ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
KHẢO SÁT CÁC ĐIỀU KIỆN THÍCH HỢP CỦA CHỦNG VI KHUẨN PHÂN HỦY HỢP CHẤT HỮU CƠ ỨNG DỤNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHẾ BIẾN THỦY SẢN
Ngành: CÔNG NGHỆ SINH HỌC
Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ SINH HỌC
Giảng viên hướng dẫn : ThS Huỳnh Văn Thành Sinh viên thực hiện : Nguyễn Hồng Nhựt MSSV: 1151110252 Lớp: 11DSH03
TP Hồ Chí Minh, 2015
Trang 2LỜI CAM ĐOAN
Đồ án tốt nghiệp “Khảo sát các điều kiện thích hợp của chủng vi khuẩn phân
hủy hợp chất hữu cơ ứng dụng xử lý nước thải chế biến thủy sản” là kết quả nghiên
cứu của riêng tôi cùng với sự hướng dẫn khoa học của thầy Ths Huỳnh Văn Thành – Khoa Công nghệ sinh học – Thực phẩm – Môi trường, Trường Đại học Cơng Nghệ Tp.Hồ Chí Minh
Những kết quả có được trong đồ án này là hồn tồn khơng sao chép từ đồ án tốt nghiệp của người khác dưới bất kỳ hình thức nào Các số liệu sử dụng trong đồ án này là hồn tồn trung thực Tơi xin chịu trách nhiệm hoàn toàn về đồ án tốt nghiệp của mình
TP.HCM, ngày 19 tháng 08 năm 2015 Sinh viên thực hiện
Nguyễn Hồng Nhựt
Trang 3LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên em xin gửi lời cám ơn sâu sắc đến gia đình đã ln tạo mọi điều kiện tốt nhất cho con đường học tập của em Gia đình luôn bên cạnh động viên và là chỗ vựa vững chắc cho em suốt những năm học qua
Để hoàn thành tốt đồ án này em xin chân thành cảm ơn thầy Ths.Huỳnh Văn Thành đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo em trong suốt quá trình xây dựng, hoàn thiện đề cương sơ bộ cho đến khi hoàn thành đồ án
Em cũng xin cám ơn Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Công Nghệ Thành Phố Hồ Chí Minh cùng q thầy cơ Khoa Cơng nghệ sinh học – Thực phẩm – Môi trường đã tận tình giảng dạy truyền đạt kiến thức bổ ích, kinh nghiệm quý báu từ lĩnh vực chuyên môn đến cuộc sống làm nền tảng vững chắc cho em trong suốt thời gian học tập tại trường và tạo điều kiện thuận lợi cho em cho em hoàn thành đồ án này
Xin cảm ơn đến tất cả các bạn của em đã luôn bên cạnh động viên và hỗ trợ tôi trong suốt thời gian thực hiện đồ án
Cuối cùng, em xin cảm ơn các thầy cô trong Hội đồng phản biện đã dành thời gian đọc và nhận xét đồ án này Em xin gửi lời chúc sức khỏe và thành công đến quý thầy cô
TP.HCM, ngày 19 tháng 08 năm 2015 Sinh viên thực hiện
Nguyễn Hồng Nhựt
Trang 4i
MỤC LỤC
Trang
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vi
DANH MỤC CÁC BẢNG vii
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, SƠ ĐỒ, ĐỒ THỊ VÀ BIỂU ĐỒ viii
LỜI MỞ ĐẦU 1
1 Đặt vấn đề 1
2 Mục đích của nghiên cứu 2
3 Nhiệm vụ nghiên cứu 2
4 Phương pháp nghiên cứu 2
5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3
6 Ý nghĩa của đề tài 4
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 5
1.1.Tổng quan về công nghiệp chế biến thủy sản và nước thải chế biến thủy sản 5
1.1.1.Tổng quan về công nghiệp chế biến thủy sản 5
1.1.2.Quy trình chế biến thủy sản 6
1.1.3.Thành phần tính chất nước thải ngành chế biến thủy sản 8
1.1.4.Nguồn gốc phát sinh và tác động môi trường của các chất ô nhiễm trong ngành chế biến thủy sản 8
1.1.4.1.Chất thải rắn 9
1.1.4.2.Chất thải lỏng 9
1.1.4.3.Khí thải 9
1.1.4.4.Tiếng ồn, nhiệt độ 9
1.1.5.Tác động của ngành chế biến thủy sản đến môi trường sinh thái 10
1.1.5.1.Tác động của nước thải đến môi trường 10
Trang 5ii
1.1.5.2.Tác động của khí thải đến mơi trường 11
1.2.Tổng quan phương pháp xử lý nước thải thủy sản 1.2.1.Các quá trình xử lý nước thải 12
1.2.1.1.Khối xử lý cơ học 13
1.2.1.2.Khối xử lý hoá học 13
1.2.1.3.Khối xử lý sinh học 14
1.2.1.4.Khối khử trùng 17
1.2.1.5.Khối xử lý cặn 18
1.2.2.Các quy trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học trong điều kiện hiếu khí 18
1.2.2.1 Các quy trình xử lý 18
1.2.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học 25
1.3.Tổng quan về quá trình phân hủy hợp chất hữu cơ 28
1.3.1.Chất hữu cơ và hợp chất chứa Nitơ trong nước thải 28
1.3.2.Các hợp chất chứa Nitơ 28
1.3.3.Các quá trình phân hủy hợp chất hữu cơ 29
1.3.3.1.Q trình amơn hố protein 29
1.3.3.2.Q trình amon hóa ure 33
1.3.3.3.Quá trình khử nitrate 33
1.3.3.4.Vi sinh vật tham gia quá trình phân hủy protein 35
1.3.3.5.Một số chủng vi sinh vật hiếu khí phân hủy hợp chất hữu cơ 36
1.3.3.6.Phân hủy phospho 40
CHƯƠNG II VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 42
2.1 Thời gian và địa điểm 42
2.2 Vật liệu – Hóa chất – Dụng cụ và thiết bị 42
2.2.1 Vật liệu 42
Trang 6iii
2.2.2 Hóa chất 42
2.2.3 Dụng cụ và thiết bị 42
2.3 Bố trí thí nghiệm 43
2.4 Nội dung nghiên cứu 45
2.4.1 Nhân giống và giữ giống vi khuẩn phân hủy hợp chất hữu cơ 45
2.4.1.1 Nhân giống 45
2.4.1.2 Giữ giống 45
2.4.2 Khảo sát khả năng phân hủy hợp chất hữu cơ của chủng vi khuẩn 45
2.4.2.1 Thí nghiệm khảo sát khả năng phân hủy hợp chất hữu cơ của chủng vi khuẩn 45
2.4.2.2 Thí nghiệm khảo sát khả năng phân hủy hợp chất hữu cơ của bùn hoạt tính 46
2.4.3 Khảo sát ảnh hưởng mật độ vi sinh của chủng vi khuẩn 46
2.4.4 Khảo sát ảnh hưởng của oxy hòa tan đến khả năng phân hủy chất hữu cơ 472.4.5 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ muối 48
2.4.6 Khảo sát ảnh hưởng của giá thể bám dính 49
2.4.7 Mơ hình Bioreactor quy mơ phịng thí nghiệm 50
2.5 Phương pháp phân tích 52
2.5.1 Phương pháp lấy mẫu 52
2.5.2 Phương pháp dựng đường chuẩn 52
2.5.2.1 Phương pháp dựng đường chuẩn nitrate 52
2.5.2.2 Phương pháp dựng đường chuẩn nitrite 53
2.5.2.3 Phương pháp dựng đường chuẩn amoni 54
2.5.2.4 Phương pháp đường chuẩn phospho 55
2.5.3 Các phương pháp phân tích hóa học (định lượng) 56
2.5.3.1 Phương pháp định lượng N-NO3 56
2.5.3.2 Phương pháp định lượng N-NO2- 57
Trang 7iv 2.5.3.3 Phương pháp định lượng N-NH4+
57
2.5.3.4 Phân tích chỉ tiêu COD theo phương pháp 58
2.5.3.5 Phương pháp xác định BOD 60
2.5.3.6 Phương pháp xác định P 61
2.5.3.7 Phương pháp xác định Nitơ Kjeldahl 62
2.5.3.8 Phương pháp phân tích Cl 64
2.5.3.9 Phương pháp định lượng oxy hòa tan (DO) 65
CHƯƠNG 3 – KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 67
3.1 Kết quả dựng đường chuẩn 67
3.1.1 Đường chuẩn nitrate 67
3.1.2 Đường chuẩn nitrite 68
3.1.3 Đường chuẩn amoni 69
3.1.4 Đường chuẩn phospho 70
3.2 Khảo sát khả năng phân hủy chất hữu cơ của chủng vi khuẩn và bùn hoạt tính 71
3.3 Khảo sát ảnh hưởng của mật độ vi khuẩn đến khả năng phân hủy hợp chất hữu cơ 74
3.4 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ oxy hòa tan đến khả năng phân hủy chất hữu cơ của chủng vi khuẩn 76
