Phân lập và tuyển họn vi sinh vật ứng dụng trong xử lý nước thải nhà máy chế biến dứa

Cũng như các nhà máy chế biến thực phẩm khác, nước thải của các nhà máy chế biến đồ hộp rau quả có hàm lượng chất hữu cơ rất cao như các loại đường đơn, axit hữu cơ, protein, xenluloza,

LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc

PH¢N LËP Vµ TUYÓN ChäN VI SINH VËT øng dông trong xö lý níc th¶i

nhµ m¸y chÕ biÕn døa

Ngµnh: C«ng nghÖ sinh häc M· sè:

NguyÔn thÞ hoµ

Hµ néi 2006

CHỮ VIẾT TẮT i

DANH MỤC CÁC BẢNG ii

DANH MỤC CÁC HÌNH iii

MỞ ĐẦU……… 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3

1.1 CÂY DỨA, TÌNH HÌNH SẢN XUẤT VÀ CHẾ BIẾN DỨA 3

1.1.1 Nguồn gốc, đặc điểm sinh lý và giá trị dinh dưỡng của cây dứa 3

1.1.2 Tình hình trồng và chế biến dứa trên thế giới và trong nước 5

1.1.3 Thành phần của nước thải dứa và ảnh hưởng của nước thải dứa tới môi trường 8

1.2 NƯỚC THẢI VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI 9

1.2.1 Phân loại nước thải 9

1.2.2 Các phương pháp xử lý nước thải 10

1.2.2.1 Phương pháp hiếu khí xử lý nước thải bằng cấp khí tự nhiên 12

1.2.2.2 Phương pháp xử lý hiếu khí bằng cấp khí cưỡng bức 14

1.3 CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ SINH HỌC 18

1.4 CÁC VI SINH VẬT ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI 21

1.4.1 Các nhóm vi sinh vật sử dụng trong quá trình xử lý nước thải 21

1.4.2 Đặc điểm của một số nhóm vi sinh vật chính trong quá trình xử lý nước thải 21

1.4.2.1 Vi khuẩn 21

1.4.2.2 Nấm men 23

1.4.3.1 Quá trình hiếu khí và hiếu khí không bắt buộc (tùy nghi) 24

1.4.3.2 Quá trình yếm khí 25

1.4.4 Các yếu tố ảnh hưởng tới sinh trưởng của vi sinh vật 25

CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 28

2.1 VẬT LIỆU 28

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 28

2.1.2 Dụng cụ và hoá chất 28

2.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 29

2.2.1 Phương pháp lấy mẫu nước thải 29

2.2.2 Phương pháp xác định sinh khối tế bào theo mật độ quang 30

2.2.3 Phương pháp phân lập vi sinh vật 30

2.2.4 Phương pháp chọn chủng vi sinh vật 30

2.2.5 Phương pháp xác định các đặc điểm sinh lý sinh hoá của các chủng vi sinh vật 31

2.2.5.1 Phương pháp xác định các đặc điểm hình thái, sinh lý, sinh hoá của các chủng vi khuẩn 31

2.2.5.1 Phương pháp xác định các đặc điểm hình thái, sinh lý sinh hoá của các chủng nấm men 32

2.2.6 Phương pháp thử nhiệt độ, pH, nguồn C, nguồn N 36

2.2.7 Phương pháp xác định enzym ngoại bào (xenluloza, amylaza…) bằng phương pháp khuếch tán trên thạch 38

2.2.11 Phương pháp xác định SV30 (solid value 30) 40

2.3 ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG LÀM SẠCH NƯỚC THẢI CỦA CÁC CHỦNG VI SINH VẬT TUYỂN CHỌN 40

2.3.1 Đánh giá khả năng làm sạch nước thải của từng chủng vi sinh vật riêng biệt 40

2.3.2 Đánh giá khả năng làm sạch nước thải của hỗn hợp các chủng vi sinh vật tuyển chọn ở các giá trị COD nước thải khác nhau 41

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 42

3.1 ĐÁNH GIÁ CÁC CHỈ TIÊU CHẤT LƯỢNG NƯỚC THẢI DỨA CỦA CÔNG TY THỰC PHẨM ĐỒNG GIAO TRƯỚC KHI XỬ LÝ 42

3.1.1 Các chỉ tiêu hoá lý 42

3.1.2 Đánh giá khu hệ vi sinh trong môi trường nước thải dứa 42

3.2 PHÂN LẬP VÀ TUYỂN CHỌN VI SINH VẬT 43

3.3 ĐẶC ĐIỂM SINH HỌC CỦA CÁC CHỦNG VI SINH VẬT TUYỂN CHỌN 44

3.3.1 Đặc điểm sinh học của các chủng nấm men tuyển chọn 44

3.3.1.1 Đặc điểm hình thái 44

3.3.1.2 Xác định các đặc tính sinh lý sinh hóa của các chủng NM 48

3.3.2 Đặc điểm sinh học của các chủng vi khuẩn tuyển chọn 51

3.3.2.1 Đặc điển hình thái của các chủng vi khuẩn tuyển chọn 51

3.3.2.2 Xác định các đặc tính sinh lý sinh hóa của các chủng VK 53

3.4 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN SINH TRƯỞNG CỦA CÁC CHỦNG VI SINH VẬT TUYỂN CHỌN 55

3.4.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến sinh trưởng của các chủng nấm men 55

3.4.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến sinh trưởng của các chủng vi khuẩn 59

3.4.2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ 59

3.4.2.2 Ảnh hưởng của pH 60

3.4.2.3 Ảnh hưởng của nguồn cacbon 61

3.4.2.4 Ảnh hưởng của nguồn nitơ lên sinh trưởng và sinh tổng hợp enzym của các chủng VK đã tuyển chọn 65

3.5 ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI CỦA CÁC CHỦNG VI SINH VẬT TUYỂN CHỌN 68

3.5.1 Đánh giá khả năng xử lý nước thải chế biến dứa của các chủng vi sinh vật tuyển chọn 68

3.5.2 Thí nghiệm với thể tích 200 ml/bình 70

3.5.3 Thí nghiệm với thể tích 2500ml/bình 72

3.5.4 Thí nghiệm với thể tích 20 lit/mẻ 74

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 77

4.1 KẾT LUẬN 77

4 2 KIẾN NGHỊ 88

TÀI LIỆU THAM KHẢO 89

PHỤ LỤC I 84

PHỤ LỤC II 87

Bảng 1.2 Các nhà máy chế biến dứa và rau quả ở Việt Nam hiện nay 6

Bảng 3.1 Đánh giá khu hệ vi sinh vật có trong môi trường nước thải dứa 43

Bảng 3.2 Đặc điểm sinh học của các chủng nấm men tuyển chọn 46

Bảng 3.3 Khả năng lên men các loại đường của các chủng NM tuyển chọn 48

Bảng 3.4 Khả năng đồng hoá nguồn cacbon của các chủng nấm men 50

Bảng 3.5 Đặc điểm hình thái của các chủng VK tuyển chọn 51

Bảng 3.6 Đặc điểm sinh lý-sinh hóa của các chủng VK 53

Bảng 3.7 Khả năng sử dụng đường của các chủng VK tuyển chọn 54

Bảng 3.8 Mật độ tế bào (OD) của các chủng nấm men tuyển chọn ở các pH khác nhau 57

Bảng 3.9 Ảnh hưởng của pH ban đầu lên sinh trưởng của các chủng VK 60

Bảng 3.10 Ảnh hưởng của nguồn cacbon lên sinh trưởng của các chủng VK 62

Bảng 3.11 Ảnh hưởng của nguồn cacbon đến khả ă n ng sinh tổng hợp xenlulaza của các chủng VK đã tuyển chọn 63

Bảng 3.12 Ảnh hưởng của nguồn cacbon đến khả ă n ng sinh tổng hợp enzym thuỷ phân CMC- Na 63

Bảng 3.13 Ảnh hưởng của nguồn cacbon đến khả năng sinh tổng hợp amylaza của các chủng VK đã tuyển chọn 64

Bảng 3.14 Ảnh hưởng của nguồn nitơ đến khả ă n ng sinh trưởng của các chủng VK 65

Bảng 3.15 Ảnh hưởng của nguồn nitơ đến khả ă n ng sinh tổng hợp xenlulaza của các chủng VK đã tuyển chọn 66

Bảng 3.16 Ảnh hưởng của nguồn nitơ đến khả ă n ng sinh tổng hợp enzym thuỷ phân CMC-Na 66

