Nghiên ứu công nghệ xử lý nước thải của các dây chuyền chế biến rau quả xuất khẩu bằng công nghệ sinh học

Cũng như cỏc nhà mỏy chế biến thực phẩm khỏc, nước thải của cỏc nhà mỏy chế biến đồ hộp rau quả cú hàm lượng chất hữu cơ rất cao như cỏc loại đường đơn, axit hữu cơ, protein, xenluloza,

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-*** -

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI CỦA CÁC DÂY TRUYỀN CHẾ BIẾN RAU QUẢ XUẤT KHẨU BẰNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC

NGÀNH: CÔNG NGHỆ SINH HỌC

MÃ SỐ:

ĐÀO THỊ THANH HẢI

HÀ N - ỘI 2008

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu và kết quả trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào khác

Tác giả luận văn

Đào Thị Thanh Hải

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin tr n trọng ảm ơn Vi n C ng nghệâ c ê ô môi trường, Trung t m đàoâ

t ạo sau đại ọc Trường đại ọc ách khoa H h - h B à Nội, đã ạo ọi đ ều kiện t m i thuận l ợicho t i hoàn ành ận văn thạc s ô th lu ỹ

Tôi xin bày ỏ òng biết ơn s u sắc ới TS Tăng Thị Chính đã ướng t l â t h

d ẫnchu đáo, ận tình cho t i trong suốt thời gian nghi n cứu đề àit ô ê t

Tôi xin tr n thành ảm ơn Th.S Nguyễn Thị Ho , KS Ho ng Thịâ c à à Dung, KS Trần Hà Ninh, cùng t c b ậpthể án ộ ân viênh n Viện Công nghệ môi

trường đãnhiệt tình úgi p đỡ i trong thời gian qua tô

Trong th gian hời ọc t và ập nghiê ứu đề tn c ài, t i nhận được ự giúp đỡ ô s nhiệt t cình ủa Đảng ỷ u , Ban giám ệu, các hi thầy cô giáo trường Cao đẳng

Tác giả luận văn

Đào Thị Thanh Hải

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

BOD (Biochemical Oxygen Demand ) Nhu cầu oxi sinh hoá

COD (Chemical Oxygen Demand) Nhu cầu oxy ho ọc á h

DO (Dissolve Oxygen) Oxy hoà tan

SV30 (Solid value 30) Bùn lắng sau 30 phút

lượng bùn

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Thành phần hoá học trong nước ép quả dứa 9 Bảng 3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng xử lý COD 41 của các chủng VSV tuyển chọn

Bảng 3.2 Ảnh hưởng của pH đầu vào đến khả năng xử lý COD 42 của các chủng vi sinh vật tuyển chọn

Bảng 3.3 Ảnh hưởng của nguồn nitơ đến hoạt động xử lý của các 44 chủng vi sinh vật tuyển chọn

Bảng 3.4 Điều kiện tiến hành thí nghiệm trong thiết bị bùn 46 hoạt tính AS – 20PS

Bảng 3.5 Chế độ thí nghiệm xử lý nước thải nhà máy chế biến dứa 46 Bảng 3.6 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên khả năng xử lý COD của các 56 chủng VSV ở quy mô pilot

Bảng 3.7 Ảnh hưởng của SV30 đến khả năng xử lý COD ở quy mô 58 Pilot

Bảng 3.8 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến lượng SS ở quy mô pilot 61 Bảng 3.9 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên chỉ số tổng photpho và tổng 63 Nitơ của h ệthống ở quy mô Pilot

ở quy mô pilot

Hình 3.8 Ảnh hưởng của chỉ số bùn SV30 đến khả năng xử 60

lý COD ở quy mô pilot

Hình 3.9 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên giá trị SS ở quy mô pilot 62 Hình 3.10 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên các chỉ số tổng nitơ và 64 tổng photpho ủa ệ c h thống quy mô pilot ở