3.5 Khảo sát ảnh hưởng nồng độ NaCl đến quá trình phân hủy hợp chất hữu cơ
78
3.6 Khảo sát ảnh hưởng của giá thể bám dính đến khả năng phân hủy chất hữu cơ của chủng vi khuẩn 81
3.7 Chạy thích nghi mơ hình Bioreactor quy mơ phịng thí nghiệm 82
CHƯƠNG IV – KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 86
4.1 Kết luận 86
4.2 Kiến nghị 86
Trang 8v
TÀI LIỆU THAM KHẢO 88PHỤ LỤC
Trang 9vi
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
BOD Nhu cầu oxy sinh học (Biochemical Oxygen Demand)
C/N Carbon/Nitrogen
CBTS Chế biến thủy sản
COD Nhu cầu oxy hóa học (Chemical Oxygen Demand)
DO Oxy hịa tan (Dissolved Oxygen)
ĐC Đối chứng MT Môi trường N2 Khí nitơ NB Nutrient broth NH4+ Amonium NO2- Nitrite NO3- Nitrate
PDA Axit phenoldisulfonic
STT Số thứ tự
TN Thí nghiệm
TN Thí nghiệm
VK Vi khuẩn
VSV Vi sinh vật
Trang 10vii
DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 1.1 Khử nitrate đồng hóa và khử nitrate dị hóa trong chu trình N của vi khuẩn 34
Bảng 1.2 Một số vi sinh vật tham gia q trình amon hóa protein 35
Bảng 2.1 Các thơng số mơ hình bioreactor xây dựng từ thí nghiệm 50
Bảng 2.2 Trình tự tiến hành dựng đường chuẩn nitrate 53
Bảng 2.3 Tiến trình dựng đường chuẩn nitrite 54
Bảng 2.4 Tiến trình dựng đường chuẩn amoni 55
Bảng 2.5 Tiến trình dựng đường chuẩn phospho 56
Bảng 2.6 Trình tự tiến hành phân tích COD 59
Bảng 2.7 Thể tích mẫu đem vơ cơ hóa 63
Bảng 3.1 Độ hấp thụ quang của dung dịch chuẩn 67
Bảng 3.2 Độ hấp thụ quang của dung dịch chuẩn 68
Bảng 3.3 Độ hấp thụ quang của dung dịch chuẩn 69
Bảng 3.4 Độ hấp thụ quang của dung dịch chuẩn 70
Bảng 3.5 Kết quả phân tích các chỉ tiêu đầu vào của mẫu nước thải 71
Bảng 3.6 Kết quả phân tích các chỉ tiêu đầu vào của bùn hoạt tính 71
Trang 11viii
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, SƠ ĐỒ, ĐỒ THỊ VÀ BIỂU ĐỒ
Trang
Hình 1.1 Sơ đồ quy trình chung chế biến thủy sản 07
Hình 1.2 Sơ đồ làm việc của bể Aerotank truyền thống 18
Hình 1.3 Sơ đồ làm việc của bể Aerotank có ngăn tiếp xúc 19
Hình 1.4 Sơ đồ làm việc của bể Aerotank làm thoáng kéo dài 20
Hình 1.5 Bể Aerotank thơng khí cao có khuấy trộn hồn chỉnh 20
Hình 1.6 Bể Oxytank 21
Hình 1.7 Mương oxy hóa 22
Hình 1.8 Bể lọc sinh học 23
Hình 1.9 Đĩa quay sinh học 23
Hình 1.10 Bể SBR 25
Hình 1.11 Chuỗi phân hủy hợp chất chứa Nitơ hữu cơ 29
Hình 1.12 Quá trình phân hủy protein 30
Hình 1.13 Quá trình phân giải protein ngoại bào 31
Hình 1.14 Quá trình hoạt động protease nội bào 32
Hình 1.15 Bacillus subtilis 37
Hình 1.16 Micrococcus 38
Hình 1.17 Penicillium camemberti 39
Hình 1.18 Pseudomonas 40
Hình 2.1 Sơ đồ tóm tắt bố trí thí nghiệm 44
Hình 2.2 Sera O2 Test Kit – Germany 65
Hình 2.3 Bảng so màu của Sera O2 Test Kit – Germany 66
Hình 3.1 Biểu đồ xác định phương trình đường chuẩn nitrate 67
Hình 3.2 Biểu đồ xác định phương trình đường chuẩn nitrite 68
Hình 3.3 Biểu đồ xác định phương trình đường chuẩn amoni 69
Trang 12ix
Hình 3.4 Biểu đồ xác định phương trình đường chuẩn phospho 70
Hình 3.5 Động học chuyển hóa N-NH4+ theo thời gian 72
Hình 3.6 N-NH4+ sinh ra theo thời gian 72
Hình 3.7 Biến đổi COD theo thời gian 73
Hình 3.8 Động học chuyển hóa N-NH4+ theo thời gian 74
Hình 3.9 Biến đổi COD của mật độ vi khuẩn theo thời gian 75
Hình 3.10 Biến đổi N-NH4+ của số vòng lắc theo thời gian 76
Hình 3.11 Biến đổi Oxy hịa tan theo số vịng lắc 77
Hình 3.12 Biến đổi COD của số vòng lắc theo thời gian 77
Hình 3.13 Động học biến đổi N-NH4+ của các nồng độ muối theo thời gian 79
Hình 3.14 Biến đổi COD của các nồng độ muối theo thời gian 80
Hình 3.15 Biến đổi hàm lượng N-NH4+ theo thời gian 81
Hình 3.16 Biến đổi hàm lượng COD theo thời gian 82
Hình 3.17 Biến đổi N-NH4+ theo thời gian 83
Hình 3.18 Biến đổi P-PO43- và Hiệu quả xử lý P-PO43- theo thời gian 84
Hình 3.19 Biến đổi COD và Hiệu quả xử lý COD theo thời gian 84
Trang 131
LỜI MỞ ĐẦU
1 Đặt vấn đề
Việt Nam với hệ thống sơng ngịi dày đặc và đường bờ biển dài 3260km nên rất thuận lợi để phát triển nghề đánh bắt và nuôi trồng thủy sản tạo ra nguồn cung nguyên liệu dồi dào cho ngành chế biến thủy sản phục vụ nhu cầu trong và ngồi nước
Cơng nghiệp chế biến thủy sản là một trong những ngành phát triển khá mạnh ở nước ta trong những năm gần đây Chế biến thủy sản là một trong những ngành kinh tế mũi nhọn góp phần tăng trưởng GDP cho quốc gia, tạo công ăn việc làm cho người lao động, nâng cao giá trị xuất khẩu của sản phẩm Bên cạnh những lợi ích do ngành chế biến thủy sản đem lại thì đây cũng là ngành sản xuất gây ô nhiễm nặng nề cho môi trường đặc biệt là môi trường nước
Nước thải của ngành công nghiệp chế biến thủy sản giàu protein, chứa lượng lớn nitơ, phostpho… Hàm lượng protein cao trong nước thải làm ảnh hưởng môi trường khơng khí do q trình phân hủy sinh khí H2S Hợp chất của nitơ, phostpho được gọi là thành phần dinh dưỡng và là đối tượng gây ô nhiễm nghiêm trọng Khi thải 1 kg nitơ dưới dạng hợp chất hóa học vào mơi trường nước sẽ sinh ra được 20kg COD, tương tự như nitơ, phostpho khi thải ra môi trường 1kg sẽ sinh ra 138 kg COD dưới dạng tảo chết [2]
Đối với nước thải giàu chất hữu cơ phương pháp xử lý sinh học đã và đang chứng minh được hiệu quả xử lý hơn hẳn những biện pháp xử lý hóa lý, góp phần tiết kiệm năng lượng, hóa chất và trên hết chất thải được xử lý, phân hủy theo chu trình sinh học tự nhiên Đối với nước thải chế biến thủy sản, việc áp dụng phương pháp xử lý sinh học càng thích hợp vì có hàm lượng hữu cơ cao, dễ phân hủy sinh học bởi vi sinh vật Một số vi sinh vật trong nước có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ chứa nitơ là thành phần chủ yếu của nước thải thủy sản, đặc biệt là vi khuẩn thuộc chi
Bacillus Các chủng vi sinh vật này đã có nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác
Trang 142 nhau như: công nghiệp sản xuất chất tẩy rửa, công nghiệp thực phẩm đặc biệt là trong lĩnh vực xử lý nước thải chứa nhiều protein như nước thải thủy sản
Xuất phát từ nhận thức trên đề tài “Khảo sát các điều kiện thích hợp của chủng vi khuẩn phân hủy chất hữu cơ ứng dụng xử lý nước thải chế biến thủy sản” đã hình thành với mong muốn tạo được các chế phẩm sinh học phù hợp với nước
thải thủy sản, bổ sung vào hệ thống xử lý nâng cao hiệu quả xử lý ơ nhiễm, góp phần bảo vệ mơi trường và cải thiện tài nguyên nước ngày càng trong sạch hơn
2 Mục đích của nghiên cứu