Bảng 3.17 Đánh giá khả năng xử lý nước thải của các chủng nấm men 69

Bảng 3.18 Đánh giá khả năng xử lý nước thải của các chủng vi khuẩn 69

Bảng 3.19 Kết quả xử lý nước thải với thể tích 200 ml/bình 71

Bảng3.20 Chất lượng nước thải trong quá trình xử lý với thể tích 2,5 lit/bình 73

Bảng 3.21 Kết quả phân tích chất lượng nước thải xử lý với thể tích 20 lit/thùng 75

Hình1.2 Sơ đồ hệ thống xử lý nước thải công ty hực phẩm xuất khẩu T

Đồng Giao 17

Hình 1.3 Sự thay đổi các chất sinh học trong quá trình BOD 19

Hình 3.1 Hình thái các tế bào vi sinh vật tuyển chọn 44

Hình 3.2 Tế bào nấm men soi tươi dưới kính hiển vi quang học 45

Hình 3.3 Khuẩn lạc của các chủng nấm men tuyển chọn sau 14 ngày nuôi cấy 47

Hình 3.4 Khuẩn lạc của các chủng VK tuyển chọn 52

Hình 3.5 Ảnh nhuộm capsule, gram của chủng DII17 52

Hình 3.6 Ảnh nhuộm capsule, gram của chủng DIII6 52

Hình 3.7 Khuẩn lạc của các chủng nấm men khi nuôi ở các nhiệt độ khác nhau 56

Hình 3.8 Ảnh hưởng của pH lên sinh trưởng của các chủng nấm men 58

Hình 3.9 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên sinh trưởng của các chủng VK 59

Hình 3.10 Ảnh hưởng của pH ban đầu lên sinh trưởng của các chủng VK 61

Hình 3.11 Hoạt tính xenlulaza của các chủng VK nuôi trên môi trường CMC- Na 63

Hình 3.12 Hoạt tính amylaza của các chủng VK nuôi trên môi trường tinh bột 64

Hình 3.13 Hoạt tính CMC Na của chủng DIII- 6 nuôi trên các nguồn nitơ khác nhau 67

Hình 3.14 Nước thải sau khi xử lý với thể tích 200ml/bình 70

Hình 3.15 Dịch nước thải sau khi xử lý với dung tích 2500ml/bình 74

chất thải lỏng, do vậy ần phải x lý c ử trước khi thải ra môi trường ttự nhi n Nước ê

thải c ủa quá trình chế biến ứa chứa àm ượng chất ữu ơ cao trong đó chủ d h l h c

y là ếu đường, axit hữu ơ c và xenlul za Những ợp chất àyo h n là nguy n nh n g y ê â â

ô nhiễm môi trường ếu kh ng được ử n ô x lý hợp lý D a v ự ào khả ăng ph n huỷ n â

mạnh ác ợp chất ữu ơ ủa vi sinh vật, chúng i đã ph n lập c h h c c tô â và tuyển chọnđược 2 chủng vi khuẩn (DII17 và DIII6) c khả ăó n ng ph n huâ ỷ xenluloza v hai à chủng nấm men (H5, H7) c khả ăng sử ụng đườngó n d và axit hữu ơ c có trong

môi trường ước thải ứa n d

Để đánh gi khá ả ă n ng làm sạch nước thải trong quy m phòng th nghô í iệm

Thí nghiệm được tiến ành ở thể ích 200 ml với h t pH ban đầu 4,2 v COD 1533 à mg/l, bổ xung các chủng vi sinh vật tuyển chọn, xử lý trong iều kiện nhiệt độ đ

300C, lắc 220 vòng/phút Sau 72 giờ ử x lý, COD của nước thải đã giảm được94% Trong khí đó trong mẫu đối chứng COD chỉ giảm được37%

K ết quả th nghiệm ử ụng ùn hoạt ính í s d b t có chứa vi sinh vật tuyển chọn để

x lý nử ước thải ứa ở ác gi trị COD khác nhau cho thấy ở ồng độ COD từ d c á n

1670 đến 2520 khả ă n ng xử lý của c ác chủng vi sinh vật là tốt ất Thí nh nghiệm

tiếp t ục được ến hti ành ở ể t th ích 20 lit/mẻ, sau 72 giờ ử x lý COD của nước ải th

d ứa đã giảm xuống òn khoảng 100 mg/lit, pH c c ủa nước thảisau quá trình x lý ử

tăng từ 3,85 l n 8,50, Như ậy, các chủng vi sinh vật đã tuyển chọn c thể ửê v ó s

dụng để ử x lý nước thải ủa qu trình chế biến ứa c á d

Từ khoá: sử lý nước thải, dứa, vi khuẩn, nấm men

solid and liquid waste that should be proper treated before relaesed in to the inveronment Wastewater from the processing of fruit is ussually high in organic components such as sugars, organic acids, cellulose and can cause serios pollution if released into the environment wthout proper treatment The ability of yeasts strains (H5 and H7) utilizing soluble sugars and organic acids and bacterial strains (X3, X7) degrading cellulose, leads us to apply them in treatment of pineapple wastewater

The bath process for cultivating above microorganisms for reducing COD

of pipeapple wastewater was carried out A volume of 200ml unsteriled pipeapple wastewater with initial pH 4,2 and COD 1534mg/litter, and inoculated with the yeast strains and bacterial strains With shaking 220rpm/min within 72h, the experement addition inoculated microbial strains could removed 94% of COD from wastewater, meanwhile the experiment without inoculated microbial strains removed only 37% of COD

The result of experiment using activated slugde from mixture of seleted bacterial and yeast strains showed that, the quality of treated pineapple wastewater was stabilized after 72th hour, COD reduced from 2520mg/l to about 100mg/l These selected bacterial strains and yeasts strains will be applying for treatment pineapple wastewater in the future

Key word: treatment wastewater, pineapple, bacteria, yeasts

Khác với các ngành công nghiệp khác đặc thù của nước thải của các nhà máy chế biến thực phẩm có hàm lượng chất hữu cơ cao Nếu thải trực tiếp ra môi trường không qua xử lý sẽ là nguồn gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng tới sức khoẻ của cộng đồng

Cũng như các nhà máy chế biến thực phẩm khác, nước thải của các nhà máy chế biến đồ hộp rau quả có hàm lượng chất hữu cơ rất cao như các loại đường đơn, axit hữu cơ, protein, xenluloza, …, đây là nguồn dinh dưỡng thích hợp cho nhiều loại vi sinh vật phát triển

Sự phát triển của các loài vi sinh vật trong môi trường nước thải không

có sự kiểm soát của con người thường diễn ra trong điều kiện thiếu khí, nên chúng thường sinh ra các sản phẩm trung gian như: SH2, CH4, NH4 … là những hợp chất độc hại cho môi trường sống Do vậy, nước thải thực phẩm cần phải được xử lý trước khi thải ra môi trường tự nhiên Có nhiều phương pháp xử lý nước thải khác nhau như: phương pháp cơ học, hoá lý, hoá học và sinh học Tuy nhiên, đối với nước thải thực phẩm thì phương pháp sinh học là

có hiệu quả hơn cả, các vi sinh vật phân hủy rất nhanh các hợp chất hữu cơ,

các sản phẩm tạo ra sau quá trình xử lý đạt mức an toàn cao không độc hại cho con người và môi trường xung quanh

Hiện nay, ở Việt Nam các nhà máy chế biến đồ hộp rau quả cũng đã xây dựng hệ thống xử lý nước thải, tuy nhiên hiệu quả xử lý nước thải tại các nhà máy này chưa cao Có thể do công nghệ xử lý chưa thật sự phù hợp hoặc do các chủng vi sinh vật sử dụng để xử lý chưa hợp lý Do vậy, cần có các nghiên cứu để tìm ra những biện pháp xử lý tốt nhất để đảm bảo nước thải sau khi xử lý thải ra môi trường đạt được các chỉ tiêu cho phép

Để thúc đẩy quá trình xử lý sinh học nước thải trong các hệ thống xử lý nước thải chế biến dứa, góp phần làm sạch và nâng cao chất lượng nước thải,

chúng tôi chọn đề tài: “Phân lập, tuyển chọn các chủng vi sinh vật, ứng

dụng xử lý nước thải của nhà máy chế biến dứa”

Luận văn tập trung giải quyết những vấn đề chính sau:

* Phân lập và tuyển chọn các chủng vi sinh vật có khả năng sử dụng tốt các chất hữu cơ có trong nước thải (các loại đường, axit hữu cơ, xenluloza), đồng thời kết lắng tốt để làm sạch nước thải của quá trình chế biến dứa

* Nghiên cứu một số đặc điểm sinh học của các chủng vi sinh vật đã tuyển chọn

* Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sinh trưởng, phát triển của các chủng vi sinh vật tuyển chọn: nhiệt độ, pH, nguồn cacbon, nguồn nitơ

* Sử dụng các chủng vi sinh vật đã tuyển chọn để xử lý nước thải của nhà máy chế biến dứa ở quy mô phòng thí nghiệm

