vào thế kỷ 16 Tài liệunói tới cây mì ở vùng này là của Barre và Thevet viết năm 1558 Ở châu Á, mì được

du nhập vào Ấn Độ khoảng thế kỷ 17 (P.G Rajendran et al, 1995) và Sri Lanka đầuthế kỷ 18 (W.M.S.M Bandara và M.Sikurajapathy, 1992) Sau đó, mì được trồng ởTrung Quốc, Myanma và các nước châu Á khác ở cuối thế kỷ 18, đầu thế kỷ 19(Fang Baiping 1992 U Thun Than 1992) Cây mì đựơc du nhập vào Việt Nam

khoảng giữa thế kỉ 18, (Phạm Văn Biên, Hoàng Kim,1991) Hiện chưa có tài liệuchắc chắn về nơi trồng và năm trồng đầu tiên.

Ở nước ta cây mì được trồng khắp nơi từ Nam ra Bắc, nhiều nhất là ở vùng trung

du miền núi Hiện nay mì là một trong những loại cây hoa màu quan trọng trong cơcấu lương thực ở nước ta

Bảng 2.1: Tình hình phát triển cây mì qua các năm ở nước ta

Khoai mì tươi: Củ mì thường vuột hai đầu Kích thước củ tuỳ thuộc tính chất đất

và điều kiện trồng mà dao động trong khoảng 0.1 – 1.1 m chiều dài và 2 – 8 cmđường kính

- Vỏ gỗ: Chiếm 0.5-3% khối lượng củ, có màu trắng, vàng hoặc nâu Vỏ gỗ cấu

tạo từ cellulose và hemicellulose, hầu như không có tinh bột Nó có tác dụng bảo vệ

củ khỏi bị ảnh hưởng cơ học và hóa học của ngoại cảnh

- Vỏ cùi (vỏ thịt): dày hơn vỏ gỗ nhiều, chiếm khoảng 20% trọng lượng củ Cấu

tạo gồm lớp tế bào thành dày, thành tế bào cấu tạo từ cenluloza, bên trong tế bào làcác hạt tinh bột, hợp chất chứa Nitơ và dịch bào (mủ) – trong dịch bào có tannin, sắc

tố, độc tố, các enzyme… Vì vỏ cùi có nhiều tinh bột (5 – 8%) nên trong chế biến nếutách đi thì tổn thất, không tách thì khó khăn trong chế biến vì nhiều chất trong thànhphần mủ ảnh hưởng đến màu sắc tinh bột

- Thịt mì: là thành phần chủ yếu của củ mì, thành phần bao gồm cellulose và

pentosan ở vỏ tế bào, hạt tinh bột và nguyên sinh chất bên trong tế bào, gluxit hoàtan và nhiều chất vi lượng khác Những tế bào ở lớp ngoài thịt mì chứa nhiều tinhbột, càng sâu vào trong hàm lượng tinh bột giảm dần Ngoài lớp tế bào nhu mô còn

có chứa các tế bào thành cứng không chứa tinh bột, cấu tạo từ cenluloza nên cứngnhư gỗ – gọi là xơ Loại tế bào này nhiều ở đầu cuống, mì lưu niên và những củ biếndạng trong quá trình phát triển Mì lưu 2 năm thì có một lớp xơ, mì lưu 3 năm có hailớp xơ Theo lượng lớp xơ mà biết mì lưu bao nhiêu năm

- Lõi: ở trung tâm, dọc suốt từ cuống tới chuôi củ, chiếm 0.3-1% khối lượng

toàn củ Càng sát cuống, lõi càng lớn và nhỏ dần về phía chuôi củ Lõi cấu tạo chủyếu từ cellulose vào hemicellulose Mì có lõi lớn và nhiều xơ thì hiệu suất và năngsuất của máy xát giảm vì xơ cứng, phần thì xơ kẹt vào răng máy hạn chế khả năngphá vỡ tế bào giải phóng tinh bột Mặt khác, xơ nhiều thì răng máy xát chóng mòn.Ngoài ra còn có các bộ phận khác: cuống, rễ… các phần này cấu tạo chủ yếu làcellulose cho nên mì cuống dài và nhiều rễ thì tỉ lệ tinh bột thấp và chế biến khókhăn

Thành phần hóa học của củ mì dao động trong khoảng khá rộng tùy thuộc vàoloại giống, điều kiện phát triển của cây và thời gian thu hoạch

Bảng 2.2: Thành phần hóa học của khoai mì

9, tháng 10 củ ít tinh bột, hàm lượng nước cao, lượng chất hoà tan nhiều, như vậynếu chế biến mì non không những tỷ lệ thành phẩm thấp mà còn khó bảo quản tươi.Sang tháng 2, tháng 3 lượng tinh bột trong củ lại giảm vì một phần phân huỷ thànhđường để nuôi mầm non trong khi cây chưa có khả năng quang hợp

Đường trong củ mì chủ yếu là glucoza và một lượng mantoza, sacaroza Củ mìcàng già thì hàm lượng đường càng giảm Trong chế biến đường hoà tan trong nướcthải ra theo nước dịch.

Ngoài ra, trong củ mì còn có độc tố, tannin, sắc tố và hệ enzyme phức tạp Nhữngchất này gây khó khăn cho chế biến và nếu qui trình không thích hợp sẽ cho sảnphẩm có chất lượng kém

Có nhiều loại khác nhau về màu sắc, thân cây, lá, vỏ, thịt củ… Tuy nhiên trongcông nghệ sản xuất tinh bột người ta phân thành hai loại: mì đắng và mì ngọt Hailoại này khác nhau về hàm lượng tinh bột và lượng độc tố Nhiều tinh bột thì hiệuquả kinh tế trong sản xuất cao và nhiều độc tố thì quy trình công nghệ phức tạp

- Mì đắng còn gọi là sắn dù Cây thấp (không cao quá 1.2 m), ít bị đổ khi gió to.Năng suất cao, củ mập, nhiều tinh bột, nhiều mủ và hàm lượng axit xianhydric cao

Ăn tươi dễ bị ngộ độc, chủ yếu để sản xuất tinh bột và mì lát Đặc điểm của cây sắn

dù là đốt ngắn, thân cây khi con màu xanh nhạt Cuống lá chỗ nối tiếp thân và câymàu đỏ thẫm, kế đó màu trắng nhạt rồi lại hồng dần Màu vỏ gỗ củ nâu sẫm, vỏ cùi

và thịt sắn điều trắng

- Mì ngọt: có hàm lượng tinh bột thấp, ít độc tố, ăn tươi không ngộ độc, dễ chếbiến Mì ngọt bao gồm tất cả các loại mà hàm lượng axit xianhydric thấp như: mìvàng, mì đỏ, mì trắng…

+ Mì vàng hay còn gọi là sắn nghệ Khi non thân cây màu xanh thẫm, cuống

lá màu đỏ, có sọc nhạt, vỏ gỗ của củ màu nâu, vỏ cùi màu trắng, thịt củ màu vàngnhạt, khi luột màu vàng rõ rệt hơn

+ Mì đỏ thân cây cao, khi non màu xanh thẫm, cuống và gân lá màu đỏ thẫm

Củ dài to, vỏ gỗ màu nâu đậm, vỏ cùi dày, màu hơi đỏ, thịt mì trắng

+ Mì trắng thân cây cao, khi non màu xanh nhạt, cuống lá đỏ Củ ngắn màmập, vỏ gỗ màu sám nhạt, thịt và vỏ cùi màu trắng

2.1.2.2 Công nghệ chế biến tinh bột khoai mì

Khoai mì là một trong những loại hoa màu có hàm lượng tinh bột trong củ tươngđối cao (62-65% lượng chất khô) Mục đích chủ yếu của công nghệ là lấy tinh bộtđến mức tối đa có thể bằng cách phá vỡ cấu trúc thực vật, giải phóng tinh bột, do tinhbột không hoà tan trong nước, kích thước hạt nhỏ, tỷ trọng hạt tinh bột chênh lệch

nhiều so với nước nên phương pháp chủ yếu trong sản xuất là nghiền, rây, rửa vàlắng hoặc ly tâm Do đó có thể rút ra những kết luận về công nghệ sản xuất tinh bộtkhoai mì như sau:

- Phương pháp sử dụng trong sản xuất chủ yếu là cơ học, thiết bị đơn giản, vậnhành bảo quản và sửa chữa dễ dàng

- Quy trình sản xuất sử dụng nước là trong những tác nhân chính của công nghệtách tinh bột Chi phí vận hành và nguyên liệu thấp, các nguyên liệu phụ rẻ tiền và cókhả năng đáp ứng dễ dàng đo đó hiệu quả kinh tế cao

- Hiệu suất thu hồi sản phẩm cao , từ 80-90%

Quá trình sản xuất tinh bột khoai mì về cơ bản gồm các khâu sau:

- Chuẩn bị nguyên liệu: công đoạn này bao gồm thao tác rửa, cắt khúc, loại bỏ

phần rễ, lớp vỏ gỗ và đất cát bám trước khi đưa vào nghiền Nguyên liệu được đưavào thùng rửa bằng tay hay bằng băng chuyền Tại thùng rửa củ, đất cát và phần vỏ

gỗ được chà xát bằng lô cuốn có gắn các sợi kim loại trên bề mặt kết hợp với nướcrửa được bơm vào liên tục Kết thúc công đoạn này, củ được tách ra khỏi lớp vỏ gỗ.Các tạp chất theo nước thải ra ngoài và được thu gom ở lưới chắn rác

- Nghiền nguyên liệu và tách bã: nguyên liệu sau khi rửa và cắt khúc qua máy

mài chuyển thành dạng bột nhão, sau đó vào máy rây tách bã Ở máy rây, nước sạchcũng được bơm vào liên tục với mục đích rửa sạch lớp bột bám trên bã Nước dịchsữa bột sau khi qua máy rây được đưa về thùng chứa và trộn với dung dịch H2SO3 đểtẩy trắng bột

- Tách tinh bột

+ Từ thùng chứa sữa bột được bơm vào máy bơm ly tâm hoặc, sau đó lại đượctrộn với dung dịch tẩy H2SO3 và bơm vào máy ly tâm tách dịch lần 2 Máy ly tâmhoạt động liên tục, tinh bột được tháo ra liên tục Nước sau khi qua ly tâm tách dịch

ra ngoài

+ Lượng nước sạch được phun vào trong khi ly tâm dưới dạng tia nước áp lựccao để rửa bột Bể lắng cũng được dùng lắng bột nhưng hiệu suất kém hơn chỉ phùhợp với quy mô sản xuất nhỏ Qua giai đoạn ly tâm tách dịch đồng thời rửa sạch tinhbột, sản phẩm sau khi qua ly tâm có độ trắng đạt yêu cầu Hiệu suất thu hồi bột đạt

xấp xỉ 90% Tinh bột ướt có độ ẩm khoảng 40% sau đó được ly tâm một lần nữa đểtách bớt nước sau đó được sấy khô, làm nguội, đóng bao.

SVTH: Nguyễn Thị Như Quỳnh Trang 11

Khoai mì

TINH BỘT

Rữa sơ bộ

Cắt khúcLóc vỏ

Rữa ướtNước

C

ác lo

ại đấ

t đáV

ỏ

BãÉpPhơi khô

SO2

Dịch

Lắng

Tinh bột loại 2

Thức ăn gia xúc

SVTH: Nguyễn Thị Như Quỳnh Trang 12

Khoai mìSàng, tách vỏ

Tinh bột ướtNghiền, tách bã

Tẩy chua, tẩy trắng

Đóng gói

Sấy khô

Làm nguội

Ly tâmQuậy, pha loãng

Rữa, cắt khúcNước

Nước, dịch thảiNhiệt thừaHóa chất

Nước, vỏ gỗ, cátNước thải, vụn mì

Bã, nước thảiNước

Nước

SVTH: Nguyễn Thị Như Quỳnh Trang 13

Khoai mì

Sàng, tách vỏ

Tinh bột ướtNghiền, tách bả

Lắng 2

Hoàn thiện tại công ty khác

Vô baoLắng 1

Rữa, cắt khúcNước

Nước, vỏ gỗ, cátNước thải, vụn mì

Bã, nước thảiNước

Nước

Hình 2.3: Công nghệ chế biến tinh bột khoai mì thủ công của

Nước

2.1.2.3 Sản phẩm tinh bột khoai mì

a) Giới thiệu về tinh bột khoai mì

Trong thiên nhiên, tinh bột có rất nhiều và tồn tại dưới dạng hydrat - carbon hữu

cơ tự nhiên Nó có trong rễ, nhánh và hạt của cây xanh Là một loại thức ăn nuôidưỡng, tinh bột cung cấp năng lượng cho cây xanh trong lúc chúng ngủ yên hoặc nảymầm Tinh bột cũng là một nguồn năng lượng quan trọng nhất đối với động vật vàcon người Chính vì thế, nó có vai trò quyết định trong đời sống chúng ta Các thống

kê ngày nay cho thấy tinh bột có hơn bốn ngàn ứng dụng

Các loại tinh bột chính có mặt trên thị trường hiện nay gồm có: tinh bột khoai mì,tinh bột khoai tây, bột bắp và bột mì So sánh những loại tinh bột này, ta thấy rằngthành phần và tính chất của tinh bột khoai mì gần với tinh bột khoai tây hơn và tốthơn bột bắp và bột mì Tuy nhiên, về mặt giá thành, tinh bột khoai tây cao hơn nhiều

so với tinh bột khoai mì Với các ưu thế hấp dẫn về mặt tính chất và giá thành, nhucầu dùng tinh bột khoai mì dường như đang tăng lên ở mọi nơi trên thế giới Ðồngthời, một định hướng chung cho việc giữ gìn sức khỏe đã góp phần tạo ra sự quantâm và ưa chuộng những loại thực phẩm không chứa GMO

b) Những ứng dụng của tinh bột khoai mì trong tinh bột thực phẩm và ngành công nghiệp khác:

Chất độn: làm tăng độ đặc trong súp và trái đóng hộp, kem và dược phẩm

Chất kết nối: làm quánh các sản phẩm, giúp thực phẩm không bị khô khi nấu, nhưxúc xích, thịt hộp

Chất ổn định: sử dụng khả năng giữ nước cao, như trong kem, bột nở, ngành dệt –

hồ chì để giảm đứt trên khung dệt (tinh bột biến đổi) Tinh bột dùng cho giai đoạn inlàm đặc chất nhuộm và giữ màu Tinh bột dùng cho giai đoạn thành phẩm sẽ tăng độcứng và trọng lượng (tinh bột thường hoặc tinh bột oxi hóa)

Chất làm đặc: sử dụng đặc tính bột nhão, như trong súp, thức ăn cho trẻ em, nướcchấm, nước dùng

Làm giấy:

- Tăng cường độ chắc, tăng sức chống nếp gấp

- Làm tăng bề mặt và độ bền, dùng cho giấy gợn sóng, giấy ép và giấy bìa cứng

- Chất kết nối trong công nghiệp

- Giấy cứng làm trần nhà

- Giấy thạch cao

Thức ăn (thủy sản, gia súc)