Ứng dụng chủng vi khuẩn có khả năng phân hủy hợp chất hữu cơ vào xử lý nước thải chế biến thủy sản quy mơ phịng thí nghiệm
3 Nhiệm vụ nghiên cứu
- Khảo sát khả năng phân hủy chất hữu cơ của chủng vi khuẩn trong môi trường nước thải chế biến thủy sản
- Khảo sát mật độ thích hợp của chủng vi khuẩn amon hóa bổ sung vào nước thải chế biến thủy sản
- Khảo sát ảnh hưởng oxy hòa tancủa chủng vi khuẩn amon hóa trong xử lý nước thải chế biến thủy sản
- Khảo sát khả năng chịu muối của chủng vi khuẩn amon hóa trong xử lý nước thải chế biến thủy sản
- Khảo sát ảnh hưởng của giá thể bám dính đối với hiệu quả xử lý nước thải chế biến thủy sản
- Chạy mơ hình xử lý nước thải thủy sản Bioreactor quy mơ phịng thí nghiệm
4 Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp tổng hợp tài liệu:
Nghiên cứu, thu thập tài liệu tham khảo, tài liệu internet liên quan đến đề tài
Tổng hợp, lựa chọn các tài liệu thu thập theo mục tiêu đề ra
Trang 153
- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm:
Phương pháp định lượng NH4+, NO2- ,NO3- và PO43- trong môi trường xử lý
Phương pháp xác định mật độ tế bào vi sinh vật
Phương pháp định lượng nhu cầu oxy hóa học (COD) và nhu cầu oxy sinh học (BOD) trong mẫu nước thải trước và sau xử lý
Khảo sát ảnh hưởng của giá thể bám dính, mật độ vi khuẩn, nồng độ muối và nồng độ oxy hòa tan để đạt hiệu quả xử lý tối ưu
Dựa trên các thơng số thí nghiệm tiến hành chạy mơ hình xử lý nước thải thủy sản Bioreactor quy mơ phịng thí nghiệm
- Phương pháp thu thập và xử lí số liệu:
Ghi nhận kết quả thí nghiệm khảo sát theo từng thời điểm cụ thể Xử lí số liệu bằng phần mềm Microsoft Excel
Xử lí thống kê số liệu bằng phần mềm Statgraphics Centurion XV Các số liệu sau đó được phân tích ANOVA và được trắc nghiệm phân hạng LSD với mức ý nghĩa 0,05
5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu:
Vi khuẩn có khả năng phân hủy hợp chất hữu cơ được lấy từ Trung tâm thí nghiệm Khoa Công Nghệ Sinh Học – Thực phẩm – Môi trường, Trường Đại Học Công Nghệ Tp.HCM
- Phạm vi nghiên cứu:
Khảo sát các điều kiện thích hợp của chủng vi khuẩn phân hủy chất hữu cơ ứng dụng trong xử lý nước thải chế biến thủy sản
Trang 164
6 Ý nghĩa của đề tài - Ý nghĩa khoa học:
Giúp bổ sung thêm một số chủng vi khuẩn có hoạt tính protease mạnh có thể ứng dụng vào các nghiên cứu mới trong các lĩnh vực xử lý môi trường
- Ý nghĩa thực tiễn:
Bổ sung chủng vi khuẩn phân hủy hợp chất hữu cơ vào quy trình xử lý nước thải rút ngắn thời gian phân hủy hợp chất hữu cơ tăng hiệu quả xử lý nước thải ngành chế biến thủy sản nói riêng và xử lý mơi trường nước nói chung
Trang 17
5
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan về công nghiệp chế biến thủy sản và nước thải chế biến thủy sản
1.1.1 Tổng quan về công nghiệp chế biến thủy sản
Việt Nam là nước có khí hậu nhiệt đới gió mùa, ẩm ướt cũng như chịu sự chi phối của các yếu tố như gió mưa, địa hình, thảm thực vật nên tạo điều kiện hình thành dịng chảy với hệ thống sơng ngịi dày đặc, tổng chiều dài các con sông khoảng 141.000 km Theo thống kê của Bộ thủy sản thì hiện nay Việt Nam có hơn 1.470.000 ha mặt nước sơng ngịi có thể dùng cho ni trồng thủy sản Song song đó, nước ta có bờ biển kéo dài từ Bắc tới Nam với rất nhiều vịnh, đảo kết hợp với sơng ngịi, ao hồ là nguồn lợi lớn cho phát triển ngành nuôi trồng thủy sản Biển Đông dồi dào phù sa kết hợp với hai dịng hải lưu nóng ấm hình thành biển Việt Nam phong phú nguồn lợi thủy hải sản, sản lượng đánh bắt mỗi năm có thể lên tới hàng triệu tấn
Cùng với nghề nuôi trồng, khai thác thủy hải sản thì ngành chế biến thủy sản cũng góp phần đáng kể trong thành tựu của ngành thủy sản Việt Nam Nguồn ngoại tệ cơ bản của ngành đem lại cho đất nước là từ chế biến thủy sản Quá trình phát triển và xây dựng tiềm lực chế biến thủy sản có thể khái quát qua hai thời kỳ sau:
- Từ năm 1976 đến năm 1989: Thời kỳ hoạt động sản xuất của ngành chế biến
thủy sản ở trong tình trạng sa sút kéo dài Dạng cơng nghệ chế biến thủy sản chủ yếu là nước mắm và sản phẩm khơ với trình độ cơng nghệ lạc hậu, thủ công
- Từ năm 1990 đến nay: Công nghiệp chế biến thủy sản không chỉ phát triển về số
lượng mà còn nâng cao về chất lượng với việc tăng cường đổi mới thiết bị công nghệ, áp dụng các chương trình quản lý sản xuất nhằm đáp ứng các yêu cầu cao về chất lượng an tồn vệ sinh thực phẩm và đa dạng hóa sản phẩm Từ đó làm cơ sở cho mở rộng thị trường xuất khẩu và nâng cấp giá trị sản phẩm thủy sản [18]
Trang 186 Qua các giai đoạn ngành thủy sản liên tục hoàn thành vượt mức toàn diện các chỉ tiêu kế hoạch Nhà nước giao với tốc độ tăng trưởng trung bình năm từ 5-8% sản lượng khai thác và 10-25% về giá trị kim ngạch xuất khẩu Ngành thủy sản hiện tại chiếm 4% GDP, 8% xuất khẩu và 9% lực lượng lao động (khoảng 3,4 triệu người) của cả nước Nhóm hàng chủ đạo trong xuất khẩu thủy sản của Việt Nam là cá tra, cá basa, tôm và các động vật thân mềm như mực, bạch tuộc, nghêu, sò,… Trong vòng 20 năm qua ngành thủy sản ln duy trì tốc độ tăng trưởng ấn tượng từ 10-20%
Theo Tổng cục Thống kê, ước tính giá trị sản xuất thủy sản năm 2014 (tính theo giá so sánh 2010) ước đạt gần 188 nghìn tỷ đồng, tăng 6,5% so với cùng kỳ năm 2013 Trong đó, giá trị ni trồng thủy sản ước đạt hơn 115 nghìn tỷ đồng (chiếm 61,2%) và giá trị khai thác thủy sản ước đạt hơn 73 nghìn tỷ đồng 7,92 tỷ là con số ấn tượng về xuất khẩu của ngành thủy sản trong năm 2014, tăng 18,4% so với năm 2013 Trong đó, Hoa Kỳ tiếp tục là thị trường nhập khẩu thủy sản hàng đầu của Việt Nam, chiếm 21,81% tổng giá trị xuất khẩu của toàn ngành Mặt hàng tôm năm nay tăng trưởng cao so với cùng kỳ năm 2013, chiếm khoảng một nửa kim ngạch xuất khẩu của ngành thủy sản, với giá trị xuất khẩu gần 4 tỷ USD, tăng 5,8% Hết năm 2014, khối lượng xuất khẩu cá tra ước đạt 750 nghìn tấn với kim ngạch xuất khẩu khoảng 1,70 - 1,75 tỷ USD [20]
1.1.2 Quy trình chế biến thủy sản
Hải sản được thu mua lựa chọn những loại có đủ tiêu chuẩn chế biến Các cơ sở chế biến khác nhau thường sử dụng công nghệ chế biến khác nhau Cơ sở chế biến ở
quy mô tiểu thủ công nghiệp sử dụng công nghệ chế biến đơn giản, công nghệ chế biến
khô Các công ty lớn sử dụng công nghệ hiện đại thành phẩm đạt tiêu chuẩn xuất khẩu Tùy theo quy mô của các cơ sở sản xuất, tính chất nguyên liệu, tính chất sản phẩm, dây chuyền công nghệ chế biến hải sản ở mỗi cơ sở khác nhau
Tuy nhiên nhìn chung các cơng nghệ chế biến ở Việt Nam đều tuân theo quy trình chế biến như Hình 1.1:
Trang 197
Hình 1.1 : Sơ đồ quy trình chung chế biến thủy sản
(Nguồn: Hiệp hội Chế biến và Xuất khẩu thủy sản Việt Nam, (2013)) Tơm, cá, mực, nghêu, sị
Tiếp nhận ngun liệu Sơ chế: tách đầu tôm,
mực; vảy, ruột cá… Rửa sạch, xử lý vi sinh Muối đá Nước thải Chất thải rắn Lọc cỡ, phân cỡ Nước Xếp khuôn Cấp đơng Ra khn Bao bìCấp đơng Bảo quản lạnhCấp đông
Xuất khẩu hoặc tiêu thụ trong nướcCấp đông
Nước thải lẫn muốiCấp đông
Trang 208 Lượng nước từ các công nghệ chế biến rất khác nhau, phụ thuộc vào lượng nước cấp, quy trình cơng nghệ, phương pháp chế biến và tình trạng máy móc Lượng nước thải từ các công ty dao động rất lớn, ở Việt Nam lượng nước thải tính trên 1 tấn sản phẩm dao động từ 30-200m3
.[17]
Ngành chế biến thủy sản đã sử dụng một số lượng nước rất lớn trong quá trình chế biến đồng thời thải ra môi trường một lượng nước thải cùng với các chất rắn
1.1.3 Thành phần tính chất nước thải ngành chế biến thủy sản
Đặc điểm của ngành chế biến thuỷ hải sản là có lượng chất thải lớn Các chất thải có đặc tính dễ ươn hỏng và dễ thất thoát theo đường thâm nhập vào dòng nước thải
Thành phần nước thải thuỷ sản cũng khá phức tạp và đa dạng bắt nguồn từ 3 loại nước thải: nước thải sản xuất, nước thải vệ sinh công nghiệp và nước thải sinh hoạt, trong đó nước thải sản xuất có mức độ ơ nhiễm cao hơn cả tuỳ theo đặc tính của nguyên liệu sử dụng mà có tính chất khác nhau Nước thải sản xuất chế biến thuỷ sản chứa chủ yếu là chất hữu cơ có nguồn gốc từ động vật thành phần là protein và chất béo
Nước thải của các xí nghiệp chế biến thuỷ sản nói chung có hàm lượng COD dao động từ 1600 - 2300 mg/l, hàm lượng BOD5 từ 1200 - 1800 mg/l Trong nước, thường chứa các vụn thủy sản và các vụn này rất dễ lắng Hàm lượng chất rắn lơ lửng cao từ 200 - 1000 mg/l Hàm lượng nitơ tổng là 50 - 120 mg/l và photpho tổng là 10 - 100 mg/l pH thường nằm trong giới hạn từ 6,5 – 7,5 do có quá trình phân huỷ đạm và thải amoniac [4]
1.1.4 Nguồn gốc phát sinh và tác động môi trường của các chất ô nhiễm trong ngành chế biến thủy sản
Các nguồn gây ô nhiễm chủ yếu trong công ty chế biến đông lạnh thường được phân chia thành 3 dạng: chất thải rắn, chất thải lỏng và chất thải khí Trong q trình
Trang 219 sản xuất còn gây ra các nguồn ô nhiễm khác như tiếng ồn, độ rung và khả năng gây cháy nổ
1.1.4.1 Chất thải rắn
Chất thải rắn thu được từ q trình chế biến tơm, mực, cá, sị, đầu vỏ tơm, vỏ sị, mai mực, nội tạng… thành phần chính của phế thải sản xuất các sản phẩm thủy sản chủ yếu là các chất hữu cơ giàu đạm, canxi, phospho Toàn bộ phế liệu này được tận dụng để chế biến các sản phẩm phụ hoặc đem bán làm thức ăn gia súc, gia cầm hoặc thủy sản
Ngồi ra cịn có một lượng nhỏ rác thải sinh hoạt, các bao bì, dây niềng hư hỏng hoặc đã qua sử dụng với thành phần đặc trưng của rác thải đô thị
1.1.4.2 Chất thải lỏng
Nước thải trong công ty máy chế biến đông lạnh phần lớn là nước thải trong quá trình sản xuất bao gồm nước rửa nguyên liệu, bán thành phẩm, nước sử dụng cho vệ sinh và nhà xưởng, thiết bị, dụng cụ chế biến và nước vệ sinh cho công nhân Lượng nước thải và nguồn gây ơ nhiễm chính là do nước thải trong quá trình sản xuất
1.1.4.3 Khí thải
Khí thải sinh ra từ cơng ty có thể là khí thải clo sinh ra trong quá trình khử trùng thiết bị, nhà xưởng chế biến và khử trùng nguyên liệu bán thành phẩm Mùi tanh từ mực, tôm nguyên liệu, mùi hôi tanh từ nơi chứa phế thải, vỏ sò, cống rãnh Bụi sinh ra trong quá trình vận chuyển bốc dỡ nguyên liệu Hơi tác nhân lạnh có thể bị rị rỉ NH3và hơi xăng dầu từ các bồn chứa nhiên liệu, máy phát điện và nồi hơi
1.1.4.4 Tiếng ồn, nhiệt độ
Tiếng ồn xuất hiện trong công ty chế biến thủy sản chủ yếu do hoạt động của các thiết bị lạnh, cháy nổ, phương tiện vận chuyển…
Trong phân xưởng chế biến của các công ty thủy sản nhiệt độ thường thấp và ẩm hơn so khu vực khác [4]
Trang 2210
1.1.5 Tác động của ngành chế biến thủy sản đến môi trường sinh thái
1.1.5.1 Tác động của nước thải đến môi trường
Nước thải chế biến thủy sản có hàm lượng các chất ơ nhiễm cao nếu không được xử lý sẽ gây ô nhiễm các nguồn nước mặt và nước ngầm trong khu vực
Đối với nước ngầm tầng nông, nước thải chế biến thủy sản có thể thấm xuống đất và gây ơ nhiễm nước ngầm Các nguồn nước ngầm nhiễm các chất hữu cơ, dinh dưỡng và vi khuẩn rất khó xử lý thành nước sạch cung cấp cho sinh hoạt Đối với nguồn nước mặt, các chất ơ nhiễm có trong nước thải chế biến thủy sản sẽ làm suy thoái chất lượng nước, tác động xấu đến môi trường và vi sinh vật thủy sinh cụ thể như sau:
Các chất hữu cơ
Các chất hữu cơ chứa trong nước thải chế biến thủy sản chủ yếu là dễ bị phân hủy Trong nước thải chứa các chất như cacbohyrate, protein, chất béo… khi thả vào nguồn nước sẽ làm suy giảm nồng độ oxy hòa tan trong nước do vi sinh vật sử dụng oxy hòa tan để phân hủy các chất hữu cơ
Nồng độ oxy hịa tan dưới 50% bão hịa có khả năng gây ảnh hưởng tới sự phát triển của tơm, cá Oxy hịa tan giảm khơng chỉ gây suy thối tài ngun thủy sản mà cịn làm khả năng tự làm sạch của nguồn nước, dẫn đến giảm chất lượng nước cấp cho sinh hoạt và công nghiệp
Tác động của chất rắn lơ lửng
Các chất rắn lơ lửng làm cho nước đục hoặc có màu nó hạn chế độ sâu tầng nước được ánh sáng chiếu xuống, gây ảnh hưởng đến quá trình quang hợp của tảo, rong, rêu… chất rắn lơ lửng cũng là tác nhân gây ảnh hưởng tiêu cực đến tài nguyên thủy sinh đồng thời gây hại về mặc cảm quan ( tăng độ đục nguồn nước) và gây bồi lắng dòng sông, cản trở sự lưu thông nước và tàu bè…
Tác động của các chất dinh dưỡng (N,P)
Nồng độ các chất nitơ, phospho cao gây hiện tượng phát triển bùng nổ các loài tảo, đến mức độ giới hạn tảo sẽ bị chết và phân hủy gây hiện tượng thiếu oxy
Trang 2311 Nếu nồng độ oxy giảm đến 0 gây ra hiện tượng thủy vực chết ảnh hưởng đến chất lượng nước của thủy vực Ngoài ra, các loài tảo nổi trên mặt nước tạo thành lớp màng khiến cho mặt nước khơng đủ ánh sáng, q trình quang hợp của thực vật tầng dưới bị ngưng trệ Tất cả các hiện tượng trên gây tác động xấu tới chất lượng nước, ảnh hưởng tới hệ thủy sinh, nghề nuôi trồng thủy sản, du lịch và cấp nước
Amonia rất độc cho tôm cá dù ở nồng độ rất nhỏ Nồng độ amonia làm chết tôm cá từ 1,2 – 1,3mg/L Tiêu chuẩn chất lượng nước nuôi trồng thủy sản của nhiều quốc gia yêu cầu nồng độ amonia không vượt quá 1mg/L
Vi sinh vật