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 CÂY DỨA, TÌNH HÌNH SẢN XUẤT VÀ CHẾ BIẾN DỨA

1.1.1 Nguồn gốc, đ ặc đ iểm sinh lý và giá trị dinh d ỡng của cây dứa ư

Dứa (có tên khoa học là Ananas comosus) có xuất xứ từ phía Nam châu Mỹ và được đưa vào trồng từ rất lâu đời ở Colombia Hiện nay dứa được trồng ở hơn 70 nước trên thế giới nhưng chủ yếu tập trung ở châu Á

Dứa là cây thân bụi, thảo mộc, cây cao khoảng 0,75 1,5 m, bụi rộng – khoảng 0,9 – 1,2 m, lá nhỏ, dài, cứng và có gai ở rìa lá [44]

Hiện nay trên thế giới có rất nhiều giống dứa nhưng có thể chia thành bốn nhóm chính [44]:

Thành phần hoá học của quả dứa thay đổi theo từng thời vụ, giống và vùng trồng

Bảng 1.1 Thành phần hoá học trong nước ép quả dứa [4]

Nước (%) 72 - 78 Muối khoáng (%) 0,25

Axit hữu cơ (%) 0,3 - 8 0, Chất tro (%) 0,4 -0,6

Đường (%) 8 – 15 Vitamin A(mg%) 0,06

1.1.2 Tình hình trồng và chế biến dứa trên thế giới và trong nước

Lịch sử phát triển của cây dứa cho thấy sau 100 năm kể từ khi dứa trở thành hàng hoá xuất khẩu đến nay dứa là một trong những loại hoa quả đứng đầu về kim ngạch buôn bán thế giới Ngày nay, ở các nước vùng nhiệt đới dứa đứng vị trí thứ ba về mặt xuất khẩu hoa quả sau chuối và quả có múi Theo thống kê của tổ chức nông lương thế giới (FAO), nếu những năm năm mươi của thế kỷ trước sản lượng dứa trên thế giới là 1.500.000 tấn thì đến năm

2001 sản lượng dứa trên thế giới đã đạt gần 14 triệu tấn/năm Những nước sản xuất dứa chính là Thái Lan 2.311.332 tấn/năm, Philipin 1.520.715 tấn/năm, Brazil 1.505.493tấn/năm, Trung Quốc 1.181.169 tấn/năm, Ấn Độ 1.535.000 tấn/năm, Nigeria 800.000 tấn/năm… [44]

Ngành công nghiệp dứa bắt đầu hình thành từ năm 1924 Hiện nay trên thị trường thế giới, dứa được tiêu thụ chủ yếu dưới dạng các sản phẩm dứa đã chế biến Năm 1973 tổng sản lượng dứa quả ước tính là 4.000.000 tấn, trong

đó 2.200.000 tấn dứa dùng để chế biến Lượng dứa đóng hộp tăng gấp hai lần

từ năm 1983 đến 1992 Các nước châu Á đã trở thành các nước cung cấp dứa chính cho thế giới chiếm 69 85% thị phần, trong khi đó các nước Châu P– hi chỉ chiếm từ 10 25% Dẫn đầu thế giới là Thái Lan với 315.000 tấn dứa chế – biến, tiếp đó làm Philipin 209.000 tấn Indonesia 95.000 tấn, Kenya 84.000 tấn

và Malaysia 44.000 tấn [44]

Trong những năm gần đây, nền sản xuất nông nghiệp Việt Nam đã đạt được nhiều thành tích to lớn, là một trong những nước đứng đầu thế giới về kim ngạch xuất khẩu gạo, cà phê và hạt tiêu Bên cạnh việc tăng cường phát triển các cây công nông nghiệp mũi nhọn, ngày nay nhà nước ta cũng đang rất -

cố gắng phát triển các cây công nghiệp khác nhằm đa dạng hoá các sản phẩm nông nghiệp Dứa cũng là một trong những cây trồng đang được nhà nước quan

tâm phát triển Theo thống kê của bộ kế hoạch và đầu tư đến tháng 1 năm 2005

cả nước ta có tổng diện tích trồng dứa là 32.000 ha, với sản lượng xấp xỉ 1,5 triệu tấn/năm Dự kiến đến năm 2010 diện tích trồng dứa sẽ đạt 40.000ha và sản lượng đạt 2 triệu tấn/năm Dứa được trồng chủ yếu ở các tỉnh khu bốn cũ, vùng Duyên hải miền Trung và vùng đồng bằng sông Cửu Long [29]

Hiện nay, cả nước ta đã xây dựng 9 dây chuyền chế biến dứa miếng đóng hộp với tổng công suất 42.000 tấn/năm, sáu dây truyền chế biến nước dứa cô đặc với tổng công suất 26.000 tấn/năm

Bảng 1.2 Các nhà máy chế biến dứa và rau quả ở Việt Nam hiện nay

Dứa đóng hộp (tấn/năm)

Nước dứa

cô đặc (tấn/năm)

Dứa bảo quản lạnh (tấn/năm)

4 Nhà máy chế biến hoa quả Bắc Giang 4.000

7 Nhà máy chế biến rau qủa Hà Tĩnh 3.000

9 Nhà máy rau quả Long Khánh,

Đồng Nai

4.000 4.000

Các nhà máy chế biến dứa hiện nay ở nước ta nhìn chung đều nhập thiết

bị và công nghệ tiên tiến, do vậy các sản phẩm sản xuất ra đều đạt tiêu chuẩn xuất khẩu Tuy nhiên, hầu hết các nhà máy mới chỉ sản xuất được một phần công suất thiết kế, nguyên nhân chủ yếu là do chưa có đủ nguồn nguyên liệu

Hình 1.1 Quy trình công nghệ chế biến dứa có sử dụng enzym “nguồn Bộ

1.1.3 Thành phần của n ớc thải dứa và ảnh hưởng của nước thải dứa tới ư môi trường

Trong quá trình sản xuất, nước đóng một vai trò vô cùng quan trọng, là một trong những yếu tố không thể thiếu, n ớc dùng ể rửa nguyên liệu, ư đ để pha chế, ể rửa thiết bị, đ để thanh trùng, … Trong quá trình đó chỉ có một phần nước được tái sử dụng và một phần lớn phải thải bỏ

Như chúng ta ã biết quả dứa có chứa thành phần dinh d ỡng cao trong đ ư

đó chủ yếu là các chất hữu c có khả n ng hoà tan mạnh trong n ớc nh : ơ ă ư ư

Đường, các axit hữu cơ, các vitamin, các chất khoáng đ ưa l ợng và vi lượng … Trong quá trình chế biến các hợp chất này tan vào n ớc rửa nguyên liệu, nư ước rửa thiết bị Do đó n ớc thải của nhà máy chế biến dứa có hàm l ợng các chất ư ưhữu cơ cao Trong ó chứa chủ yếu là các loại đ đường, axit hữu cơ, vitamin tan trong nước và một số chất khác … ây chính là nguồn dinh d ỡng tốt cho Đ ưcác loài vi sinh vật phát triển Nếu nước thải này không được xử lý trước khi thải ra môi trường sẽ gây ra rất nhiều tác động xấu:

- Nếu thải thẳng vào nguồn nước, quá trình phân hủy sinh học sẽ làm cạn kiệt oxy à tan của nguồn nước.ḥo

- Quá trình phân huỷ sinh học yếm khí sinh ra nhiều khí thải độc hại làm ô nhiễm không khí gây mùi khó chịu như khí: SH2, CH4…

- Làm ô nhiễm nguồn n ớc xung quanh nhà máy, lâu ngày sẽ ảnh ư

hưởng ến nguồn n ớc ngầm.đ ư

- Nếu không kiểm soát được sự phát triển của hệ vi sinh trong nước thải

sẽ dẫn đến khả năng phát triển của một số loài vi sinh vật gây bệnh

Do vậy trước khi thải ra môi tr ờng, nư ước thải cần phải được xử lý bằng nhiều biện pháp khác nhau để giữ cho môi tr ờng của chúng ta không bị ưphá huỷ

1.2 NƯỚC THẢI VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI 1.2.1 Phân loại n ớc thải [13] ư

Nước thải là chất lỏng được thải ra sau quá trình sử dụng của con người

và đã bị thay đổi tính chất ban đầu của chúng Thông thường nước thải được phân loại theo nguồn gốc phát sinh ra chúng và được phân loại thành:

 Nước thải sinh hoạt: gồm nước thải từ các khu vực dân cư, khu vực

cơ quan bệnh viện, khách sạn, trường học, khu vui chơi giải trí Nước thải sinh hoạt chứa nhiều chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học (cacbonhydrat, protein, tinh bột…), chất dinh dưỡng đối với sinh vật (nitơ, photpho), các vi sinh vật và các chất có mùi khó chịu (H2S, NH3) Đặc trưng của n ớc thải ưsinh hoạt là thường chứa nhiều tạp chất khác nhau, trong đó có khoảng 58% là các chất hữu cơ, 42% là các chất vô c và một l ợng lớn các vi sinh vật ơ ư

 Nước thải nông nghiệp: nước thải khu vực nông nghiệp th ờng có ưnồng độ chất thải thấp Quá trình sản xuất nông nghiệp, nước thải thường thực híện quá trình tự làm sạch Tuy nhiên nhiều vùng do lạm dụng phân bón hóa học, thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ và nguồn phân chuồng không qua ủ làm cho nguồn n ớc bị ô nhiễm và khó xử lý.ư

 Nước thải công nghiệp: Nước thải công nghiệp có thể chia thành tám

loại tiêu biểu với mức độ độc hại và khó xử lý giảm dần: Công nghiệp hóa chất, công nghiệp hóa lọc dầu, công nghiệp hóa sinh và d ợc phẩm, công ưnghiệp giấy, lò giết mổ và chế biến thịt gia súc, công nghiệp chế biến sữa, công nghiệp sản xuất bia và n ớc giải khát không cồn, công nghiệp sản xuất ưđường, công nghiệp chế biến rau quả đóng hộp

Nguồn n ớc thải công nghiệp th ờng đồng nhất hư ư ơn nước thải sinh hoạt nh ng lại chứa nhiều chất thải nguy hại cho môi tr ờng như ư ư các hóa chất độc hại (kim loại nặng: Pb, Hg, Cr, Cd…), các chất hữu c khó phân hủy sinh ơ học (phenol, các chất hoạt động bề mặt…)

Riêng đối với ngành công nghiệp thực phẩm, thành phần nước thải chủ yếu là các hợp chất hữu cơ như: protein, lipit, tinh bột, đường, xenluloza, axit hữu cơ… đây chủ yếu là các hợp chất hữu cơ dễ phân giải, chúng là nguồn dinh dưỡng của các loài vi sinh vật Dựa vào khả năng phân huỷ rất nhanh các hợp chất hữu cơ của các loài vi sinh vật, các nhà khoa học đã áp dụng phương pháp xử lý sinh học để xử lý nước thải của các nhà máy chế biến thực phẩm.1.2.2 Các phương pháp xử lý nước thải [ 13,18,42,43]

Nước thải thường chứa rất nhiều tạp chất có bản chất khác nhau Tùy thuộc vào đặc tính của nước thải và yêu cầu làm sạch nước thải để lựa chọn các phương pháp xử lý thích hợp Các phương pháp xử lý nước thải có phân chia như sau:

Phương pháp cơ học thường là giai đoạn xử lý cấp một (giai đoạn xử lý

sơ bộ) dùng để loại các vật rắn nổi có kích thước lớn và các tạp chất rắn không tan trong nước Các chất này có thể ở dạng vô cơ hoặc hữu cơ Các phương pháp xử lý cơ học thường dùng: lọc qua song chắn hoặc lưới, lắng, cyclon thủy lực, lọc qua lớp cát và quay ly tâm

 Phương pháp hoá học

Phương pháp hóa học cùng với phương pháp hóa lý được dùng để thu hồi các chất hoặc khử các chất có ảnh hưởng xấu đối với giai đoạn làm sạch sinh học sau này

Phương pháp hóa học dựa trên cơ sở là các phản ứng hóa học, các quá trình lý hóa diễn ra giữa chất ô nhiễm với các hóa chất bổ sung vào Các phản ứng xảy ra có thể là phản ứng oxy hóa khử, các phản ứng tạo chất kết tủa hoặc các phản ứng phân hủy

Phương pháp hóa học gồm: Phương pháp trung hòa

Phương pháp oxy hóa khử Phương pháp điện hóa học

- Phương pháp hoá lý

Phương pháp hóa lý để xử lý nước thải công nghiệp được dựa trên cơ sở ứng dụng các quá trình: Keo tụ, hấp phụ, trao đổi ion, thẩm thấu ngược, tuyển nổi, trích ly, chưng bay hơi

 Phương pháp sinh học

Phương pháp phổ biến và kinh tế nhất để xử lý nước thải chứa hàm lượng chất hữu cơ cao là phương pháp sinh học Các quá trình xử lý sinh học sử dụng để phân huỷ các hợp chất hữu cơ trong nước thải có thể chia thành hai loại chính: Quá trình hiếu khí và quá trình yếm khí Trong các hệ thống hiếu khí, các vi sinh vật oxi hoá các hợp chất hữu cơ và vô cơ Còn trong các hệ thống yếm khí không cần cung cấp oxy, vi sinh vật phân giải các chất hữu cơ thông qua quá trình lên men [33]

Tuỳ theo hàm lượng chất hữu cơ có trong nước thải và các điều kiện khác như: lưu lượng dòng thải, thành phần và tính chất nước thải, mặt bằng xây dựng kinh phí cho phép, các điều kiện địa lý thuỷ văn, địa chất của nguồn nước, nơi tiếp nhận nước thải, mức độ cần thiết xử lý nước thải mà có thể lựa chọn các phương pháp khách nhau như: lên men yếm khí, xử lý hiếu khí bằng lọc sinh học hoặc bùn hoạt tính [20]

Trong thực tế người ta thường kết hợp cả hai phương pháp xử lý yếm khí và hiếu khí trong một công nghệ xử lý nước thải Các phương pháp yếm khí được sử dụng chủ yếu trong quá trình xử lý nước thải công nghiệp có hàm lượng chất hữu cơ cao (BOD5= 1500 5000 mg/l), xử lý bùn, cặn, bã thải rắn – nhờ các vi khuẩn yếm khí phân huỷ các chất hữu cơ Để thực hiện phương pháp này có thể sử dụng phương pháp lọc yếm khí, bể ổn định tiếp xúc - hầm biogas, hồ yếm khí

1.2.2.1 Phương pháp hiếu khí xử lý nước thải bằng cấp khí tự nhiên

a Cánh đồng tưới và cánh đồng lọc

Nước thải được đưa vào cánh đồng tưới bằng hệ thống cống Các chất ô nhiễm có trong nước thải được hấp thụ và giữ lại trong đất Nhờ khu hệ vi sinh vật tự nhiên có trong đất, chất thải bị phân huỷ thành các chất đơn giản

để cây trồng dễ hấp thụ Nước thải sau khi ngấm vào đất, một phần được cây trồng sử dụng, phần còn lại chảy vào hệ thống nước tiêu ra sông hồ hoặc bổ sung cho nước ngầm [20]

b Hồ sinh học

Hồ sinh học còn được gọi là hồ oxy hoá hoặc hồ ổn định Biện pháp dùng hồ ổn định là phương pháp phổ thông nhất khi có nhiều diện tích đất và khi không đòi hỏi chất lượng cao đối với nước đầu ra sau khi xử lý Có các loại hồ sau:

• Hồ tự làm sạch: Hồ chứa, hồ thấm lọc Loại hồ này thường không có cửa thải đi và lưu lượng nước vào không đáng kể

• Hồ hiếu khí: Nước thải chảy qua hệ thống hồ với vận tốc không lớn Nguồn oxy cung cấp cho hồ là sự làm thoáng không khí qua bề mặt hồ Các loại tảo và thực vật phù du cũng đóng một vai trò lớn trong việc cung cấp

oxy cho hồ Độ sâu của hồ từ 0,5 – 1,5 m Trong hồ nước thải được làm sạch nhờ các quá trình tự nhiên bao gồm quang hợp của tảo và các quá trình oxy hoá của vi khuẩn với tốc độ oxy hoá chậm, đòi hỏi thời gian lưu của nước thải lớn (30 50 ngày, có khi lên tới 100 ngày) [18].-

Loại hồ này thường sử dụng kết hợp với nuôi trồng thuỷ sản, chủ yếu là

cá Hiệu suất xử lý nước thải đạt từ 65 70% Tải trọng COD khoảng 100 – –

300 kg/ha/ngày Nhược điểm của hồ là không thể xử lý nước thải có hàm lượng chất hữu cơ cao

• Hồ oxy hoá hiếu - yếm khí: Hồ còn có tên gọi là hồ hỗn hợp Đây là dạng phổ biến nhất, hồ có độ sâu từ 1,5 – 2,5 m Trong hồ đồng thời xảy ra ba quá trình:

- Oxy hoá các hợp chất hữu cơ ở lớp nước mặt, nơi có độ oxy hoà tan cao

do có sự khuếch tán bề mặt và một lượng nhỏ từ quang hợp của tảo

- Quang hợp của tảo ở lớp nước phía trên nhờ năng lượng mặt trời

- Phân huỷ yếm khí các chất hữu cơ tan và không tan dưới dạng huyền phù và cặn lắng ở lớp nước sâu cũng như trong lớp bùn đáy

Hồ có hiệu quả xử lý khá cao: 85 95% Khu hệ vi sinh vật trong hồ – gồm các động vật nguyên sinh, vi khuẩn hiếu khí, vi khuẩn yếm khí và tảo Trong hồ chúng có quan hệ tương hỗ và đóng vai trò cơ bản đối với sự chuyển hoá các chất gây ô nhiễm [18, 20, 21]

• Hồ xử lý cấp 3: Là các hồ dùng để xử lý dòng thải có hàm lượng chất hữu cơ cao đã được xử lý trong bể phốt, hầm biogas, hoặc xử lý hiếu khí chưa triệt để, nước thải chưa đạt tiêu chuẩn dòng thải loại B (COD > 100 mg/l, BOD5 > 50 mg/l) Trong hồ này diễn ra quá trình xử lý triệt để các hợp chất hữu cơ, giảm chất rắn lơ lửng, nitơ và Fecal coliform… để đạt tiêu chuẩn thải cho phép

1.2.2.2 Phương pháp xử lý hiếu khí bằng cấp khí cưỡng bức

a Lọc sinh học

Bể lọc sinh học là một hệ thống thiết bị sinh học trong đó vi sinh vật được cố định trên lớp vật liệu xốp, tạo màng Khi nước thải được cấp khí và tiếp xúc với màng lọc sinh học, các chất hữu cơ bị oxy hoá, do vậy nước thải được làm sạch Bể gồm các bộ phận chính:

- Phần chứa vật liệu lọc (lớp đệm bằng đá hoặc các vật liệu khác như: quả bóng nhựa, hoa nhựa, tấm nhựa tổng hợp… có đường kính trung bình 20-

30 mm và 30 80 mm)

Hệ thống phân phối nước thải đảm bảo tưới đều nước trên toàn bộ bề mặt lớp lọc

- Hệ thống dẫn và phân phối khí bố trí dưới đáy bể lọc

Bể lọc sinh học được phân thành các loại:

- Lọc nhỏ giọt (thông khí tự nhiên)

- Lọc tải lượng cao (thông khí nhân tạo)

- Tháp lọc, đĩa lọc sinh học

Vi sinh vật sử dụng trong quá trình lọc sinh học chủ yếu là vi khuẩn Mặc dù lớp màng này rất mỏng khoảng 1 3 mm nhưng cũng phân biệt thành – hai lớp: Lớp yếm khí ở sát bề mặt đệm và lớp hiếu khí ở bên ngoài Các chất hữu cơ được oxy hoá do cả hai quá trình hiếu khí và yếm khí Thực chất của quá trình lọc sinh học là nhờ hệ thống vi sinh vật hiếu khí và yếm khí phân huỷ các chất hữu cơ có trong nước thải khi nước thải chảy qua lớp màng sinh học này [18]

So với hệ thống bùn hoạt hoá, lọc sinh học có ưu điểm là ít nhạy cảm hơn đối với sự thay đổi tải trọng, tiêu tốn ít năng lượng hơn khi không có bộ phận thông khí cưỡng bức, ưu điểm nữa của phương pháp lọc sinh học là lượng bùn tạo ra ít Thiết bị lọc có chiều cao lớn tiết kiệm được mặt bằng cần thiết để xây dựng hệ thống xử lý Tuy nhiên, hệ thống này đòi hỏi kinh phí lớn, vận hành tương đối phức tạp và đặc biệt yêu cầu phải có khu hệ vi sinh vật ổn định cho quá trình xử lý

b Bể Aeroten [18,19]

Bể Aeroten là hệ thống xử lý bằng cấp khí nhân tạo Trong quá trình xử

lý, các vi sinh vật sinh trưởng, phát triển và tồn tại ở trạng thái huyền phù Quá trình xử lý nước thải được thực hiện trong bể oxy hoá có cấp khí Việc sục khí ở đây đảm bảo cho hai yêu cầu của quá trình:

- Đảm bảo độ oxy hoà tan cao, cung cấp đủ khí cho vi sinh vật sinh trưởng và thực hiện quá trình oxy hoá các chất hữu cơ

- Duy trì bùn hoạt tính ở trạng thái lơ lửng trong nước xử lý, tạo ra hỗn hợp huyền phù, giúp sinh vật tiếp xúc liên tục với các chất hữu

cơ hoà tan trong nước, thực hiện quá trình hô hấp hiếu khí làm sạch nước thải

Nếu không đủ điều kiện hiếu khí hoặc ngừng thổi khí, khuấy trộn các hạt bùn sẽ kết lại thành khối và lắng xuống đáy

Phương pháp xử lý bằng bể aeroten thực chất chính là sử dụng phương pháp bùn hoạt tính Nguyên lý cơ bản của phương pháp này là tạo điều kiện hiếu khí cho quần thể vi sinh vật có trong nước thải phát triển thành bùn hoạt tính Nước thải trong bể được cung cấp không khí và lượng oxy sẽ được hòa tan nhiều hơn đảm bảo cho nhu cầu oxy hóa các chất hữu cơ của các vi sinh

vật hiếu khí và hiếu khí tuỳ nghi Theo dòng nước thải từ bể hiếu khí đến bể lắng vi sinh vật tạo bông và kết lắng trong bùn hoạt tính Từ bể lắng một phần bùn hoạt tính được hồi lưu lại bể hiếu khí để duy trì hoạt động, phần còn lại của bùn hoạt tính được đưa vào bể nén và tách bùn

Quá trình xử lý bằng bùn hoạt tính gồm các bước tóm tắt như sau: + Hấp phụ các chất hữu cơ hòa tan dạng keo và huyền phù vào trong hoặc trên mặt các hạt bùn hoạt tính

+ Các chất hữu cơ được phân hủy đến các sản phẩm cuối như CO2,

H2O, khoáng chất và sinh khối vi sinh vật mới

+ Sự chuyển hóa các chất bởi các loại vi sinh vật và kết lắng bùn hoạt tính có sự tham gia của các loại động vật nguyên sinh và các loài khác trong nước xử lý

+ Oxy hóa amoniac đến nitrit và đến nitrat bằng vi khuẩn nitrat hóa Hiệu suất xử lý nước thải trong bể aeroten và chất lượng bùn hoạt tính phụ thuộc vào thành phần và tính chất của nước thải, điều kiện thuỷ động học của các quá trình khuấy trộn, nhiệt độ, pH của nước thải, sự tồn tại các nguyên tố dinh dưỡng và các yếu tố khác [21] Phương pháp này vận hành đơn giản, ổn định, an toàn, chi phí xây dựng thấp Do vậy, hiện nay nhiều nhà máy chế biến thực phẩm ở Việt Nam đã áp dụng biện pháp này để xử lý nước thải trước khi thải ra môi trường (hình 1.2)

Hình1.2 Sơ đồ hệ thống xử lý nước thải công ty thực phẩm xuất khẩu

Đồng Giao

Như vậy, trong tất cả các phương pháp sinh học xử lý nước thải, vi sinh vật luôn là một nhân tố chủ đạo Vi sinh vật tham gia vào quá trình oxy hoá các chất gây ô nhiễm, làm sạch nước thải

Tuy nhiên, không phải bất kỳ loài vi sinh vật nào cũng có khả năng làm sạch nước và tạo độ kết lắng tốt Có những loài sau khi phát triển chúng không những không tạo kết lắng mà còn sinh ra chất nhầy làm tăng độ nhớt của nước thải làm cho quá trình làm sạch càng khó khăn hơn Thậm trí một số

vi sinh vật còn sinh ra các sản phẩm phụ có ảnh hưởng xấu tới môi trường là mầm bệnh cho con người và gia súc Do vậy, bên cạnh việc lợi dụng những tính năng ưu việt của các loài vi sinh vật thì chúng ta cần phải lựa chọn những chủng vi sinh vật thích hợp vừa có khả năng làm sạch, vừa tạo độ kết lắng tốt vừa không gây độc hại cho môi trường

Nước thải đầu vào

1.3 CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ SINH HỌC

Thế giới sinh vật rất phong phú và đa dạng Chúng tồn tại ở khắp mọi nơi, xung quanh chúng ta và chính trong cơ thể chúng ta Từ thời cổ xưa, con người đã biết ứng dụng những tính chất có lợi của vi sinh vật để phục vụ đời sống của mình như: muối dưa, làm tương, ủ rượu vang … Tuy nhiên, cho đến khi L.Pausteur tìm ra nguyên nhân lên men và một loạt các công trình khoa học về vi sinh vật được nghiên cứu có kết quả thì việc ứng dụng vi sinh vật vào sản xuất mới phát triển mạnh và trở thành một ngành công nghệ phục vụ cho cuộc sống của con người