MỤC LỤC

L ờicam đoan

L c ời ảm ơn

Danh mục các chữ viết ắt t i Danh mục các bảng ii

Danh mục các hình iii

M lục ục iv

Đặt vấn đề 1

Chương I T ổng quan t ài liệu 3

1.1 Tình hình sản xuất và chế biến rau quả 3

1.2 Phân loại nước thải và thành phần của nước thải nhà máy chế biến 4

rau quả 1.2.1 Phân loại nước thải 4

1.2.2 Các tiêu chí đánh giá chất lượng nước thải 6

1.2.3 Thành phần của nước thải nhà máy chế biến rau quả 8

1.3 Ảnh hưởng của nước thải giàu hữu cơ tới môi trường và các

phương pháp xử lý 12

1.3.1 Ảnh hưởng của nước thải giàu hữu cơ tới môi trường 12

1.3.2 Các phương pháp x lý nử ướcthải giàu ữu c h ơ 13

1.3.2.1 Ph ng phươ áp c hơ ọc 13

1.3.2.2 Ph ng phươ áp hoá học 14

1.3.2.3 Ph ng phươ áp hoá lý 14

1.3.2.4 Ph ng phươ áp sinh học 14

1.4 Cơ ở s khoa học ủa phương pháp x lý c ử sinh học 18

1.5 Các vi sinh vật ứng dụngtrong c ng nghệ ửô x lý nướcthải 21

1.5.1 Các nhóm i sinh vật ử ụng trong qu trình ử v s d á x lý nướcthải 21

1.5.2 Đặc i c m s đ ểm ủa ột ốnhóm vi sinh vật chính trong qu trình á x lý nử ướcthải 21

1.5.2.1 Vi khuẩn 21

1.5.2.3 Các vi sinh vật khác 23

1.5.3 Quá trình sinh trưởng của vi sinh vật trong xử lý nước thải 24 1.5.3.1 Quá trình hiếu khí không bắt buộc 24

1.5.3.2 Quá trình yếm khí 25

1.5.4 Các yếu tố ảnh hưởng tới sinh trưởng của VSV 26 1.5.4.1 Yếu tố nhiệt độ 26

1.5.4.2 Yếu tố pH 26

1.5.4.3 Nguồn Cacbon 26

1.5.4.4 Nguồn nitơ 27

1.6 Một số kết quả nghiên cứu xử lý nước thải của quá trình sản xuất dứa 28

Chương II vật liệu và phương pháp nghiên cứu 30

2.1 Vật liệu 30

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 30

2.1.2 Dụng cụ và hoá chất 30

2.1.2.1 Dụng cụ 30

2.1.2.2 Hoá chất 31

2.1.3 Môi trường 31

2.2 Phương pháp nghiên cứu 31

2.2.1 Phương pháp lấy mẫu nước thải 31

2.2.2 Phương pháp xác định nhu cầu oxi hoá học 31

2.2.3 Phương pháp xác định nitơ tổng số 32

2.2.4 Ph ng phươ áp ác x định photpho tổng số 33

2.2.5 Ph ng phươ áp ác x định giá trịSV30 34

2.2.6 Ph ng phươ áp nghiê ứu n c ảnh ưởng ủa h c nhiệt độ đến khả năng xử lý nướcthải c c ủa ác chủng VSV 35

2.2.7 Ph ng phươ áp nghiê ứu n c ảnh ưởng ủa h c pH đến khả ă n ng

x lý nử ướcthải c c ủa ác chủng VSV 352.2.8 Ph ng phươ áp nghiê ứu n c ảnh ưởng ủa h c nguồn nitơ đến

quá trình x lý nử ướcthải dứa 35

2.2.9 Xử lý nướcthải chế biến ứa ằng phương pháp ùn hoạt d b b

tính hiếu kh í 36 2.2.10 Ph ng ph p xươ á ử lý nước thải hi khếu í bằng ệ h thống pilot

c Vi Côủa ện ng nghệ môi trường 37

Chương III Kết quả và thảo luận 39

3.1 Tính đốikháng ủa ác chủng vi sinh vật đã tuyển chọn 39 c c 3.2 Các y t ếu ố ảnh ưởng h đến á qu trình ử COD của ác chủng x lý c

VSV tuyển chọn 40 3.2.1 Ảnh hưởng c c y t ủa ác ếu ố nhiệt độ ới á t qu trình ử x lý COD

c a c ủ ác chủng VSV tuyển chọn 41 3.2.2 Ảnh hưởng của pH đầu v ào đến qu trình ử COD của ác á x lý c

vi sinh vật tuyển chọn 42 3.2.3.Ảnh hưởng của nguồn nitơ đến khả năng xử lý COD của các

chủng vi sinh vật tuyển chọn 43 3.3 Nghiên cứu xử lý nước thải chế biến dứa bằng phương pháp

bùn hoạt tính hiếu khí quy mô bình 20 lít 44 3.3.1 Ảnh hưởng của COD đầu vào và tải lượng đến hiệu quả xử lý