Các vi sinh vật, đặc biệt là vi khuẩn gây bệnh và trứng giun sán trong nguồn nước là nguồn ô nhiễm đặc biệt Con người trực tiếp sử dụng nguồn nước nhiễm bẩn hay qua các nhân tố lây bệnh sẽ truyền dẫn các bệnh dịch cho con người như bệnh lị, thương hàn, bại liệt, nhiễm khuẩn đường tiết niệu và tiêu chảy cấp tính [9]
1.1.5.2 Tác động của khí thải đến mơi trường
Các khí thải có chứa các bụi, các chất khí COx, NOx, SOx… sẽ tác động xấu đến sức khỏe của công nhân lao động trong khu vực, đây là tác nhân gây bệnh hô hấp cho con người nếu hít thở khơng khí ơ nhiễm lâu ngày
Khí clo phát sinh từ khâu vệ sinh chứa hàm lượng chlorine 100 – 200 ppm, chlo hoạt động còn lại trong nước thải với hàm lượng cao và nồng độ khí clo trong khơng khí đo được tại chỗ thường cao hơn mức quy định từ 5 – 7 lần
Clo là loại khí độc gây ảnh hưởng trực tiếp đến mắt, đường hô hấp khi tiếp xúc ở nồng độ cao có thể gây chết người Ngoài ra, các sản phẩm phụ là các chất hữu cơ dẫn xuất của clo có độ bền vững và độc tính cao Các chất này đều độc hại và có khả năng tích tụ sinh học
Trang 2412 Mùi hôi tanh ở khu vực sản xuất tuy khơng có độc tính cấp, nhưng trong điều kiện phải tiếp xúc với thời gian dài người lao động sẽ có biểu hiện đặc trưng như buồn nôn, kém ăn, mệt mỏi trong giờ làm việc [14]
1.2 Tổng quan phương pháp xử lý nước thải thủy sản
Các loại nước thải đều chứa các tạp chất gây nhiễm bẩn có tính chất rất khác nhau: từ các loại chất rắn khơng tan, đến các loại chất rắn khó tan và những hợp chất tan trong nước Xử lý nước thải là loại bỏ các tạp chất đó, làm sạch lại nước và có thể đưa nước đổ vào nguồn hoặc tái sử dụng Tuỳ vào yêu cầu của nước thải đầu ra hoặc mục đích tái sử dụng nước thải, tuỳ vào thành phần và tính chất nước thải cũng như yêu cầu về năng lượng, hoá chất mà chúng ta lựa chọn phương pháp xử lý thích hợp:
Xử lý bằng phương pháp cơ học
Xử lý bằng phương pháp hố lí và hố học Xử lý bằng phương pháp sinh học
Tuy nhiên đối với yêu cầu của nước thải đầu ra như hiện nay, dây chuyền công nghệ xử lý nước thải đòi hỏi áp dụng phối hợp các phương pháp trên Và đặc biệt, phương pháp sinh học không phải là một phương pháp riêng lẻ trong bất cứ công nghệ xử lý nước thải nào, mà đòi hỏi phải đi kèm theo các phương pháp cơ học và hố lí.[4]
1.2.1 Các q trình trong xử lý nước thải
Phương pháp xử lí sinh học là sử dụng khả năng sống, hoạt động của vi sinh vật để phân hủy các chất bẩn hữu cơ có trong nước thải Các vi sinh vật sử dụng các hợp chất hữu cơ và một số khoáng chất làm nguồn dinh dưỡng và tạo năng lượng Trong quá trình dinh dưỡng, chúng nhận các chất dinh dưỡng để xây dựng tế bào, sinh trưởng và sinh sản vì thế sinh khối của chúng được tăng lên Quá trình phân hủy các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật gọi là q trình oxy hóa sinh hóa Phương pháp xử lý sinh học có thể thực hiện trong điều kiện hiếu khí ( với sự có mặt của oxy) hoặc trong điều kiện kị khí ( khơng có oxy)
Trang 2513 Phương pháp xử lý sinh học có thể ứng dụng làm sạch hồn tồn các loại nước thải chứa chất hữu cơ hịa tan hoặc phân tán nhỏ Quá trình xử lý sinh học có thể đạt hiệu suất khử trùng 99.9% ( trong các cơng trình trong điều kiện tự nhiên) theo BOD tới 90-95%
Quá trình xử lý sinh học gồm các bước:
Chuyển hóa các hợp chất có nguồn gốc cacbon ở dạng keo và dạng hịa tan thành thể khí và thành các vỏ tế bào vi sinh
Tạo ra các bông cặn sinh học gồm các tế bào vi sinh vật và các chất keo vô cơ trong nước thải
Loại các bông cặn ra khỏi nước thải bằng quá trình lắng
Do kết hợp các phương pháp xử lý: cơ học, hoá học, sinh học nên một dây chuyền công nghệ xử lý nước thải phải đi qua các khối sau.[3]
1.2.1.1 Khối xử lý cơ học
Tách các chất khơng hồ tan và một phần dạng keo Trong nước thải thường có các loại tạp chất rắn kích cỡ khác nhau bị cuốn theo: rơm, cỏ, lá, gỗ, mẫu bao bì, chất dẻo, giấy, dẽ, dầu mỡ, cát, sỏi Mục tiêu của khối xử lý này là loại bỏ cặn có kích thước lớn và những vật liệu thơ có thể làm tắc những thiết bị trong nhà máy Các cơng trình trong xử lý cơ học như: song chắn rác, lắng cát, các loại bể lắng, vớt lọc dầu
1.2.1.2 Khối xử lý hoá học
Loại bỏ các chất thải rắn có kích thước nhỏ hơn, cũng như các chất hoà tan mà phương pháp sinh học, cơ học không xử lý được Sử dụng các phương pháp hoá học là các phản ứng hố học, các q trình hố lý diễn ra giữa chất bẩn và hoá chất cho thêm vào Đó là phản ứng trung hồ, phản ứng oxi hoá - khử, phản ứng tạo kết tủa hoặc phân huỷ các chất độc hại
Các cơng trình trong khối xử lý hoá học ứng dụng các phương pháp biến đổi cơ học và kết hợp cơ học: keo tụ, hấp thụ, hấp phụ.với các bể tuyển nổi, tháp hấp phụ… Các cơng trình khối này được đặt sau các cơng trình xử lý cơ học và trước cơng trình
Trang 2614 xử lý sinh học
1.2.1.3 Khối xử lý sinh học
Dựa trên hoạt động của vi sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn dị dưỡng hoại sinh có trong nước thải Quá trình hoạt động của chúng oxy hố các chất hữu cơ dạng keo và hoà tan, những chất hữu cơ gây nhiễm bẩn được khoáng hoá và trở thành những chất vơ cơ, các chất khí đơn giản và nước
Các cơng trình xử lý sinh học được phân ra: các cơng trình trong điều kiện tự nhiên như cánh đồng tưới, hồ sinh học và các cơng trình nhân tạo như bể lọc sinh học, bể bùn hoạt tính
Nguyên tắc
Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học dựa trên hoạt động sống của vi sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn dị dưỡng hoại sinh, có trong nước thải Q trình hoạt động của chúng giúp các chất hữu cơ gây nhiễm bẩn được khống hố và trở thành những chất vơ cơ, các chất khí đơn giản và nước
Các vi sinh vật có thể phân huỷ được tất cả các chất hữu cơ có trong thiên nhiên và nhiều hợp chất hữu cơ tổng hợp Mức độ phân huỷ và thời gian phân huỷ phụ thuộc trước hết vào cấu tạo các chất hữu cơ, độ hoà tan của các chất trong nước và các yếu tố ảnh hưởng khác
Vi sinh vật có trong nước thải sử dụng các hợp chất hữu cơ và một số chất khống có trong nước thải làm nguồn dinh dưỡng và sinh năng lượng Quá trình phân huỷ các chất dinh dưỡng làm cho các vi sinh vật sinh trưởng, phát triển tăng số lượng tế bào (gia tăng sinh khối), đồng thời làm sạch các chất hoà tan hoặc các hạt keo nhỏ Do vậy trước khi xử lý sinh học, người ta phải loại bỏ các tạp chất có kích thước, trọng lượng lớn ra khỏi nước thải trong giai đoạn xử lý sơ bộ Đối với các tạp chất vơ cơ có trong nước thải thì phương pháp sinh học có thể khử các chất sulfit, muối amon, nitrat