Trong tự nhiên vi sinh vật tham gia vào tất cả các chu trình quan trọng: Chu trình cacbon, chu trình tuần hoàn nitơ, chu trình lưu huỳnh Nếu mất đi

sự tham gia của các vi sinh vật thì các chu trình trên sẽ bị phá vỡ, vật chất sẽ không thể chuyển hoá và sẽ tồn đọng trong môi trường dẫn đến sự mất cân bằng vật chất và sự sống sẽ dần bị huỷ diệt

Sự phát triển của vi sinh vật trong hệ sinh thái và hoạt tính trao đổi chất của chúng cũng giống vi sinh vật thuần khiết phát triển trong phòng thí nghiệm Tuy vậy, mối quan hệ bên trong của quần thể sinh vật cần phải được nghiên cứu Nguồn năng lượng, nguồn cacbon và các loại cơ chất khác trong môi trường và trong nước thải thường ở nồng độ thấp và rất thấp Những chất gây ô nhiễm thường ở dạng hỗn hợp với nồng độ rất thấp và cần được xem xét qua quá trình phân huỷ chúng

Sự phân huỷ các chất trong tự nhiên được xem là sự khoáng hoá các chất hữu cơ có trong chuỗi thức n Sự chuyển hoá c ă ơchất hữu cơ trong quá trình BOD được trình bày trên hình 1.3

Do vậy, ng i ta rất quan tâm ến khả n ng phân huỷ các hợp chất tự ườ đ ănhiên và các chất hoá học có trong môi tr ờng của vi sinh vật Nhiều chất khó ưphân huỷ có khả n ng cung cấp nă ăng lượng và các nguyên tố khác (N, S, P) cho vi sinh vật như các loại xenluloza, hemixenluloza và các loại hydratcacbon, protein và axit amin, axit nucleic, chất béo và lipit

Như vậy, trong tự nhiên vi sinh vật vốn đã có sẵn những đặc tính ưu việt

Dù chúng ta biết đến hay không biết đến thì chúng vẫn từng phút từng giây cùng với con người cần mẫn lao động Chúng phân huỷ các cơ thể động, thực vật chết, phân huỷ các cấu trúc mô cấu tạo phức tạp thành những hợp chất trung gian rồi tiếp tục phân huỷ để trả lại cho tự nhiên những hợp chất khoáng Do vậy, hệ vi sinh vật tự nhiên có thể được xem như một nhà máy xử

lý rác khổng lồ Chúng ta thử tưởng tượng xem nếu một ngày vi sinh vật ngừng không phân huỷ chất thải thì trái đất của chúng ta sẽ ra sao? Từ thực tế

đó, các nhà khoa học đã không ngừng nghiên cứu để khai thác và ứng dụng các lợi thế của vi sinh vật và tạo điều kiện tốt nhất cho chúng phát triển trong những điều kiện và quy mô có sự kiểm soát của con người, từng bước bắt chúng phục vụ cho hoạt động sống của chúng ta

Hình 1.3 Sự thay đổi các chât sinh học trong quá trình BOD

C¬ chÊt H÷u c¬

S¶n phÈm ph©n huû

(C¬ thÓ s¬ cÊp)

Oxy ChÊt sinh trëng

CO 2

H 2 O N¨ng lîng C¸c s¶n phÈm kh¸c

Sinh khèi

chÕt

(C¬ thÓ thø cÊp)

Oxy ChÊt sinh trëng

CO 2

H 2 O N¨ng lîng C¸c s¶n phÈm kh¸c

Phương pháp sinh học xử lý chất thải dựa trên cơ sở hoạt động sống của các vi sinh vật có khả năng phân giải các chất hữu cơ hoặc vô cơ làm nguồn năng lượng và nguồn cacbon để thực hiện quá trình sinh trưởng, phát triển của chúng Các vi sinh vật xử lý nước thải gồm cả nhóm tự dưỡng và dị dưỡng, có thể tiến hành trong điều kiện kị khí và hiếu khí

Quá trình xử lý nước thải (hay việc thu hồi các chất bẩn từ nước thải và việc vi sinh vật hấp thụ các chất bẩn đó) là một quá trình gồm ba giai đoạn [2]: + Di chuyển các chất gây ô nhiễm từ pha lỏng (nước) tới bề mặt tế bào

vi sinh vật do khuếch tán đối lưu và phân tử

+ Di chuyển các chất từ bề mặt ngoài tế bào qua màng bán thấm bằng khuếch tán do sự chênh lệch nồng độ ở trong và ở ngoài tế bào + Quá trình chuyển hóa các chất ở trong tế bào vi sinh vật với sự sản sinh năng lượng và quá trình tổng hợp các chất mới của tế bào với sự hấp thụ năng lượng

Sơ đồ trao đổi chất hữu cơ nhờ các vi sinh vật hiếu khí và kị khí trình bày theo phương trình sau [2]:

Điều kiện hiếu khí:

(CHO)nNS O2 CO2 + H2O + tế bào vi sinh vật + các sản phẩm dự trữ

+ NH4 + H2S + Năng lượng Điều kiện kị khí:

(CHO)nNS - O2 CO2 + H2O + tế bào vi sinh vật + các sản phẩm dự trữ + các chất trung gian + CH4 + H2 + NH4+ + H2S + Năng lượng (70%)

1.4 CÁC VI SINH VẬT ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ XỬ LÝ

NƯỚC THẢI

1.4.1 Các nhóm vi sinh vật sử dụng trong quá trình xử lý n ớc thải [8,11,9] ư

Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học chủ yếu dựa vào hoạt động sống của các vi sinh vật dị dưỡng có khả năng phân giải các chất hữu cơ Các

vi sinh vật dị dưỡng có thể chia thành ba nhóm nhỏ: vi sinh vật hiếu khí, vi sinh vật kị khí, vi sinh vật kị khí tùy nghi [21]

Khu hệ vi sinh vật sử dụng trong quá trình xử lý nước thải gồm vi khuẩn, nấm men, nấm mốc, xạ khuẩn…trong đó vi khuẩn chiếm số lượng lớn nhất Trong các bể xử lý sinh học, vi khuẩn đóng vai trò quan trọng hàng đầu

vì nó chịu trách nhiệm phân hủy các thành phần hữu cơ trong nước thải Cơ thể vi sinh vật sống cùng với các chất mang quyện lại với nhau tạo thành dạng keo tụ bùn hoạt tính Theo Bukovet al, 1987 thì trong bùn hoạt tính có nhiều - chi vi sinh vật khác nhau: Actinomyces, Arthrobacter, Bacillus, Bacterium, Corynebacterium, Deslfotomacillium, Micrococcus, Pseudomonas, Sarcina… Trong đó số lượng nhiều nhất là các loài thuộc chi Pseudomonas Chúng oxy hóa rượu, axit béo, parafin, hydrocacbon thơm và các hợp chất khác Các vi sinh vật muốn phân hủy được các chất hữu cơ chúng phải có khả năng sinh tổng hợp các enzym tương ứng

1.4.2 Đ ặc iểm của một số nhóm vi sinh vật chính trong quá trình xử lý đ

nước thải

1.4.2.1 Vi khuẩn [6, 8, 23, 24, 36]

Vi khuẩn chiếm tỉ lệ lớn nhất trong khu hệ vi sinh vật trong nước thải,

nó đóng vai trò (có thể nói là chủ yếu) trong quá trình phân hủy các chất hữu

cơ làm sạch nước thải

Vi khuẩn là nhóm vi sinh vật có cấu tạo tế bào nhưng chưa có cấu trúc phức tạp, thuộc nhóm Prokaryotes Nhân tế bào chỉ gồm một chuỗi AND, không có thành phần protein, không có màng nhân Vi khuẩn có nhiều hình thái khác nhau: hình cầu, hình que, hình xoắn, hình dấu phẩy, hình sợi…Đường kính của phần lớn vi khuẩn thay đổi trong khoảng 0,2-2µm, chiều dài khoảng 2,0-8,0µm Thành tế bào vi khuẩn rất phức tạp, dựa vào tính chất hóa học của thành tế bào và tính chất bắt màu của nó người ta chia ra làm hai loại: Gram (+) và Gram ( ) Nhiều loại vi khuẩn bên ngoài thành tế bào -còn có một lớp vỏ nhày (capsule) hay lớp dịch nhày Lớp vỏ nhày ở một số loài vi khuẩn thủy sinh đóng vai trò bám giữ vào các giá thể trong nước