COD 47 3.3.2 Ảnh hưởng của tải lượng COD đến khả năng lắng của bùn hoạt

tính 50 3.4 Nghiên cứu xử lý nước thải chế biến dứa bằng phương pháp hiếu

khí ở quy mô 750 lít 54 3.4.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hả năng xử lý COD của các chủng

vi sinh vật tuyển chọn 55 3.4.2 Mối quan hệ giữa chỉ số SV30 và mức giảm COD trong quá

trình xử lý nước thải ở quy mô Pilot 58 3.4.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tổng chất rắn lơ lửng SS 60 3.4.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên chỉ số tổng photpho và tổng nitơ 62

Chương IV Kết luận và kiến nghị 66

4.1 Kết luận 66 4.2 Kiến nghị 67 Tài liệu tham khảo 68

Phụ lục 73

ĐẶT VẤN ĐỀ

Với sự tiến bộ vượt bậc về khoa học kỹ thuật trên thế giới, đời sống của con người ngày càng được cải thiện và nhu cầu của con người về vật chất và tinh thần ngày càng tăng cao Bên cạnh sự phát triển chóng mặt của các ngành công nghệ viễn thông, tin học thì ngành công nghệ chế biến thực phẩm cũng phát triển mạnh mẽ để đáp ứng nhu cầu của cuộc sống Tuy nhiên bên cạnh những thành tựu đạt được như sản lượng tăng, số lượng mặt hàng ngày càng phong phú, chất lượng hàng hóa ngày một cải thiện thì một vấn đề bức xúc đó

là xử lý nước thải từ các nhà máy chế biến thực phẩm

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

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 phù hợp 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

Nhằm mục đích thúc đẩy nhanh quá trình xử lý sinh học nước thải trong các hệ thống xử lý nước thải chế biến rau quả đặc biệt là nước thải chế biến dứa, góp phần làm sạch và nâng cao chất lượng nước thải, chúng tôi chọn đề

tài: “Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải của các dây truyền chế biến rau quả xuất khẩu bằng công nghệ sinh học”

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

- Nghi n cứu ửê x lý nước thải chế biến ứa ằng phương pháp ử d b x lý hiếu kh í

s dử ụng ác chủng vi sinh vật tuyển chọn để c nâng cao hiệu quả ử x lý

- Nghi n cứu các ếu ố ảnh ưởng đến vi sinh vậtê y t h và hiệu quả ử x lý COD, BOD của nước thải chế ế bi n dứa: nhiệt độ, độ pH, nguồn nitơ đến khả năng

xử lý nước thải dứa của các chủng vi sinh vật tuyển chọn

- Đánh gi hiệu quả ử á x lý COD của ước thải chế biến dứa thiết ị th n b í nghiệm b ùn hoạt tính AS – 20PS có s dử ụng c ác chủng VSV đã tuyển chọn

- Đánh gi hiệu quả ửá x lý COD của ước thải chế biến dứa trong hệ thống npilot của Viện Công nghệ môi trường có s dử ụng ác chủng VSV đã tuyển c chọn

CH ƯƠ NG I TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 TÌNH HÌNH SẢN XUẤT VÀ CHẾ BIẾN RAU QUẢ

Nước ta là một nước có khí hậu nhiệt đới nóng ẩm nên có khí hậu phù hợp cho việc trồng rất nhiều loại rau quả Ở nước ta hiện nay đã hình thành rất nhiều vùng trồng cây rau, cây ăn quả chuyên canh cho sản lượng cao, chất lưọng tốt không những chỉ phục vụ nhu cầu ăn tươi mà còn phục vụ hoạt động xuất khẩu đem lại nguồn lợi kinh tế lớn cho đất nước

là k t k tTrong thời gian qua, nhất ể ừ đầu thấp ỷ 90, diện ích rau, hoa quả

c ủa Việt Nam phát triển nhanh chóng và ngày àng c có tính chuy n canh cao ê

Tính đến ăm 2004, tổng diện ích trồng rau, đậu tr n cả ước đạt tr n 600 n t ê n ênghìn hécta, gấp ơn 3 l h ần so với ă n m 1991 Bên cạnh rau, diện tích cây ăn quả cũng tăng nhanh trong thời gian gần đây Tính đến ăm 2004, diện t n ích

cây ăn quả đạt tr n 550 ngh ê ìn hécta

Do rau quả luôn có tính chất mùa vụ nên đồng thời với việc hình thành

và phát triển các khu chuyên canh cây ăn quả thì sẽ cần có một hệ thống nhà máy chế biến rau qu phục vụ xuất khẩu Phần lớn các sản phẩm rau quả được ả xuất khẩu dạng tự nhiên bảo quản lạnh Nhưng đối với dứa thì sản phẩm rất