Những công dụng khác trong công nghiệp

- Sản xuất bao plastic tự hoại

- Sản xuất vỏ xe…

2.2 GIỚI THIỆU VỀ NƯỚC THẢI NGÀNH CHẾ BIẾN TINH BỘT MÌ

Nước thải là lượng nước được sử dụng trong sản xuất và được thải bỏ sau đó.Quy trình sản xuất khoai mì có nhu cầu sử dụng lượng nước rất lớn (15 – 20 m3/tấnsản phẩm) Nước thải tinh bột khoai mì thường không được xử lý hoặc xử lý qua loarồi thải ra môi trường Do vậy, các chất hữu cơ còn lại từ khoai mì trong nước thải sẽphân hủy yếm khí tạo chiều chất độc gây hại cho môi trường và gây mùi hôi thốikhó chịu, gây ô nhiễm nguồn nước Dân cư xung quanh các cơ sở chế biến tinh bột

mì này thường phàn nàn về vấn đề này

Theo số liệu tại nhà máy tinh bột Tapioca Tân Châu – Tây Ninh, lượng nước sửdụng cho một ngày sản suất khoảng 1200 – 1600 m3 và lượng nước thải ra cũngchiếm tương đương vào khoảng 95% lượng nước sử dụng Lượng nước thải mangtheo một phần tinh bột không thu hồi hết trong sản xuất, các protein, các chất béo,các chất khoáng… trong dịch bào của củ và cả thành phần SO32-, SO42- từ công đoạntẩy trắng sản phẩm Lưu lượng thải lớn và có nồng độ chất hữu cơ rất cao (16 – 20kgCOD/m3 nước thải) là một nguồn gây ô nhiểm lớn cho môi trường, đất và khôngkhí xung quanh nhà máy và cần được xử lý thích hợp

Bảng 2.3: Thành phần nước thải tinh bột khoai mì tại nhà máy tinh bột Tapioca Tân Châu – Tây Ninh

-mg/Lmg/Lmg/Lmg/Lmg/L

500 – 800

900 – 1900

236 – 360

2400 – 32005,8

99

4,02700010000200022000650140029828005,899

Ta thấy với thành phần nước thải như trên thì nước thải tinh bột mì có mức ônhiễm hữu cơ cao với tỉ lệ BOD5/COD đạt khoảng 0.61 Do vậy, xử lý nước thải tinhbột khoai mì bằng phương pháp sinh học là rất khả thi.

2.3 MỘT SỐ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI TINH BỘT KHOAI MÌ

2.3.1 Nhà máy tinh bột khoai mì Phước Long

Thuyết minh qui trình:

- Nước sau sản xuất đi qua song chắn rác để loại bỏ các chất thải rắn của khâugọt vỏ, băm nghiền, cắt khúc, sau đó được đưa vào bể lắng sơ bộ nhằm mục đíchlắng bớt cặn có kích thước lớn, và một phần tinh bột không thể thu hồi trong sản xuất

Hình 2.4: Qui trình công nghệ xử lý nước thải của

nhà máy sản xuất tinh bột Phước Long

(đây là nguyên nhân làm cho nước thải có COD cao) Nước thải luôn có pH rất thấp,cyanua cao và lưu lượng không đều nên được cho vào bể điều hoà và được trung hoàbằng NaOH, khử cyanua bằng chlor.

- COD của nước khá cao nên phải xử lý bằng bể kỵ khí UASB, các bể kỵ khíchỉ giảm COD đến một mức độ nào đó nếu muốn có hiệu suất cao hơn thường phảilưu thời gian rất lâu điều này làm tăng thể tích xử lý của công trình bởi vậy nướctrong bể UASB chỉ được lưu ở một thời gian thích hợp rồi đi qua bể hiếu khí

- Ở bể sục khí nước được trộn với sinh khối và sinh khối dùng chất dinh dưỡngtrong nước để phát triển, nước được lưu trong bể sục khí một thời gian rồi chảy qua

bể lắng để lắng sinh khối sau đó chảy vào nguồn tiếp nhận

- Bùn một phần được hoàn lưu lại bể sục khí, một phần đi vào máy ép bùnnhằm tách bớt nước (nước được tuần hoàn trở lại bể sục khí, bùn được thải vào sânphơi bùn)

Đầu ra của hệ thống có các chỉ tiêu cơ bản sau đây:

- pH: 7.85

- COD: 84 mg/l

- N-NH3: 82.4 mg/l

- Cyanua: 4.2 mg/l

Các nhược điểm của công nghệ trên:

- Khử cyanua bằng chlor cho hiệu quả không cao, tốn rất nhiều hoá chất dochlor là chất oxy hoá mạnh nên có thể tác dụng với rất nhiều chất trong nước thải ví

dụ với NH3 tạo thành các chloramin Mặt khác dư lượng của chlor và chloramin làcác chất khử trùng trong nước nên khi vào bể sinh học UASB chắc chắn có rất nhiều

vi sinh vật bị chết, làm giảm hoạt tính của bùn, giảm hiệu suất công trình Dư lượngcyanua là tác nhân ức chế hoạt động của vi sinh vật, mặc dù vậy sau khi qua bểUASB lượng cyanua cũng giảm đi đáng kể do được phân huỷ thành NH3

- NH3 trong nước thải sau bể UASB rất cao (>200 mg/L) nhưng bể sục khí chỉdùng N-NH3 làm chất dinh dưỡng và chuyển hoá thành NO3- như vậy N-NH3 trongnước thải vẫn còn rất lớn, muốn khử N-NH3 tốt cần phải lưu ở thời gian lâu hoặc cầncho qua thêm công trình khử N-NH3 vật lý

2.3.2.Nhà máy tinh bột Tây Ninh

Bể kỵ khí 1

Bể kỵ khí 2

Bể trung hòa

Song chắn rácNước chưa xử lý

Hình 2.5: Qui trình công nghệ xử lý nước thải của nhà máy

sản xuất tinh bột Tây Ninh

Thuyết minh qui trình:

Nước sau sản xuất đi qua song chắn rác để loại bỏ các chất thải rắn của khâugọt vỏ, băm nghiền, cắt khúc, sau đó được đưa vào bể lắng sơ bộ nhằm mục đíchlắng bớt cặn có kích thước lớn, và một phần tinh bột không thể thu hồi trong sảnxuất Sau đó nước được trung hoà và đi vào bể kỵ khí 4 bậc và bể tuỳ nghi 2 bậc rồiđược thải ra ngoài

Các nhược điểm của công nghệ trên:

- Số liệu các chỉ tiêu đầu ra không được biết rõ nhưng có thể chắc chắn rằngnước không thể đạt tiêu chuẩn thải vào nguồn loại B, TCVN 5945-1995 ở các chỉtiêu COD, N-NH3 vì các lý do: các bể kỵ khí thực chất là các bể tự hoại hiệu quả xử

lý không cao, nâng pH chỉ làm cho vi khuẩn metan hoạt động vậy vi khuẩn acid sẽ bị

ức chế hiệu quả quá trình acid hoá giảm, hiệu qủa khử cyanua giảm điều đó dẫn đếnphải dùng nhiều bể kỵ khí làm tốn diện tích

- Các bể tuỳ nghi thường khó giảm COD xuống dưới 100 mg/l và N-NH3 chỉgiảm chút ít ở vùng hiếu khí và cuối cùng không có công trình khử N-NH3 để N-NH3còn gần như trọn vẹn với COD đầu vào khoảng 10000mg/l thì N-NH3 thường lớnhơn >100 mg/l

Chương 3

TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH LỌC SINH HỌC HIẾU KHÍ

3.1 TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH XỬ LÝ SINH HỌC HIẾU KHÍ

3.2 TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH LỌC SINH HỌC

3.3 VI SINH VẬT TRONG HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI

3.4 ĐỘNG HỌC CỦA QUÁ TRÌNH LỌC SINH HỌC HIẾU KHÍ

3.1 TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH XỬ LÝ SINH HỌC HIẾU KHÍ

3.1.1 Giới thiệu

Quá trình xử lý sinh học hiếu khí là quá trình sử dụng các vi sinh vật để oxy hoá

các chất hữu cơ trong điều kiện có sự tồn tại của oxy

b Bể xử lý sinh học từng mẻ:

Hệ thống bùn hoạt tính “làm đầy và tháo bỏ” Quá trình thổi khí và quá trình lắngđược thực hiện trong cùng bể phản ứng do đó có thể bỏ qua bể lắng II Thông thườngcác quá trình đều diễn ra trong cùng một bể Quá trình hoạt động gồm 5 giai đoạn:

- Pha làm đầy: Có thể vận hành với 3 chế độ: làm đầy tĩnh, làm đầy hoà trộn

và làm đầy sục khí nhằm tạo môi trường khác nhau cho các mục đích khác nhau.Thời gian pha làm đầy có thể chiếm từ 25-30%

Đĩa quay sinh học

Sinh trưởng

lơ lửng

Sinh trưởng bám dính

Hồ sinh họchiếu khí

Xử lý sinh học hiếu khí

Aerotank Hiếu khí

tiếp xúc

Xử lý sinh học theo mẻ

Lọc hiếu khí

Lọc sinh học nhỏ giọt

- Pha phản ứng (sục khí): Ngừng đưa nước thải vào Tiến hành sục khí Hoànthành các phản ứng sinh hoá có thể được bắt đầu từ pha làm đầy Thời gian phảnứng chiếm khoảng 30 % chu kỳ hoạt động

- Pha lắng: điều kiện tĩnh hoàn toàn được thực hiện (không cho nước thải vào,không rút nước ra, các thiết bị khác đều tắt) nhằm tạo điều kiện cho quá trình lắng.Thời gian chiếm khoảng từ 5-30% chu kỳ hoạt động

- Pha tháo nước sạch

- Pha chờ: áp dụng trong hệ thống có nhiều bể phản ứng, có thể bỏ qua trongmột số thiết kế

Thời gian hoạt động có thể tính sao cho phù hợp với từng loại nước thải khácnhau và mục tiêu xử lý Nồng độ bùn trong bể thường khoảng từ 1500-2500 mg/l

3.1.3.2 Quá trình sinh trưởng dính bám

a Bể lọc hiếu khí:

Hoạt động nhờ quá trình dính bám của vi khuẩn hiếu khí lên lớp vật liệu làm giáthể Do quá trình dính bám tốt, lượng sinh khối tăng lên và thời gian lưu bùn kéo dàinên có thể xử lý ở tải trọng cao Tuy nhiên hệ thống dễ bị tắc do quá trình phát triểnnhanh chóng của vi sinh, chính vì vậy, thời gian hoạt động có thể bị hạn chế Đểkhắc phục tình trạng này ta có thể bố trí lớp vật liệu lọc cho phù hợp

b Tháp lọc sinh học nhỏ giọt:

Tháp lọc sinh học nhỏ giọt có kết cấu giống như tháp lọc sinh học Tháp lọc sinhhọc được xây dựng với hệ thống quạt gió cưỡng bức từ dưới lên, nước thải đượcphân phối từ phía trên, chảy qua lớp màng vi sinh bám trên các giá thể và xuống bểthu ở phía dưới Tuy nhiên, đối với tháp lọc sinh học nhỏ giọt vận tốc của nước thải

đi qua giá thể nhỏ hơn nhiều, cấu trúc của giá thể cũng được thay đổi sao cho có thểlưu nước được trên giá thể lâu hơn

c) Đĩa quay sinh học:

Bao gồm các đĩa tròn polystyren hoặc polyvinyl chloride đặt gần sát nhau Đĩanhúng chìm một phần trong nước thải và quay ở tốc độ chậm, màng vi sinh hìnhthành và bám trên trên bề mặt đĩa Khi đĩa quay, mang sinh khối trên đĩa tiếp xúc vớichất hữu cơ trong nước thải và sau đó tiếp xúc với oxy Đĩa quay tạo điều kiệnchuyển hóa oxy và luôn giữ sinh khối trong điều kiện hiếu khí

3.2.TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH LỌC SINH HỌC

3.2.1 Định nghĩa

Quá trình màng sinh học là một trong các quá trình xử lý nước thải bằng phươngpháp sinh học sử dụng các vi sinh vật không di động và bám dính lên trên bề mặt cácvật liệu rắn để tiếp xúc thường liên tục hay gián đoạn với nước thải Phương phápdùng vi sinh vật cố định để xử lý nước thải được phân làm 3 phương pháp: là phươngpháp vận chuyển kết gắn, phương pháp bẫy và phương pháp liên kết chéo trong đóquá trình xử lý bằng màng sinh học được xem như phương pháp vận chuyển kết gắn.Tuy nhiên, quá trình xử lý sinh học sử dụng sinh khối cố định với hai phương phápcòn lại có thể được xem như quá trình xử lý bằng màng sinh học bởi vì chúng cócùng cơ chế làm sạch và đặc tính xử lý Trong phần này, chỉ thảo luận trong phạm vihẹp về quá trình xử lý bằng màng sinh học hiếu khí

3.2.2 Phân loại

Dựa vào nguyên tắc hoạt động, quá trình lọc sinh học được chia thành 3 loại:

- Lọc sinh học ngập nước (submerged filter): phương pháp này dựa trên nguyêntắc vật liệu lọc được đặt ngập chìm trong nước Phương pháp này còn được chiathành nhiều loại dựa trên cách hoạt động của giá thể:nền cố định (fixed bed), nền mởrộng (expanded bed) và nền giả lỏng (fluidized bed)

- Thiết bị sinh học tiếp xúc quay (rotating contactor) Đĩa quay sinh học sửdụng một lượng lớn các đĩa quay ngập một phần hoặc hoàn toàn trong nước, và nướcthải được làm sạch thông qua hoạt động của màng vi sinh vật trên các bề mặt của đĩa

- Thiết bị lọc nhỏ giọt (trickling filter): ở phương pháp này dòng nước đượcchảy từ trên xuống qua tầng vật liệu lọc Lọc sinh học nhỏ giọt gồm một bể tròn haychữ nhật có chứa lớp vật liệu lọc (đá, ống nhựa, nhựa miếng…), nước thải được tướiliên tục hay gián đoạn từ một ống phân phối thích hợp đặt bên trên bể Khi nước thảichảy vào liên tục và đi qua lớp vật liệu lọc, lớp màng vi sinh vật tiếp xúc với nướcthải và phát triển trên vật liệu lọc nên nước thải được làm sạch

Quá trình lọc sinh học cũng được phân loại vào quá trình hiếu khí và kỵ khí Khi

áp dụng lọc sinh học ngập nước vào quá trình xử lý hiếu khí, oxy được cung cấpthông qua máy thổi khí Quá trình lọc sinh học ngập nước với bể ổn định đôi khiđược gọi là quá trình oxy hóa tiếp xúc, quá trình lọc tiếp xúc, hiếu khí tiếp xúc hay

quá trình lọc sinh học tiếp xúc Tuy nhiên, ngay trong quá trình xử lý hiếu khí, khôngchỉ có vi sinh vật hiếu khí mà vi sinh vật kỵ khí cũng cùng tồn tại.