Vi khuẩn xử lý nước thải chủ yếu là các vi khuẩn hoại sinh thuộc các chi: Pseudomonas, Bacillus, Alcaligenes, Flavobacterium, Cytophaga, Micrococcus, Lactobacillus, Achromoabacter, Spirochaeta…, Pseudomonas thường gặp ở hầu hết các loại nước thải, chúng có thể đồng hóa được mọi chất hữu cơ kể cả chất hữu cơ tổng hợp và sống khá lâu trong môi trường nước Giống Bacillus cũng tồn tại khá lâu trong nước thải, phân hủy được nhiều dạng chất hữu cơ đặc biệt là protein và tinh bột

Giống Pseudomonas là những trực khuẩn Gram ( ), chuyển động do có tiên mao mọc ở một đầu Trực khuẩn có hình que thẳng hoặc hơi cong, không tạo thành bào tử và phát triển ở điều kiện hiếu khí Tất cả Pseudomonas đều

-có hoạt tính amilaza và proteaza, đồng thời lên men được nhiều loại đường và tạo màng nhầy

Vi khuẩn Bacillus là trực khuẩn rất phổ biến trong tự nhiên Chúng có hình que, Gram (+), đứng riêng rẽ hoặc kết thành chuỗi hoặc thành sợi Chúng sinh bào tử, sống hiếu khí (hoặc kị khí tùy tiện), thường sinh enzym proteaza

và amilaza (chủ yếu là α-amilaza)

1.4.2.2 Nấm men

Nấm men (yeasts) là tên chung để chỉ nhóm nấm thường có cấu tạo đơn bào, sinh trưởng bằng lối nảy mầm Nấm men có hình thái và kích thước khác nhau tuỳ loài, tuỳ giống Chúng có thể có hình cầu, hình bầu dục, hình trứng, hình quả tranh, hình ống [6, 32, 33]

Nấm men phân bố rộng rãi trong tự nhiên (trong đất, trên lương thực, thực phẩm, hoa quả ) Nhiều loại nấm men có khả năng lên men rượu nên từ lâu nấm men đã được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp sản xuất đồ uống

có cồn như: Rượu, rượu vang, bia, Nấm men sinh sôi nảy nở nhanh chóng, mặt khác tế bào của chúng lại chứa nhiều vitamin và các axit amin không thay thế, hàm lượng protein chiếm tới 50% trọng lượng khô của tế bào Vì vậy, nhiều loại nấm men là đối tượng quan trọng của công nghiệp sản xuất protein

và vitamin Nấm men còn được sử dụng nhiều trong công nghiệp lên men bánh mì, lên hương, nước chấm [23,24]

Trong tự nhiên, nấm men phân hủy các chất hữu cơ hạn chế hơn các loại

vi sinh vật khác, chúng không có khả năng phân huỷ các hợp chất cao phân

tử, nguồn thức ăn chủ yếu của nấm men là các loại đường đơn, một số đường đôi, các axit amin, axit hữu cơ và một số hợp chất vô cơ khác Nấm men sinh trưởng và phát triển trong cả hai điều kiện: kị khí và hiếu khí [23, 31, 32] Ngoài những đặc tính quan trọng trên nấm men còn có một đặc tính vô cùng quan trọng đó là khả năng kết lắng cực kỳ nhanh Lợi dụng khả năng này, ngày nay nấm men còn được sử dụng nhiều trong công nghệ xử lý nước thải đặc biệt là nước thải có chứa hàm lượng đường cao như: nước thải của các nhà máy bia, nhà máy chế biến đồ hộp rau quả

1.4.2.3 Các vi sinh vật khác

Các nhóm vi sinh vật khác như: nấm mốc, xạ khuẩn cũng có khả năng phân hủy các chất thải rất tốt nhưng chủ yếu được ứng dụng trong công nghiệp xử lý rác thải

1.4.3 Quá trình sinh trưởng của vi sinh vật trong xử lý n ớc thải ư

1.4.3.1 Quá trình hiếu khí và hiếu khí không bắt buộc (tùy nghi)

Khi xả nước thải giàu chất hữu cơ vào ao hồ chứa, vi sinh vật sẽ dần dần phát triển Chu kì phát triển của các vi khuẩn trong bể xử lý gồm bốn giai đoạn: + Giai đoạn thích nghi (lag phase): xảy ra khi bể bắt đầu đưa vào hoạt -động Đây là giai đoạn để các vi sinh vật thích nghi với môi trường mới và bắt đầu quá trình phân bào Tốc độ sinh trưởng trong giai đoạn này bằng không

+ Giai đoạn tăng trưởng (log growth phase): giai đoạn này các tế bào -

vi sinh vật tiến hành phân bào và tăng nhanh về số lượng Tốc độ phân bào phụ thuộc vào thời gian cần thiết cho các lần phân bào và lượng thức ăn trong môi trường

+ Giai đoạn cân bằng (stationary phase): lúc này mật độ vi sinh vật được giữ ở một số lượng ổn định, nguyên nhân là các chất dinh dưỡng cần thiết cho quá trình tăng trưởng của vi khuẩn đã bị sử dụng hết, số lượng vi sinh vật sinh ra bằng với số lượng vi sinh vật chết đi + Giai đoạn diệt vong (log death phase): Trong giai đoạn này số lượng -

vi sinh vật chết đi nhiều hơn số lượng vi sinh vật được sinh ra Khi đó mật độ vi sinh vật giảm đi rất nhanh

Thực tế trong bể xử lý có nhiều quần thể vi sinh vật khác nhau cùng tồn tại nên sự biến động về số lượng vi sinh vật phức tạp hơn rất nhiều

1.4.3.2 Quá trình yếm khí

Quá trình phân hủy yếm khí các chất hữu cơ rất phức tạp, liên quan tới hàng trăm phản ứng và nhiều sản phẩm trung gian Có thể đơn giản hóa quá trình phân hủy yếm khí bằng phương trình:

lên menChất hữu cơ CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S

yếm khí 55,65% 35,45% 0,1% 0,3% 0,1%

Các vi khuẩn tham gia gồm: Vi khuẩn không sinh metan và vi khuẩn sinh metan

Quá trình phân hủy yếm khí gồm hai giai đoạn chính:

 Giai đoạn thủy phân:

enzym

Chất hữu cơ đường đơn giản

thủy phân

Protein albumoz, pepton, peptit, axit amin

Chất béo glyxerin + axit béo

 Giai đoạn tạo khí:

Sản phẩm thủy phân tiếp tục bị phân giải thành hỗn hợp khí

1.4.4 Các yếu tố ảnh h ởng tới sinh tr ởng của VSV ư ư

Nhiệt độ môi trường với VSV có mối quan hệ mật thiết vì nhiệt độ không chỉ đơn thuần ảnh hưởng tới cường độ phát triển của từng loại VSV mà còn ảnh h ởng tới chính khả năng sinh ư trưởng của chúng ở nhiệt độ đó Mỗi loại VSV có nhiệt độ tối thiểu, tối ưu và tối đa khác nhau Tùy theo quan hệ

với vùng nhiệt có thể chia VSV thành 4 nhóm trên cơ sở phạm vi nhiệt độ sinh trưởng tốt nhất: nhóm a lạnh sinh tr ởng tốt nhất dư ư ưới 200C, nhóm ưa

ấm sinh trưởng tốt nhất từ 250C-450C chiếm đa số các VK, nhóm ưa nhiệt sinh trưởng tốt nhất từ 450C-700C và cực ưa nhiệt [35]

1.4.4.2 pH

Các VSV chịu được độ pH khác nhau nên chúng ta có thể tìm thấy chúng ở khắp mọi nơi Đa số các VSV sinh trưởng phát triển bình thường trong phạm vi pH trung tính 6 8, có loại chịu được pH thấp như - Thiobacillus ferooxydans có thể sinh trưởng ở pH 1 2, nấm men chịu được pH 4- -5 Ngược lại một số loài của Bacillus có thể sinh trưởng ở pH 11

Hàm lượng ion H+ trong môi trường ảnh hưởng đến sự hoạt động của các enzym trong tế bào, từ đó ảnh hưởng tới quá trình trao đổi chất của chúng Dựa vào khả năng chịu pH của VSV, người ta thay đổi pH tạo điều kiện cho VSV phát triển hoặc ức chế khả năng phát triển của chúng

1.4.4.3 Nguồn Cacbon [3, 8]

Cacbon là nguyên tố quan trọng nhất cho sinh trưởng và phát triển của VSV Vi sinh vật sử dụng các nguồn dinh dưỡng cacbon hết sức khác nhau Chỉ trừ một số dạng đường, hầu như các hợp chất cacbon có trong tự nhiên đều được các VSV khác nhau sử dụng