Trang 2715 .các chất chưa bị oxi hố hồn tồn Sản phẩm của các q trình này là khí CO2, H2O, khí N2, ion sulfat.[3],[4]
Sinh trưởng lơ lửng - bùn hoạt tính
Bùn hoạt tính là tập hợp các vi sinh vật khác nhau chủ yếu là vi khuẩn, kết lại thành bông với trung tâm là các hạt chất rắn lơ lửng trong nước Các bơng này có màu vàng nâu, dễ lắng, có kích thước từ 3 - 150 pm Các chất keo dính trong khối nhầy của bùn hoạt tính hấp phụ các chất lơ lửng, vi khuẩn, các chất màu, mùi, trong nước thải Do vậy hạt bùn sẽ lớn dần và tổng lượng bùn cũng tăng dần lên, rồi từ từ lắng xuống đáy Kết quả là nước sáng màu, giảm lượng ô nhiễm, các chất huyền phù lắng xuống cùng với bùn và nước sẽ được làm sạch
Khi cân bằng dinh dưỡng cho vi sinh vật trong nước thải cần quan tâm tới tỉ số BOD5 : N : P = 100 : 5 : 1 hoặc 200 : 5 : 1 trong các cơng trình xử lý hiếu khí Khi cân bằng dinh dưỡng người ta có thể dùng NH4OH, ure và các muối amon làm nitơ và các muối phosphat, supephosphat làm nguồn phospho
Các nguyên tố vi lượng: K, Mg, Ca, S, Fe, Mn, Zn đều cần cho vi sinh vật nhưng ở trong nước thải thường có đủ mặt các chất này và không cần phải bổ sung thêm Thiếu các nguyên tố dinh dưỡng sẽ kìm hãm sinh trưởng và ngăn cản các q trình oxi hố - khử trong tế bào vi sinh vật, làm giảm khả năng phân huỷ chất hữu cơ có trong nước thải:
Nếu thiếu nitơ (dạng NH4+ là nguồn dinh dưỡng của vi sinh vật) lâu dài sẽ làm cho vi sinh vật khơng sinh sản, tăng sinh khối, ngồi ra cịn cản trở q trình hố sinh làm cho bùn hoạt tính khó lắng, trơi theo nước ra khỏi bể lắng
Nếu thiếu phospho sẽ tạo điều kiện cho vi sinh vật sợi phát triển như Nocardia hay Microthrix gây sự cố bung bùn trong bùn hoạt tính, làm cho quá trình lắng
chậm và giảm hiệu suất oxi hố các chất hữu cơ của bùn hoạt tính
Số lượng vi khuẩn trong bùn hoạt tính dao động trong khoảng 108 đến 1012 trên
Trang 2816 1mg chất khô (chất rắn tách ra từ bùn hoạt tính bằng cách lọc hoặc ly tâm ở 100oC)
Phần lớn chúng là Pseudomonas, Achromobacter, Alcaligenes, Bacillus, Micrococcus,
Flavobacterium
Các vi khuẩn tham gia q trình chuyển hố NH3 thành N2 thấy có mặt trong
bùn như Nitromonas, Nitrobacter, Acinetobacter, Hyphomycrobium, Thiobacillus
Trong khối nhầy ta thấy có lồi Zooglea, đặc biệt là Z.ramizoga rất giống Pseudomonas Chúng có khả năng sinh ra một bào nhầy chung quanh tế bào Bao nhầy
này là một polyme sinh học, thành phần là polysaccarit, có tác dụng kết các tế bào vi khuẩn lại thành hạt bơng
Trong bùn hoạt tính ta cịn thấy các lồi ngun sinh động vật Chúng đóng vai trị khá quan trọng trong bùn Chúng cũng tham gia phân huỷ các chất hữu cơ ở điều kiện hiếu khí, điều chỉnh loài và tuổi quần thể vi sinh vật trong bùn, giữ cho bùn luôn luôn hoạt động ở điều kiện tối ưu Động vật nguyên sinh ăn các vi khuẩn già hoặc đã chết, tăng cường loại bỏ vi khuẩn gây bệnh, làm đậm đặc màng nhầy nhưng lại làm xốp khối bùn, kích thích vi sinh vật tiết enzyme ngoại bào để phân huỷ các chất hữu cơ nhiễm bẩn và làm kết lắng bùn nhanh Trong bùn hoạt tính thấy có đại diện của 4 lớp
Protozoa là Sarcodina, Mastogophora, Ciliata và Suctoria Hay gặp nhất là giống Amoeba thuộc lớp Sarcodina Các loài Cladocera thì lọc các tế bào vi khuẩn và cả chất
hữu cơ chết, lọc tảo sợi, có ích trong việc làm giảm độ đục của nước thải sau xử lý
Người ta lấy chỉ tiêu Protozoa để xác định chất lượng bùn hoạt tính, bùn có chất lượng cao cứ 1 triệu tế bào vi khuẩn phải có 10 - 15 protozoa.[2],[4]
Sinh trưởng dính bám - màng sinh học
Trong dịng nước thải có những vật rắn làm giá mang, các vi sinh vật (chủ yếu là vi khuẩn) sẽ dính bám trên bề mặt Trong số các vi sinh vật có những lồi sinh ra các polysaccharide có tính chất như là các chất dẻo (gọi là polyme sinh học), tạo thành màng - màng sinh học Màng này cứ dày dần thêm và thực chất đây là sinh khối vi sinh vật dính bám hay cố định trên các chất mang Màng này có khả năng oxy hoá các chất
Trang 2917 hữu cơ có trong nước thải khi nước chảy qua hoặc tiếp xúc với màng, ngồi ra màng này cịn khả năng hấp phụ các chất bẩn lơ lửng hoặc trứng giun sán
Như vậy, màng sinh học là tập hợp các lồi vi sinh vật khác nhau, có hoạt tính oxy hố các chất hữu cơ có trong nước khi tiếp xúc với màng Màng này dày từ 1 - 3mm và hơn nữa Màu của màng thay đổi theo thành phần của nước thải từ màu vàng xám đến màu nâu tối Trong quá trình xử lý, nước thải chảy qua lớp vật liệu lọc có thể cuốn theo các hạt của màng vỡ với kích thước 15 - 30 mm có màu sáng vàng hoặc nâu Các cơng trình xử lý nước thải ứng dụng màng sinh học trên để loại bỏ các chất hữu cơ nhiễm bẩn ra khỏi nước thải Cơ chế hoạt động của các cơng trình dựa trên lớp vật liệu lọc, tạo thành giá đỡ để hình thành màng sinh học Vật liệu lọc có thể được thí nghiệm đơn giản với cát, sỏi được xếp như sau: ở dưới cùng là các lớp sỏi cuội đã rửa sạch có kích thước nhỏ dần theo chiều cao của lớp lọc, ở lớp trên được trải lớp cát vàng hạt to rồi đến nhỏ Nước thải đã được lọc qua lớp màng sinh học sẽ thấm qua lớp cát nhỏ trên cùng rồi thấm dần qua lọc Màng này được tạo thành từ hàng triệu đến hàng tỉ tế bào vi khuẩn, các vi sinh vật khác và có cả động vật nguyên sinh
Màng sinh học trong các cơng trình lọc sinh học chủ yếu là các vi khuẩn hiếu khí, nhưng thực ra phải coi đây là hệ tuỳ tiện, màng cịn có các vi khuẩn tuỳ tiện và kị
khí Ở ngồi cùng lớp màng là lớp hiếu khí, rất dễ thấy các loài trực khuẩn Bacillus Lớp trung gian là các vi khuẩn tuỳ tiện như Pseudomonas, Alcaligenes,
Flavobacterium, Micrococcus và cả Bacillus Lớp sâu bên trong màng là kị khí, có vi
khuẩn kị khí khử lưu huỳnh và khử nitrat là Desulfovibrio Phần dưới cùng của lớp
màng là lớp quần thể vi sinh vật với sự có mặt của động vật nguyên sinh và một số vi sinh vật khác Các loài này sử dụng một phần màng sinh học làm thức ăn tạo thành các lỗ nhỏ của màng trên bề mặt chất mang Quần thể vi sinh vật của màng sinh học có tác dụng như bùn hoạt tính.[4]
1.2.1.4 Khối khử trùng
Nước thải sau khi đã được xử lý qua ba khối trên sẽ được xử lý triệt để hơn theo
Trang 3018 yêu cầu nguồn tiếp nhận bằng cách khử trùng nước trước khi xả ra nguồn Mục đích của khối khử trùng là để nâng cao nước thải đầu ra, đảm bảo sạch mầm bệnh theo tiêu chuẩn nguồn tiếp nhận
Các cơng trình khối khử trùng bao gồm: trạm trộn Clor, máng trộn, bể tiếp xúc
1.2.1.5 Khối xử lý cặn