3.2.3 Cấu tạo và hoạt động của màng vi sinh vật

3.2.3.1 Cấu tạo màng vi sinh vật

Từ khi phương pháp màng vi sinh vật được chú ý tới là một trong các biện phápsinh học để xử lý nước thải, đã có rất nhiều những nghiên cứu về cấu trúc của màng

vi sinh vật Theo thời gian và sự phát triển của các công cụ nghiên cứu, cấu trúc củamàng vi sinh vật ngày càng được sáng tỏ và là cơ sở để mô hình hóa những quá trìnhsinh học xảy ra bên trong màng

Cấu tạo của lớp màng vi sinh vật bao gồm những đám vi sinh vật và một số vậtchất khác liên kết trong ma trận cấu tạo bởi các polymer ngoại tế bào (gelatin) do visinh vật (cả protozoa và vi khuẩn) sản sinh ra trong quá trình trao đổi chất và quátrình tiêu hủy tế bào và do có sẵn trong nước thải Thành phần chủ yếu của cácpolymer ngoại bào này là polysaccharide, protein

Màng vi sinh vật có cấu trúc phức tạp cả về cấu trúc vật lý và vi sinh Cấu trúc cơbản của một hệ thống màng vi sinh vật hình 3.2, bao gồm:

Hình 3.2:Cấu tạo màng vi sinh vật

- Vật liệu đệm (đá, sỏi, chất dẻo, than… với nhiều loại kích thước và hình dạng

sinh vật phát triển dính bám trên bề mặt vật liệu đệm Lớp màng vi sinh được chiathành hai lớp: lớp màng nền và lớp màng bề mặt

- Hầu hết các mô hình toán về hệ thống màng vi sinh vật không quan tâm đúngtới vai trò của lớp màng bề mặt, và hầu như chỉ chú ý tới lớp màng nền

- Nhờ sự phát triển của các công cụ mới nhằm nghiên cứu màng vi sinh, nhữnghình ảnh mới về cấu trúc nội tại của lớp màng nền dần dần được đưa ra Phát hiệnmới cho thấy màng vi sinh vật là một cấu trúc không đồng nhất bao gồm những cụm

tế bào rời rạc bám dính với nhau trên bề mặt đệm, bên trong ma trận polymer ngoại

tế bào; tồn tại những khoảng trống giữa những cụm tế bào theo chiều ngang và chiềuđứng Những khoảng trống này có vai trò như những lỗ rỗng theo chiều đứng và nhưnhững kênh vận chuyển theo chiều ngang Kết quả là sự phân bố sinh khối trongmàng vi sinh vật không đồng nhất Và quan trọng hơn là sự vận chuyển cơ chất từchất lỏng ngoài vào màng và giữa các vùng bên trong màng không chỉ bị chi phối bởi

sự khuếch tán đơn thuần như những quan điểm cũ Chất lỏng có thể lưu chuyển quanhững lỗ rỗng bởi cả quá trình khuếch tán và thẩm thấu; quá trình thẩm thấu vàkhuếch tán đem vật chất tới cụm sinh khối và quá trình khuếch tán có thể xảy ra theomọi hướng trong đó Do đó, hệ số khuếch tán hiệu quả mô tả quá trình vận chuyển cơchất, chất nhận điện tử (chất oxy hóa)… giữa pha lỏng và màng vi sinh thay đổi theochiều sâu của màng, và quan điểm cho rằng chỉ tồn tại một hằng số hệ số khuếch tánhiệu quả là không hợp lý

- Phân tích theo chủng loại vi sinh vật, lớp màng vi sinh vật còn có thể chiathành hai lớp (chỉ đúng trong trường hợp quá trình màng vi sinh vật hiếu khí): lớpmàng kỵ khí ở bên trong và lớp màng hiếu khí ở bên ngoài (hình 3.1) Trong màng visinh luôn tồn tại đồng thời vi sinh vật kỵ khí và vi sinh vật hiếu khí; bởi vì chiều sâucủa lớp màng lớn hơn nhiều so với đường kính của khối vi sinh vật, oxy hòa tantrong nước chỉ khuếch tán vào gần bề mặt màng và làm cho lớp màng phía ngoài trởthành lớp hiếu khí, còn lớp màng bên trong không tiếp xúc được với oxy trở thànhlớp màng kỵ khí

3.2.3.2 Quá trình tiêu thụ cơ chất làm sạch nước

Lớp màng vi sinh vật phát triển trên bề mặt đệm tiêu thụ cơ chất như chất hữu cơ,oxy, nguyên tố vết (các chất vi lượng)… cần thiết cho hoạt động của vi sinh vật từnước thải tiếp xúc với màng

Quá trình tiêu thụ cơ chất như sau: đầu tiên cơ chất từ chất lỏng tiếp xúc với bềmặt màng và tiếp đó chuyển vận vào màng vi sinh theo cơ chế khuếch tán phân tử Trong màng vi sinh vật diễn ra quá trình tiêu thụ cơ chất và quá trình trao đổichất của vi sinh vật trong màng Đối với những loại cơ chất ở thể rắn, dạng lơ lửnghoặc có phân tử khối lớn không thể khuếch tán vào màng được, chúng sẽ bị phân hủythành dạng có phân tử khối nhỏ hơn tại bề mặt màng và sau đó mới tiếp tục quá trìnhvận chuyển và tiêu thụ trong màng vi sinh như trên Sản phẩm cuối của quá trình traođổi được vận chuyển ra khỏi màng vào trong chất lỏng Quá trình tiêu thụ cơ chấtđược mô tả bởi công thức chung như sau:

Khi một trong những thành phần cần thiết cho vi sinh vật tiêu thụ bị thiếu, nhữngphản ứng sinh học sẽ xảy ra không đều Chẳng hạn, nếu một trong những cơ chất bịhết ở một chiều sâu nào đấy của màng vi sinh vật, tại đó những phản ứng sinh học sẽkhông tiếp tục xảy ra, và cơ chất đó được gọi là cơ chất giới hạn của quá trình, đồngthời chiều sâu hiệu quả của màng vi sinh vật cũng được xác định từ vị trí đó

Các nguyên tố vết như nitơ, photphat, và kim loại vi lượng nếu không có đủ trongnước thải theo tỉ lệ của phản ứng sinh học sẽ trở thành yếu tố giới hạn của phản ứng.Tương tự, chất hữu cơ hoặc oxy cũng có thể trở thành yếu tố giới hạn trong mànghiếu khí Thông thường, nếu nồng độ oxy hoà tan trong nước thải tiếp xúc với màngthấp hơn nồng độ chất hữu cơ, oxy hòa tan sẽ trở thành yếu tố giới hạn Do đó, ngay

cả trong trường hợp màng hiếu khí, lớp màng ở bên trong vị trí tiêu thụ hết oxy trởthành thiếu khí (anoxic) hoặc kỵ khí (anaerobic) Lớp màng kỵ khí không đóng vai

trò trực tiếp trong việc làm sạch nước thải Tuy nhiên, trong lớp màng kỵ khí có thểdiễn ra các quá trình hóa lỏng, lên men acid chất hữu cơ dạng hạt rắn, oxy hóa chấthữu cơ và hình thành sulfide bởi sự khử sulfate, hoặc khử nitrat, nitrit tạo ra từ lớpmàng hiếu khí Vì vậy, sự đồng tồn tại của hoạt động hiếu khí và kỵ khí trong lớpmàng vi sinh vật là một yếu tố rất quan trọng trong quá trình màng vi sinh vật.

3.2.3.3 Quá trình sinh trưởng, phát triển và suy thoái của màng vi sinh vật

Quy luật chung trong sự phát triển của màng vi sinh vật bởi quá trình tiêu thụ cơchất có trong nước thải và làm sạch nước thải như sau: quá trình vi sinh vật phát triểnbám dính trên bề mặt đệm được chia thành 3 giai đoạn:

- Giai đoạn thứ nhất, có dạng logarithm, khi màng vi sinh vật còn mỏng và chưabao phủ hết bề mặt rắn Trong điều kiện này, tất cả vi sinh vật phát triển như nhau,cùng điều kiện, sự phát triển giống như quá trình vi sinh vật lơ lửng

- Giai đoạn thứ hai, độ dày màng trở nên lớn hơn bề dày hiệu quả Trong giaiđoạn hai, tốc độ phát triển là hằng số, bởi vì bề dày lớp màng hiệu quả không thayđổi bất chấp sự thay đổi của toàn bộ lớp màng, và tổng lượng vi sinh đang phát triểncũng không đổi trong suốt quá trình này Lượng cơ chất tiêu thụ chỉ dùng để duy trì

sự trao đổi chất của vi sinh vật, và không có sự gia tăng sinh khối Lượng cơ chấtđưa vào phải đủ cho quá trình trao đổi chất, nếu không sẽ có sự suy giảm sinh khối

và lớp màng sẽ bị mỏng dần đi nhằm đạt tới cân bằng mới giữa cơ chất và sinh khối