Các nguồn cacbon dễ hấp thu nhất đối với đa số VSV là các loại đường, sau đó là tinh bột, glyxerin và một số axit hữu cơ như axit lactic, axit xitric…Tuy vậy, nồng độ chất dinh dưỡng cacbon quá cao lại có thể ức chế khả năng sinh trưởng của VSV (nồng độ đường 30 70% ức chế sinh tr ởng - ưcủa nhiều loài VSV) Giá trị dinh dưỡng và khả năng hấp thụ các nguồn thức

ăn cacbon khác nhau phụ thuộc vào hai yếu tố: một là thành phần hóa học và

VSV Cụ thể vi khuẩn có thể sử dụng được các hợp chất cacbon cao phân tử như: tinh bột, xenluloza và cả các hợp chất đơn giản như đường đơn, đường đôi Ngược lại nấm men chỉ sử dụng được các hợp chất hydratcacbon đơn giản như: đường đơn và một số đường đôi

1.4.4.4 Nguồn Nitơ [8]

Các nguồn nitơ cung cấp cho VSV nguyên liệu ể hình thành nhóm đamin (-NH3) và imin (-NH ) trong phân tử axit amin, nucleotit, các bazơ dị -vòng và các hợp chất hoá học khác có mặt trong nguyên sinh chất Nguồn nitơ VSV dễ hấp thu nhất là NH4 và NH3, chúng dễ dàng xâm nhập vào tế bào VSV và tạo nên các nhóm amin và imin

VSV có khả năng hấp thụ nhiều nguồn dinh dưỡng nitơ khác nhau Tùy theo đặc điểm dinh dưỡng của từng loại mà nó đòi hỏi các dạng nitơ khác nhau: + Dạng nitơ vô cơ như NH3, NH4 , NO-3 là nguồn dinh dưỡng đối với nhóm VSV tự dưỡng amin

+ Dạng nitơ hữu cơ như protein, polypeptit, axit amin là nguồn dinh dưỡng đối với nhóm VSV dị dưỡng amin

CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 VẬT LIỆU

2.1.1 Đ ối t ợng nghiên cứu ư

Các chủng VSV tham gia vào quá trình làm sạch nước thải chế biến dứa, được phân lập từ nước thải và bùn lắng từ rãnh nước thải ở Công ty TPXK Đồng Giao (Ninh Bình)

2.1.2 Dụng cụ và hoá chất

2.1.2.1 Dụng cụ

 Nồi khử trùng ướt (Tawai)

 Tủ sấy khô ( Sellab -Mỹ)

 Tủ ấm ổn nhiệt (Sellab - Mỹ)

 Tủ lạnh (Hàn Quốc)

 Máy đo pH (Nhật Bản)

 Máy lắc ổn nhiệt (Sellab-Mỹ)

 Tủ cấy vô trùng (Singapo)

 Kính hiển vi quang học Olympus (Nhật)

 Máy đo mật độ quang ( Shimazu)

 Các dụng cụ vi sinh khác: ống nghiệm, hộp petri, que cấy, que trang, lam kính, đèn cồn…

- Các hoá chất vô cơ khác: NaCl, KH2PO4, MgSO4.7H2O, KNO3…

2.1.3 Môi trường

Môi trường dinh dưỡng sử dụng để phân lập, nuôi cấy, và thử các hoạt tính hoá lý của các chủng vi sinh vật sử dụng trong luận văn: MPA, Hansen, môi trường xenluloza, môi trường ISP9, môi trường mạch nha, môi trường muối cơ sở…(phụ lục I thành phần dinh dưỡng và phương pháp pha môi trường)

2.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.2.1 Phương pháp lấy mẫu n ớc thải ư

Nước thải được lấy ở giai đoạn trước khi aerotank, khi đó nước thải từ các nguồn thải đã được loại bỏ rác Các mẫu được phân tích ngay sau khi lấy, thời gian lưu mẫu không quá 24 giờ

Mẫu bùn phân tích được lấy ở rãnh nước thải

2.2.2 Phương pháp xác ịnh sinh khối tế bào theo mật ộ quang đ đ

Tốc độ tích lũy sinh khối của vi sinh vật được xác định bằng phương pháp đo mật độ quang (OD560nm) của dịch nuôi cấy trên máy quang phổ kế Sinh khối của VK được xác định bằng kết quả đo OD của dịch nuôi cấy so với môi trường nuôi cấy ban đầu

2.2.3 Phương pháp phân lập vi sinh vật [9]

Xác định thành phần và số lượng VSV theo phương pháp pha loãng tới hạn + Lấy 1ml nước thải (hoặc 10 g bùn) cho vào ống nghiệm chứa 9 ml nước đã thanh trùng (hoặc vào bình nón chứa 90 ml nước đã thanh trùng), lắc cho mẫu tan đều

+ Chuẩn bị các ống nghiệm chứa 9 ml nước thanh trùng để pha loãng tiếp.+ Sử dụng pipet hút 1ml mẫu đã pha loãng ở nồng độ 10-1 vào ống nghiệm chứa 9 ml nước thanh trùng, ta được độ pha loãng 10-2 Tiếp tục cho tới khi dịch mẫu được pha loãng tới nồng độ 10-8

+ Dùng pipet vô trùng lấy 100µl dung dịch pha loãng ở các nồng độ 10-5,

10-7, 10-8 lên trên bề mặt môi trường thạch đặc hiệu cho từng loại vi sinh vật trong đĩa petri vô trùng Dùng que gạt thủy tinh vô trùng dàn đều giọt dịch đó trên bề mặt thạch Nuôi cấy ở 300C trong tủ ấm Sau 1 2 ngày lấy ra quan sát -

và đếm các khuẩn lạc hình thành

2.2.4 Chọn chủng vi sinh vật

Từ các khuẩn lạc phân lập được từ mẫu phân tích, nhận dạng khuẩn lạc thuộc nhóm VSV nào Chọn các khuẩn lạc mọc riêng rẽ trên các môi trường phân lập, cấy truyền sang môi trường thạch nghiêng tương ứng trong các ống nghiệm Các giống VSV thuần chủng trong các ống nghiệm được giữ ở nhiệt độ

40C- 100C trong tủ lạnh Mỗi tháng cấy truyền định kỳ sang môi trường mới

2.2.5 Phương pháp xác định các đặc điểm sinh học của các chủng VSV

a Phương pháp nhuộm Capsule [6]

Chuẩn bị các lam kính sạch, lau cồn để khử trùng Nhỏ một giọt nước vô trùng lên trên lam kính Lấy một lượng nhỏ VSV hòa tan đều trong giọt nước

vô trùng, để khô tự nhiên Nhỏ dung dịch tím gentian lên tiêu bản VSV, dàn đều, để dung dịch tím trong vòng 2 phút Rửa sạch dung dịch tím bằng dung dịch CuSO4 20% Lấy giấy thấm khô bề mặt lam kính và soi dưới kính hiển vi

b Phương pháp nhuộm Gram [6]

Chủng VK để nhuộm Gram được nuôi cấy trong vòng 24 giờ ở nhiệt độ 300C Nhỏ một giọt nước vô trùng lên lam kính đã khử trùng và lau sạch bằng cồn Lấy một lượng nhỏ mẫu hòa đều vào giọt nước trên lam kính, hơ khô Sau đó, nhỏ một giọt dung dịch tím kết tinh lên lam kính và gạt đều lên phần dịch mẫu đã hơ khô Để 3 phút sau đó rửa bằng nước rồi hơ khô Nhuộm tiếp bằng dung dịch Lugol trong 1 phút, rửa lại bằng nước, hơ khô Tiếp đó ngâm phần lam kính có chứa mẫu và đã được nhuộm màu trong cồn 30 giây, rửa và

h ơ khô Tiếp tục nhỏ một giọt Fuchsin lên, gạt đều để 1 phút, rửa, hơ khô và soi dưới kính hiển vi

Nhóm vi khuẩn Gram dương có đặc tính không bị dung môi hữu cơ (etanol) tẩy phức chất màu giữa tím kết tinh và iốt, kết quả cuối cùng sẽ bắt màu tím Nhóm vi khuẩn Gram âm bị dung môi tẩy màu thuốc nhuộm đầu do

đó sẽ bắt màu thuốc nhộm bổ sung đỏ tía với thuốc nhuộm Fuchsin

c Thuỷ phân Gelatin

Cấy VSV vào môi tr ờng gelatin ã vô trùng, nuôi ở nhiệt ư đ độ 300C, sau

72 giờ lấy ra cho vào tủ lạnh 40C để trong 2 giờ Sau 2 giờ môi trường trong ống nghiệm không bị ông lại chứng tỏ chủng ó có khả n ng thuỷ phân đ đ ăgelatin