Trong quá trình xử lý nước thải, thu được một lượng lớn bùn cặn, đó là các tạp chất vô cơ, hữu cơ Bùn cặn thu được ở công đoạn xử lý sơ bộ (cấp I) sau các khối xử lý cơ học, hoá học là các cặn vô cơ, bùn cặn thu được ở lắng II sau khối xử lý sinh học là các tạp chất hữu cơ, chứa nhiều sinh khối vi sinh vật Khối xử lý cặn sẽ xử lý các loại bùn cặn thải ra ở các khối trên
Các cơng trình xử lý cặn gồm: bể metan, sân phơi bùn, trạm xử lý cơ học bùn cặn.[4]
1.2.2 Các quy trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học trong điều kiện hiếu khí 1.2.2.1 Các quy trình xử lý Bể Aerotank truyền thống
Hình 1.2 Sơ đồ làm việc của bể Aerotank truyền thống
Bể Aerotank tải trọng cao
Hoạt động của bể Aerotank tải trọng cao tương tự như bể có dịng chảy nút, chịu được tải trọng chất bẩn cao và có hiệu suất làm sạch cũng cao, sử dụng ít năng lượng,
Bể lắng đợt 1 Bể lắng đợt 2 Bể aerotank Nguồn tiếp nhận Đầu vào Xả bùn Xả bùn hoạt tính
Trang 3119 lượng bùn sinh ra thấp Nước thải đi vào có độ nhiễm bẩn cao, thường là BOD > 500 mg/l Tải trọng bùn hoạt tính là 400 – 1000 mg BOD/g bùn (không cho) trong một ngày đêm
Bể Aerotank có hệ thống cấp khí giảm dần theo chiều dòng chảy
Nồng độ chất hữu cơ vào bể Aerotank được giảm dần từ đầu đến cuối bể do đó nhu cầu cung cấp oxy cũng tỷ lệ thuận với nồng độ các chất hữu cơ
Ưu điểm:
- Giảm được lượng khơng khí cấp vào bể tức là giảm cơng suất của máy thổi khí - Khơng có hiện tượng làm thống q mức làm ngăn cản sự sinh trưởng của vi
khuẩn khử các hợp chất Nitơ
- Có thể áp dụng tải trọng cao (F/M cao), chất lượng nước ra tốt
Bể Aerotank có ngăn tiếp xúc với bùn hoạt tính đã ổn định (Contact
Stabilitation): Bể gồm ngăn tiếp xúc và ngăn tái sinh
Hình 1.3 Sơ đồ làm việc của bể Aerotank có ngăn tiếp xúc
Ưu điểm của dạng bể này là bể Aerotank có ngăn tiếp xúc có dung tích nhỏ, chịu được sự dao động của lưu lượng và chất lượng nước thải, có thể ứng dụng cho nước thải có hàm lượng keo cao
Bể lắng đợt 1
Ngăn tái sinh bùn hoạt tính Ngăn tiếp xúc Bể lắng đợt 2 Xả bùn Nguồn tiếp nhận Xả bùn hoạt tính Đầu vào
Trang 3220
Bể Aerotank làm thoáng kéo dài
Khi nước thải có tỉ số F/M (tỷ lệ giữa BOD5 và bùn hoạt tính: mg BOD5/mg bùn hoạt tính) thấp, tải trọng thấp, thời gian thơng khí thường 20 – 30h
Hình 1.4 Sơ đồ làm việc của bể Aerotank làm thoáng kéo dài
Bể Aerotank khuấy trộn hồn chỉnh
Hình 1.5 Bể Aerotank thơng khí cao có khuấy trộn hồn chỉnh
Ưu điểm là pha lỗng ngay tức khắc, nồng độ các chất ơ nhiễm trong tồn thể tích bể, khơng xảy ra hiện tượng quá tải cục bộ ở bất cứ phần nào của bể, áp dụng thích hợp cho loại nước thải có chỉ số bùn cao, cặn khó lắng
Trang 3321
Oxytank
Dựa trên nguyên lý làm việc của Aerotank khuấy đảo hoàn chỉnh người ta thay khơng khí nén bằng sục khí oxy tinh khiết
Hình 1.6: Bể Oxytank
Ưu điểm:
- Hiệu suất cao nên tăng được tải trọng BOD - Giảm thời gian sục khí
- Lắng bùn dễ dàng
- Giảm bùn đáng kể trong quá trình xử lý
Mương oxy hóa
Mương oxy hóa là dạng cải tiến của bể Aerotank khuấy trộn hoàn chỉnh có dạng vịng hình chữ O làm việc trong chế độ làm thoáng kéo dài với dung dịch bùn hoạt tính lơ lửng trong nước thải chuyển động tuần hoàn liên tục trong mương
Trang 3422
Hình 1.7: Mương oxy hóa
Bể lọc sinh học – Biofilter
Là cơng trình được thiết kế nhằm mục đích phân hủy các chất hữu cơ có trong nước thải nhờ q trình oxy hóa diễn ra trên bề mặt vật liệu tiếp xúc Trong bể chứa đầy vật liệu tiếp xúc, là giá thể cho vi sinh vật sống bám Có 2 dạng:
Bể lọc sinh học nhỏ giọt: Là bể sinh học có lớp vật liệu lọc không ngập nước
Giá trị BOD của nước thải sau khi làm sạch tới 10 ÷ 15 mg/l Với lưu lượng nước thải không quá 1000m3/ngày
Bể lọc sinh học cao tải: Lớp vật liệu lọc đặt ngập trong nước Tải trọng nước thải
tới 10 ÷ 30 m3
/m2 tức là gấp 10 ÷ 30 lần ở bể lọc sinh học nhỏ giọt
Tháp lọc sinh học cũng có thể được xem như là một bể sinh học nhưng có chiều cao khá lớn
Trang 3523
Hình 1.8 Bể lọc sinh học
Đĩa quay sinh học RBC (Rotating biological contractors)
RBC gồm một loại đĩa tròn xếp gần nhau bằng polystyren hay PVC Những đĩa này được nhúng chìm trong nước thải và quay từ từ Trong khi vận hành, sinh vật tăng trưởng sẽ bám dính vào bề mặt đĩa và hình thành một lớp màng nhày trên tồn bộ bề mặt ướt của đĩa
Đĩa quay làm cho sinh khối luôn tiếp xúc với chất hữu cơ trong nước thải và không khí để hấp thụ oxy, đồng thời tạo sự trao đổi oxy và duy trì sinh khối trong điều kiện hiếu khí
Hình 1.9 Đĩa quay sinh học
Trang 3624
Bể sinh học theo mẻ SBR (Sequence Batch Reacter)
SBR là một dạng bể của bể Aerotank Khi xây dựng bể SBR nước thải chỉ cần đi qua song chắn rác, bể lắng cát và tách dầu mỡ nếu cần, rồi nạp thẳng vào bể Ưu điểm là khử được các hợp chất Nitơ, photpho khi vận hành đúng quy trình hiếu khí, thiếu khí và yếm khí
Bể SBR hoạt động theo 5 pha:
- Pha làm đầy (Fill): Thời gian bơm nước vào bể kéo dài từ 1-3 giờ Dòng nước
thải được đưa vào bể trong suốt thời gian diễn ra pha làm đầy Trong bể phản ứng hoạt động theo mẻ nối tiếp nhau, tùy thuộc vào mục tiêu xử lý, hàm lượng BOD đầu vào, quá trình làm đầy có thể thay đổi linh hoạt: Làm đầy – tĩnh, làm đầy – hịa trộn, làm đầy sục khí
- Pha phản ứng, thổi khí (React): Tạo phản ứng sinh hóa giữa nước thải và bùn
hoạt tính bằng sục khí hay làm thoáng bề mặt để cung cấp oxy vào nước và khuấy trộn đều hỗn hợp Thời gian làm thoáng phụ thuộc vào chất lượng nước thải, thường khoảng 2 giờ Trong pha phản ứng, q trình nitrat hóa có thể thực hiện, chuyển nitơ từ dạng N-NH3 sang N-NO22- và nhanh chóng chuyển sang dạng N-NO 3-
- Pha lắng (Settle): Lắng trong nước Quá trình diễn ra trong môi trường tĩnh,
hiệu quả thủy lực của bể đạt 100% Thời gian lắng trong và cô đặc bùn thường kết thúc sớm hơn 2 giờ
- Pha rút nước (Draw): Khoảng 0.5 giờ
- Pha chờ: Chờ đợi để nạp mẻ mới, thời gian chờ phụ thuộc vào thời gian vận
hành 4 quy trình và số lượng bể, thứ tự nạp nước nguồn vào bể
Xả bùn dư là một giai đoạn quan trọng không thuộc 5 giai đoạn cơ bản trên, nhưng nó cũng ảnh hưởng đến năng suất của hệ Lượng và tần suất xả bùn được xác định bởi năng suất yêu cầu, cũng giống như hệ hoạt động liên tục thông thường Trong hệ hoạt động gián đoạn, việc xả thường được thực hiện ở giai đoạn lắng hoặc giai đoạn
Trang 3725 tháo nước trong Đặc điểm duy nhất là lở bể SBR khơng tuần hồn của bùn hoạt hóa Hai q trình làm thống và lắng đều diễn ra ở ngay trong một bể, cho nên khơng có sự mất mát bùn hoạt tính ở giai đoạn phản ứng và khơng phải tuần hồn bùn hoạt tính để giữ nồng độ.[4]
Hình 1.10 Bể SBR
1.2.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học