- Giai đoạn thứ ba, bề dày lớp màng trở nên ổn định, khi đó tốc độ phát triểnmàng cân bằng với tốc độ suy giảm bởi sự phân hủy nội bào, phân hủy theo dâychuyền thực phẩm, hoặc bị rửa trôi bởi lực cắt của dòng chảy

Hình 3.3: Chuỗi các vi sinh vật tạo thành màng vi sinh

Hình 3.3 cho thấy sự tích lũy của lớp màng vi sinh vật Trong quá trình phát triểncủa màng vi sinh, vi sinh vật thay đổi cả về chủng loại và số lượng Lúc đầu, hầu hếtsinh khối là vi khuẩn, sau đó protozoas và tiếp đến là metazoas phát triển hình thànhnên một hệ sinh thái Protozoas và metazoas ăn màng vi sinh lượng bùn dư.Tuynhiên, trong một điều kiện môi trường nào đó, chẳng hạn điều kiện nhiệt độ nướchay chất lượng nước, metazoas phát triển quá mạnh và ăn quá nhiều màng vi sinhlàm ảnh hưởng tới khả năng làm sạch nước Nghiên cứu của Inamori cho thấy có hailoài thực dưỡng sống trong màng vi sinh vật Một loài ăn vi khuẩn lơ lửng và thải rachất kết dính Kết quả là làm tăng tốc độ làm sạch nước Loài kia ăn vi khuẩn trongmàng vi sinh và do đó thúc đẩy sự phân tán sinh khối Và nếu hai loài này có sự cânbằng hợp lý thì hiệu quả khoáng hóa chất hữu cơ và làm sạch nước sẽ cao

3.3 VI SINH VẬT TRONG HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI

3.3.1 Khái niệm

Vi sinh vật là những tổ chức sinh vật nhỏ bé, có thể tập hợp lại thành một nhómlớn hơn gồm nhiều loại khác nhau dưới những hình dạng không xác định, chúng cóthể tồn tại dưới dạng đơn bào Có thể nói, phần lớn vi sinh vật đóng vai trò rất quantrọng trong các quá trình chuyển hóa sinh hóa, chúng có tác dụng làm giảm lượngchất hữu cơ trong nước thải, đồng thời giúp ổn định nồng độ chất hữu cơ trong cácdòng chảy Các loài vi sinh vật chiếm ưu thế trong từng quá trình xử lý sinh hóa phụ

và cách thức vận hành hệ thống Do đó, để tăng cường vai trò hệ vi sinh vật hoạtđộng trong xử lý nước thải phải thiết kế điều kiện môi trường phù hợp, ví dụ với đa

số quá trình xử lý hiếu khí, cần có điều kiện thích hợp như: môi trường phải đủ thôngthoáng để cung cấp oxy, đủ các chất hữu cơ (làm thức ăn), đủ nước, đủ N và P (chấtdinh dưỡng) để thúc đẩy sự oxy hóa, có pH phù hợp (6.5-9) và không có các chất gâyđộc

Tuy nhiên không phải các vi sinh vật đều có lợi cho các quá trình chuyển hóatrong xử lý nước thải Nếu như điều kiện môi trường không còn phù hợp của các loàisinh vật, hoặc số lượng các loài vi sinh vật trong hệ thống tăng đột biến, điều này sẽgây cản trở cho quá trình chuyển hóa và làm giảm hiệu suất xử lý nước thải

3.3.2 Sinh thái, sinh lý, phân loại vi sinh vật

3.3.2.1 Sinh thái, sinh lý vi sinh vật

Vi sinh vật không phải là một nhóm phân loại trong sinh giới mà là bao gồm tất

cả các sinh vật có kích thước hiển vi, không thấy rỏ bằng mắt thường, do đó phải sửdụng kính hiển vi thường hoặc kính hiển vi điện tử để quan sát Ngoài ra, muốnnghiên cứu vi sinh vật người ta phải sử dụng tới các phương pháp nuôi cấy vô khuẩn

Vi sinh vật có các đặc điểm chung sau đây:

a) Kích thước nhỏ bé:

Vi sinh vật thường đo kích thước bằng đơn vị micromet Virut được đo kíchthước đơn vị bằng nanomet Kích thước càng bé thì diện tích bề mặt của vi sinh vậttrong một đơn vị thể tích càng lớn

b) Hấp thu nhiều chuyển hóa nhanh:

Tuy vi sinh vật có kích thước rất nhỏ bé nhưng chúng lại có năng lực hấp thụ vàchuyển hóa vượt xa các sinh vật khác Chẳng hạn một vi khuẩn lactic (Lactobacillus)trong một giờ có thể phân giải được một lượng đường lactose lớn hơn 100-10.000lần so với khối lượng của chúng Tốc độ tổng hợp protein của nấm men cao gấp10.000 lần so với đậu tương và 100.000 lần so với trâu bò

c) Sinh trưởng nhanh phát triển mạnh:

Chẳng hạn một trực khuẩn đại tràng (Escherichia coli) trong các điều kiện thíchhợp chỉ sau 12-20 phút lại phân cắt một lần Nếu lấy thời gian thế hệ là 20 phút thìmỗi giờ phân cắt 3 lần, sau 24 giờ phân cắt 72 lần và tạo ra 4.722.633 ×1018 tế bào,

tương đương với một khối lượng là 4.722 tấn Tất nhiên, trong tự nhiên không cóđược các điều kiện tối ưu như vậy (vì thiếu thức ăn, thiếu oxy, dư thừa các sản phẩmtrao đổi chất có hại…) Trong loài lên men với các điều kiện nuôi cấy thích hợp, từmột tế bào có thể tạo ra sau 24 giờ khoảng 100.000.000 – 1.000.000.000 tế bào Thờigian thế hệ của nấm men dài hơn, ví dụ với men rượu (Saccharomyces cerecisiae) là

120 phút Với nhiều vi sinh vật khác còn dài hơn nữa, ví dụ tảo tiểu cầu (Cholorella)

là 7 giờ, với vi khuẩn lam Nosoc là 23 giờ… Có thể nói không có sinh vật nào có tốc

độ sinh sôi nảy nở nhanh như vi sinh vật

d) Có năng lục thích ứng mạnh và dễ dàng phát sinh biến dị:

Trong quá trình tiến hóa lâu dài vi sinh vật đã tạo cho mình những cơ chế điềuhòa trao đổi chất để thích ứng được với những điều kiện trao đổi chất khác nhau, kể

cả những điều kiện hết sức bất lợi mà các sinh vật khác thường không thể tồn tạiđược Có vi sinh vật sống ở môi trường nóng đến 130oC, lạnh đến 0 - 5oC, mặn đếnnồng độ muối 32%, ngọt đến nồng độ mật ong, pH thấp đến 0.5 hoặc cao đến 10.7;

Nấm men Saccharomyces cerevisiae

Vi khuẩn Escherichia coli

Hình 3.4: Sự sinh sôi của các vi sinh vật

áp suất cao đến trên 1,3 at, hay có độ phóng xạ cao đến 750,000 rad Nhiều vi sinhvật có thể sống tốt trong điều kiện tuyệt đối kỵ khí, có loài nấm sợi có thể phát triểndày đặc trong bể ngâm tử thi với nồng độ foocmol rất cao…

Vi sinh vật đa số là đơn bào, đơn bội, sinh sản nhanh, số lượng nhiều, tiếp xúctrực tiếp với môi trường sống… do đó rất dễ dàng phát sinh biến dị Tần suất biến dịthường ở mức 10-5 – 10-10 Chỉ sau một thời gian ngắn đã tạo ra một số lượng rất lớncác cá thể biến dị ở các thế hệ sau Những biến dị có ích sẽ đưa lại hiệu quả rất lớntrong sản xuất Nếu như mới phát hiện ra penicillin hoạt tính chỉ đạt 20 đơn vị/mldịch lên men (1943) thì ngày nay có thể đạt trên 100,000 đơn vị/ml

e) Phân bố rộng chủng loại phong phú:

Vi sinh vật có mặt ở khắp mọi nơi trên Trái đất, trong không khí, trong đất, trênnúi cao, dưới biển sâu, trên cơ thể người, động vật, thực vật, trong thực phẩm, trênmọi đồ vật…

Vi sinh vật tham gia tích cưc vào việc thực hiện các vòng tuần hoàn sinh-địa- hóahọc như vòng tuần hoàn C, vòng tuần hoàn N, vòng tuần hoàn P, S ,Fe…

Trong nước vi sinh vật có nhiều ở vùng duyên hải (littora zone), vùng nước nông(limnetic zone) và ngay cả ở vùng nước sâu (profundal zone), vùng đáy ao hồ(benthic zone)

Trong không khí thì càng lên cao số lượng vi sinh vật càng ít Số lượng vi sinhvật ở các khu dân cư đông đúc cao hơn rất nhiều so với không khí trên mặt biển vànhất là không khí ở Bắc cực, nam cực…

Hầu như không có hợp chất Cacbon nào (trừ kim cương, đá graphit…) mà không

là thức ăn của những nhóm vi sinh vật nào đó (kể cả dầu mỏ, khí thiên nhiên,foocmol, dioxin…) Vi sinh vật rất phong phú các kiểu dinh dưỡng khác nhau: quang

tự dưỡng, quang dị dưỡng, hóa tự dưỡng, hóa dị dưỡng, tự dưỡng chất sinh trưởng,

dị dưỡng chất sinh trưởng…

f) Là sinh vật xuất hiện đầu tiên trên trái đất:

Trái đất hình thành cách đây 4.6 tỷ năm nhưng cho đến nay mới chỉ tìm thấy dấuvết của sự sống cách đây 3.5 tỷ năm Đó là các vi sinh vật hóa thạch còn để lại vếttích trong các tầng đá cổ Vi sinh vật hóa thạch cổ xưa nhất đã được phát hiện từnhững dạng rất giống vi khuẩn lam ngày nay Chúng được J William Schopf tìm

thấy tại các tầng đá cổ ở miền Tây Australia Chúng có dạng đa bào đơn giản, nốithành sợi dài đến vài chục mm với đường kính khoảng 1 -2 mm và có thành tế bàokhá dày Trước đó các nhà khoa học đã tìm thấy vết tích của chi Gloeodiniopsis cóniên đại cách đây 1.5 tỷ năm và vết tích của chi Palaeolyngbya có niên đại cách đây

950 triệu năm

3.3.2.2 Phân loại vi sinh vật

Hiện nay có hai cách phân loại vi sinh vật Cách thứ nhất theo hệ thống, và cáchthứ hai hai dựa theo cấu tạo của nhân vi sinh vật:

- Cách phân loại thứ nhất: theo cách phân loại của P.N.Bergey vi sinh vật đượcxếp trong ngành protophia Chúng gồm 3 lớp:

+ Schizomycetes (lớp vi khuẩn)

+ Schizophiceae (lớp thanh tảo)

+ Microtatobiotes (lớp rickettsia và virut)

- Cách phân loại thứ hai: theo cấu trúc của nhân vi sinh vật, người ta chia làm 2nhóm lớn:

+ Nhóm nhân nguyên thủy hay nhóm có nhân phân hóa (prokaryotic): baogồm tất cả vi sinh vật chưa có nhân thực thụ mà chỉ là một vùng sẫm gồm protein vàADN

Vết tích của vi khuẩn

lam cách đây 3.5 tỉ năm

Vết tích Gloeodiniops cách đây 3.5 tỉ năm

Vết tích Palaeolyngbya cách đây 950 triệu năm

Hình 3.5: Vết tích một số loài vi khuẩn

+ Nhóm nhân thật hay nhóm có nhân thực thụ (eukaryotic): bao gồm tất cảcác vi sinh vật có nhân thực Nhân này được cấu tạo bởi màng nhân, protein vàDNA.

3.3.2.3 Hình thái, cấu tạo của vi sinh vật

a) Vi khuẩn

Theo quan điểm hiện đại (NCBI – National Center for BiotechnologyInformation, 2005) thì vi khuẩn bao gồm các ngành sau đây: Aquificae –Thermotogae – Thermodesulfobacteria- Deinococcus – Thermus – Chrysiogenetes-Chloroflexi – Nitrospirae – Deferribacteres – Cyanobacteria – Proteobacteria –Firmicutes – Actinobacteria – Planctomycetes – Chlamydiae/Nhóm Chlorobia –Fusobacteria – Dictyoglomi Việc phân ngành dựa trên các đặc điểm hình thái, sinh

lý, sinh hóa, sinh thái… Căn cứ vào tỷ lệ G + C trong ADN người ta xây dựng đượccây phát sinh chủng loại (Phylogenetic tree) và chia vi khuẩn thành các nhóm sauđây:

- Nhóm oxy hóa hydrogen

- Nhóm vi khuẩn Gram dương

Vi khuẩn là một tổ chức nguyên thủy, đơn bào, cơ thể chứa khoảng 85% là nước

và 15% là các khoáng chất hay chất nguyên sinh Chất nguyên sinh phần lớn là S, K,

Na, Ca, Cl và một lượng nhỏ Fe, Si, Mg Chúng sinh sôi và nẩy nở nhờ hình thức tựphân đôi Vi khuẩn có thể xem là một trong những sinh vật sống nhỏ bé nhất, cóđường kính 0.5 -2µm và chiều dài từ 1 -10 µm

Các vi khuẩn được phân làm 3 nhóm chính dựa vào hình dạng tự nhiên hay trạngthái tồn tại của chúng Dạng đơn giản nhất là vi khuẩn cầu, còn gọi là Cocci Dạngthứ hai là các vi khuẩn hình que, gọi là Bacillus Dạng cuối cùng là các vi khuẩn hìnhxoắn hoặc cong, gọi là Spirilla Đại đa số vi khuẩn đóng vai trò quan trọng trong việcphân hủy chất hữu cơ, biến chất hữu cơ thành chất ổn định tạo thành bông cặn dễlắng.

Vi khuẩn ký sinh (paracitic bacteria) là vi khuẩn sống bám vào vật chủ, thức ăncủa nó là thức ăn đã được vật chủ đồng hóa, chúng thường sống trong đường ruộtcủa người và động vật đi vào nước thải theo phân và nước tiểu

Vi khuẩn hoại sinh (saprophytic bacteria) dùng chất hữu cơ không hoạt động làmthức ăn, nó phân hủy cặn hữu cơ làm chất dinh dưỡng để sống và sinh sản, và thải racác chất gồm cặn hữu cơ có cấu tạo đơn giản và cặn vô cơ Bằng quá trình hoạt độngnhư vậy, vi khuẩn hoại sinh đóng vai trò tích cực quan trọng trong việc làm sạchnước thải Nếu không có hoạt động sống và sinh sản của vi khuẩn, quá trình phânhủy sẽ không xảy ra Có rất nhiều loài vi khuẩn hoại sinh, mỗi loài đóng một vai tròđặc biệt trong mỗi công đoạn của quá trình phân hủy hoàn toàn cặn hữu cơ có trongnước thải và mỗi loài sẽ tự chết khi hoàn thành qui trình sống và sinh sản ở giai đoạiđó

Tất cả các vi khuẩn ký sinh và hoại sinh cần có thức ăn và oxy để đồng hóa Một

số loài trong số vi khuẩn này chỉ có thể hô hấp bằng oxy hòa tan trong nước gọi là vikhuẩn hiếu khí, còn quá trình phân hủy chất hữu cơ của chúng gọi là quá trình hiếukhí hay quá trình oxy hóa Một số loài khác trong số các vi khuẩn này không thể tồntại được khi có oxy hòa tan trong nước Những vi khẩn này gọi là vi khuẩn kỵ khí vàquá trình phân hủy gọi là quá trình kỵ khí, quá trình này tạo ra các chất có mùi khóchịu Còn một số loài vi khuẩn hiếu khí trong quá trình phân hủy chất hữu cơ, nếuthiếu hoàn toàn oxy hòa tan, chúng có thể tự điều chỉnh để thích nghi với môi trườnggọi là vi khuẩn hiếu khí lưỡng nghi Sự tự điều chỉnh để thích nghi với môi trường có

sự thay đổi của oxy hòa tan của vi khuẩn hoại sinh là rất quan trọng trong qui trìnhphân hủy chất hữu cơ của nước thải trong các công trình xử lý