Nồng đơ chất hữu cơ: chất hữu cơ có trong nứơc thải phải là cơ chất dinh dưỡng nguồn cacbon và năng lượng cho vi sinh vật Các hợp chất hidrocacbon, protein, lipit hoà tan thường là cơ chất dinh dưỡng rất tốt cho vi sinh vật COD/BOD < 2 hoặc BOD/COD > 0,5 mới có thể đưa vào xử lí sinh học (hiếu khí), nếu COD lớn hơn BOD nhiều lần, trong đó gồm có xenlulozơ, hemixenlulozơ, protein, tinh bơt chưa tan thì phải qua xử lý sinh học kị khí Và tỉ tệ chất hữu cơ của nước thải đầu vào các cơng trình xử lý sinh học theo tỉ số sau BOD5 : N : P = 100 : 5 : 1 hoặc 200 : 5 :1 trong xử lý kéo dài Nếu trong các cơng trình bùn hoạt tính, thiếu nitơ lâu dài, ngoài sự cản trở tạo tế bào mới và bùn, cản trở quá trình trao đổi chất của vi sinh vật và cịn làm cho bùn khó lắng, các hạt bơng trơi nổi làm cho nước khó trong Thiếu phospho tạo sự phát triển của vi khuẩn dạng sợi, là ngun nhân chính làm cho bùn phồng lên, khó lắng Để cân đối dinh dưỡng
Trang 3826 có thể dùng các muối amon và phosphat như urê hay supephosphat vào nước thải để tăng nguồn N và P Cần loại bỏ bớt các chất hữu cơ khó phân huỷ trong nước thải đầu vào như : lignin, kitin , có thể loại bỏ hiệu quả các chất trên ở giai đoạn xử lý hoá lý
pH của nước thải : có ảnh hưởng đến các q trình hố sinh của vi sinh vật Quá trình tạo màng sinh học, quá trình tạo bùn và lắng pH thích hợp cho vi khuẩn sinh trưởng và phân huỷ hiệu quả chất hữu cơ từ 6.5 - 8.5, tốt nhất là 7.5, pH > 9 hoặc pH < 4 đều ức chế hoạt đông sống của vi sinh vật, ảnh huởng đến hiệu quả xử lý của cơng trình Trong thời gian cuối, nước thải trong aerotank có pH chuyển sang kiềm, có thể là các hợp chất nitơ được chuyển thành NH3 hoặc muối amon, cần điều chỉnh lại pH của bể
Nhiệt đô: nhiệt độ của nước thải cũng ảnh hưởng rất lớn đến hoạt đông sống của vi sinh vật Hầu hết các vi sinh vật có trong nước thải là các thể ưa ấm (mesophilic), chúng có nhiệt đơ sinh trưởng tối đa là 40oC và tối thiểu là 5oC Vì vậy, nhiệt đô xử lý nước thải chỉ trong khoảng 6 - 37oC, tốt nhất là 15 - 35oC Và trong các cơng trình bùn hoạt tính, nhiệt độ cịn ảnh hưởng tới q trình hồ tan oxy vào nước cũng như khả năng kết lắng của các bông cặn bùn hoạt tính Nồng độ các chất lơ lửng (SS) ở dạng huyền phù: sau khi xử lý sơ bộ, tuỳ thuộc
nồng độ chất lơ lửng có trong nước thải mà xác định công trình xử lý cơ bản như lọc sinh học hoặc aerotank Nếu nồng độ các chất lơ lửng khơng q 100 mg/l thì loại hình xử lý thích hợp là bể lọc sinh học và nồng độ khơng q 150 mg/l thì xử lý bằng aerotank sẽ cho hiệu quả phân huỷ các chất hữu cơ nhiễm bẩn là cao nhất Ngoài ra, nếu nước thải có hàm lượng chất lơ lửng quá lớn có thể được coi như bùn cặn và được xử lý kị khí bằng bể metan Tuy nhiên đối với các cơng trình xử lý hiếu khí, với lượng chất rắn lơ lửng cao thường làm ảnh hưởng tới hiệu quả xử lý Vì vậy, đối với nước thải có hàm lượng chất rắn lơ lửng cao cần phải qua lắng 1 trong giai đoạn xử lý sơ bộ một cách đầy đủ để có
Trang 3927 thể loại bỏ các cặn lớn và một phần các chất rắn lơ lửng
Nồng độ các nguyên tố vi lượng: nước thải đầu vào cần địi hỏi khơng có chất độc làm chết hoặc ức chế hoàn toàn hệ vi sinh vật trong nước thải Trong số các chất độc phải chú ý hàm lượng kim loại nặng Theo mức độ độc hại của kim loại, xếp theo thứ tự:
Sb >Ag >Cu >Hg >Co >Ni >Pb >Cr3+ >V >Cd >Zn >Fe
Muối của các kim loại này ảnh huởng nhiều tới đời sống của vi sinh vật, nếu quá nồng độ cho phép, các vi sinh vật không thể sinh trưởng được và có thể bị chết Như vậy, khơng thể tiến hành xử lý sinh học Nồng độ muối của chúng thấp sẽ làm giảm tốc độ làm sạch nước, vì các kim loại trên cũng là những chất vi lượng cần cho vi sinh vật
Hàm lượng oxy trong nước thải: đối với các cơng trình xử ký hiếu khí như aerotank, điều kiện đầu tiên để đảm bảo cho aerotank có khả năng oxy hoá các chất hữu cơ với hiệu suất cao là phải đảm bảo cung cấp đủ lượng oxy mà chủ yếu là oxy hồ tan trong mơi trường lỏng một cách liên tục, đáp ứng đầy đủ nhu cầu hiếu khí của vi sinh vật trong bùn hoạt tính Lượng oxy có thể được coi là đủ khi nước thải ra khỏi bể lắng 2 có nồng độ oxy hồ tan DO = 2 mg/l Cịn đối với bể lọc sinh học làm việc trong điều kiện thống khí, ngồi việc cấp oxy cho vi sinh vật ở màng sinh học hoạt động, thống khí cịn có tác dụng loại ra khỏi lọc các khí tạo thành do q trình phân huỷ chất hữu cơ có trong nước, như CO2và có thể có cả CH4, H2S Và đối với các cơng trình xử lý kị khí, lại địi hỏi nước thải có hàm lượng oxy hồ tan thấp, cho vi sinh vật kị khí hoạt động hiệu quả trong điều kiện khơng có oxy
Hệ thống xử lý: chế độ thuỷ động như bơm, các thiết bị thơng khí nhằm cung cấp oxy hồ tan cho các cơng trình xử lý hiếu khí như aerotank, bể lọc sinh học Để đáp ứng nhu cầu oxy hoà tran trong aerotank người ta thường chọn giải pháp là khuấy cơ học (khuấy ngang, khuấy đứng), thổi và sục khí bằng hệ thống phân
Trang 4028 tán khí thành các dịng, hoặc tia lớn nhỏ khác nhau, và kết hợp nén khí với khuấy đảo Đối với bể lọc sinh học, để thơng khí người ta dùng quạt gió thổi vào khoảng trống ở đáy bể và khơng khí từ đó đi lên qua các khe của lớp vật liệu lọc.[3],[9]
1.3 Tổng quan về quá trình phân hủy hợp chất hữu cơ
1.3.1 Chất hữu cơ và hợp chất chứa Nitơ trong nước thải
Dựa vào khả năng có thể phân hủy nhờ vi sinh vật có trong nước mà ta có thể phân các chất hữu cơ thành hai nhóm:
Các chất hữu cơ dễ bị phân hủy
Đó là các hợp chất protein, hydratecacbon, chất béo có nguồn gốc từ thực vật và động vật Đây là các chất gây ô nhiễm chính có nhiều trong nước thải sinh hoạt và nước thải từ các xí nghiệp chế biến thực phẩm Các hợp chất này chủ yếu làm suy giảm oxy hịa tan trong nước dẫn đến suy thồi tài ngun thủy sản và làm giảm chất lượng nước
Các chất hữu cơ khó bị phân hủy
Các chất loại này thuộc các chất hữu cơ có vịng thơm (hydrocacbon của dầu khí), các chất đa vòng ngưng tụ, các hợp chất clo hữu cơ, phospho hữu cơ… Trong số các chất này nhiều hợp chất là các chất hữu cơ tổng hợp Hầu hết chúng là các chất có độc tính đối với sinh vật và con người Chúng tồn lưu lâu dài trong mơi trường và cơ thể sinh vật gây độc tích lũy, ảnh hưởng nguy hại đến cuộc sống
1.3.2 Các hợp chất chứa Nitơ
Hợp chất chứa Nitơ trong nước thường tồn tại ở ba dạng: hợp chất hữu cơ, amoniac và dạng oxy hóa (nitrate, nitrite) Các dạng này là các khâu trong chuỗi phân hủy hợp chất chứa Nitơ hữu cơ ví protein và hợp phần protein