Nhiệt độ nước thải có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình hoạt động và sinh sản của

vi khuẩn, phần lớn vi khuẩn hoại sinh hoạt động có hiệu quả cao và phát triển mạnh

Pseudomonas(phân hủy dratcacbon, nitrat hóa)

Desulfovibrio (khử sunfat, khử nitrat)

Bacillus(phân hủy hydratcacbon, protein) Nitrosomonas (nitrat hóa)

Hình 3.6: Một số vi sinh vật trong xử lý nước thải

mẻ ở nhiệt độ từ 20 – 40 C Một số loài vi khuẩn trong quá trình xử lý cặn phát triển

ở nhiệt độ 50 – 60oC Khi duy trì các điều kiện môi trường: thức ăn, nhiệt độ, pH,oxy, độ ẩm thích hợp để vi khuẩn phát triển thì hiệu quả xử lý sinh học trong côngtrình sẽ đạt hiêu quả cao nhất

Tuy nhiên, tất cả các vi khuẩn đều có lợi cho quá trình sinh hóa, một vài trong sốchúng là loài gây hại Có hai loài vi khuẩn có hại có thể phát triển trong hệ thốnghiếu khí/ thiếu khí Một là các dạng vi khuẩn dạng sợi (filamentous) là các dạng phân

tử trung gian, thường kết với nhau thành lớp lưới nhẹ nổi lên mặt nước và gây cảntrở quá trình lắng đọng trầm tích; làm cho lớp bùn đáy không có hiệu quả, sinh khối

sẽ không gắn kết lại và theo các dòng chảy sạch đã xử lý ra ngoài Một dạng vikhuẩn có hại khác tồn tại trong lượng bọt dư trong các bể phản ứng sinh hóa, phátsinh từ các hệ thống thông gió để tuần hoàn oxy trong hệ thống

Các vi sinh vật có hại thường xuất hiện trong hệ thống xử lý kỵ khí là các vikhuẩn khử sunfat Nhìn chung, lợi ích thu được từ thiết kế vận hành hệ thống xử lý

kỵ khí là tạo ra sản phẩm khí metan có giá trị kinh tế Tuy nhiên, nếu trong nước thảichứa sunfat ở nồng độ quá cao, lúc đó các vi khuẩn khử sunfat sẽ cạnh tranh với cácchất nhường điện tử, kết quả là tạo ra sản phẩm sunfit Điều này không những sẽ ảnhhưởng đến sản lượng khí metan tạo thành, mà còn tạo các sản phẩm không có lợi choquá trình vận hành hệ thống

b) Nấm men

Nấm men thuộc cơ thể đơn bào, có hình dạng khác nhau và hầu như không ổnđịnh, nó phụ thuộc vào tuổi của nấm men và điều kiện nuôi cấy Thường chúng cóhình cầu, hình ellip, hình bầu dục và cả hình dài Một số loài nấm men có tế bào hìnhdài nối với nhau tạo thành những sợi nấm gọi là khuẩn ty (mycelium) hay khuẩn tygiả (pseudomycelium)

Tế bào nấm men thường có kích thước lớn gấp từ 5 -10 lần tế bào vi khuẩn Kíchthước trung bình của nầm men là: chiều dài 9 – 10 μm, chiều rộng 2 – 7 μm Kíchm, chiều rộng 2 – 7 μm, chiều rộng 2 – 7 μm Kíchm Kíchthước của tế bào nấm men thay đổi theo điều kiện nuôi cấy, tuổi sinh lý

Hình thức sinh sản của nấm men có 3 hình thức chủ yếu:

- Sinh sản bằng cách nảy chồi

- Sinh sản bằng cách phân đôi

- Sinh sản bằng bào tử và sự hình thành bào tử.

c) Nấm mốc (nấm sợi)

Nấm mốc (molds hay mounds) là tên chung chỉ tất cả các vi sinh vật không phải

là nấm men cũng không phải là các nấm mũ lớn, được phân bố rộng rải trong tựnhiên Chúng không phải là loài thuộc thực vật, cũng không phải là động vật Dovậy, nấm mốc hoàn toàn khác với vi khuẩn và nấm men

Dựa vào cấu tạo của chúng mà người ta chia nấm mốc

thành 2 loại: loại nấm mốc có vách ngăn và loại nấm mốc

không có vách ngăn

- Nấm mốc có vách ngăn: đây là trường hợp mà

khuẩn ty được tạo thành do một chuỗi tế bào nối tiếp

nhau, ngăn cách hai tế bào và một màng ngăn Trong

mỗi tế bào nấm hầu như có đủ cơ quan của một tế bào, thường thấy ở Aspergillus vàpenicillium

- Nấm mốc không có vách ngăn: đây là những loại nấm mốc đa hạch, trong đógiữa các hạch không có màng ngăn

Sinh sản ở nấm mốc: nấm mốc là một trong những vi sinh vật có nhiều kiểu sinhsản khác nhau: sinh sản sinh dưỡng, sinh sản vô tính, sinh sản hữu tính

Nói chung, vi sinh dạng nấm có kích thước lớn hơn vi khuẩn và không có vai tròtrong giai đoạn phân hủy ban đầu các chất hữu cơ trong quá trình xử lý nước thải.Mặc dù nấm có thể sử dụng các vật chất hữu cơ tan trong mối quan hệ cạnh tranhvới các vi khuẩn, nhưng chúng dường như không cạnh tranh tốt trong quá trình sinhtrưởng lơ lửng hay ở điều kiện bám dính, trong môi trường bình thường, vì vậykhông tạo thành sự cân đối trong hệ thống vi trùng học Nói cách khác, khi cung cấpkhông đủ oxy và N hoặc pH quá thấp, nấm có thể sinh sản nhanh, gây ra các vấn đềảnh hưởng tương tự như các vi khuẩn dạng sợi

d)Virut

Virut là dạng sống khá đơn giản, có kích thước vô cùng nhỏ bé, từ 10 – 450 nm.Chúng có các đặc điểm chính như: không có cấu tạo tế bào; thành phần hóa học rấtđơn giản, chỉ bao gồm protein và axit nucleic, virut chỉ chứa ADN hoặc ARN; không

Hình 3.7: Naám moác

có khả năng sinh sản trong môi trường dinh dưỡng

tổng hợp; một số có khả năng tạo thành ty thể

Hầu như virut có cấu tạo hết sức đơn giản Toàn

bộ tế bào của chúng chỉ được tạo thành từ vỏ protein

và lõi là axit nucleic Chúng sinh trưởng bằng cách

tấn công vào tế bào của vật chủ (động vật, thực vật,

vi khuẩn, ) và sinh sôi nảy nở trong tế bào các vật

chủ này

Virut có nhiều dạng: Virut của động vật có hình cầu, hình trứng (virut đậu gà),hình hộp vuông hay hình chữ nhật (đậu bò), hay hình gậy,…; virut thực vật có hìnhquả cầu hay hình que dài (virut đóm lá, thuốc lào) Sự hiện diện của virut trong nướcthải sẽ ảnh hưởng không tốt cho quá trình xử lý

có giới tính

f)Tảo

Tảo là một nhóm vi sinh vật, nhưng chúng khác với vi khuẩn và các nấm khác ởchỗ chúng có diệp lục và có khả năng tổng hợp được các hợp chất hữu cơ từ vô cơdưới tác dụng của ánh sáng mặt trời