đa dạng và thường xuất khẩu dạng đồ hộp: mứt dứa, dứa nước đường

Dứa 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 Trên thế giới có rất nhiều giống dứa nhưng có thể chia thành ba nhóm chính [5]: Nhóm Tây Ban Nha (Spanish), nhóm Hoàng hậu (Queen), nhóm smooth cayenne hay gọi tắt là cayenne là giống dứa được trồng nhiều nhất để phục vụ cho ngành chế biến dứa đồ hộp Dứa cayenne trái

to (1,5 -4,5kg/quả) có mắt nông vỏ vàng cam, thịt vàng, ít xơ, nhiều nước và

vị hơi chua rất thích hợp cho chế biến nước giải khát và các loại đồ hộp dứa

khác Nhóm dứa này được trồng phổ biến ở các vùng dứa lớn của thể giới (Thái Lan, Philipin, Mỹ, ) Theo thống kê của tổ chức nông lương thế giới (FAO), khoảng những năm năm mươi của thế kỷ trước sản lượng dứa trên thế giới mới chỉ 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, Ấn

Độ 1.535.000 tấn/năm,… [43]

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 Trong năm 2006, kim ngạch xuất khẩu hàng rau quả của nước ta đạt 259,08 triệu USD, tăng 10,02% so với năm

2005 và tăng 44,86% so với năm 2004 Bên cạnh việc tăng cường phát triển các cây công - nông nghiệp mũi nhọn, 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 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, 6 dây truyền chế biến nước dứa

cô đặc với tổng công suất 26.000 tấn/năm

Các nhà máy chế biến rau quả 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, do chưa có đủ nguồn nguyên liệu nên hầu hết các nhà máy mới chỉ sản xuất được một phần công suất thiết kế

1.2 PHÂN LOẠI NƯỚC THẢI VÀ THÀNH PHẦN CỦA NƯỚC THẢI NHÀ MÁY CHẾ BIẾN RAU QUẢ

1.2.1 Phân loại n ớc thải [13] ư

Trên toàn cầu, nước là một tài nguyên phong phú nhưng nước chỉ hữu dụng với con người khi nó ở đúng nơi, đúng chỗ, đúng dạng và đạt chất lượng

theo yêu cầu Hơn 99% trữ lượng nước trên thế giới nằm ở dạng không hữu dụng với đa số các mục đích của con người do độ mặn, địa điểm hoặc do dạng tồn tại

Nước ạch ất ần thiết cho hoạt động sống ủa con người Con người s r c c khai thác các nguồn nước tự nhiên để cung cấp nước cho các nhu cầu sinh hoạt và sản xuất Sau khi sử dụng nước bị nhiễm bẩn do chứa nhiều vi trùng

và các chất thải khác Nếu không được xử lý trước khi thải vào các nguồn nước công cộng, chúng sẽ làm ô nhiễm môi trường Hơn nữa, Ngu nước ồn

sạch tr n trái đất ngày àng ạn kiệt do đó ần phải ử ê c c c x lý nước thả đểi có thể

t s dái ử ụng

Theo các quy định về bảo vệ môi trường của Việt Nam, ô nhiễm nước

là việc đưa vào các nguồn nước các tác nhân lý, hoá, sinh học và nhiệt không đặc trưng về thành phần hoặc hàm lượng đối với môi trường ban đầu đến mức

có khả năng gây ảnh hưởng xấu đến sự phát triển bình thường của một loại sinh vật nào đó hoặc thay đổi tính chất trong lành của môi trường ban đầu

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 Đặc trưng của nước thải sinh hoạt phụ thuộc vào từng khu vực dân cư nhất định Đặc biệt nguy hại và khó xử lý nhất là nước thải bệnh viện Nhìn chung 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), mầm bệnh, các chất ắn ơ ửng,… r l l

 Nước thải nông nghiệp: nước thải khu vực nông nghiệp th ờng có ưnồng độ chất thải thấp Trong quá trình sản xuất nông nghiệp, nước thải

phân bón hóa học, thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ và nguồn phân chuồng không qua ủ làm cho nguồn n ớc bị ô nhiễmư c ác chất hữu c ơ độc hại, mầm

bệnh…C ác chất thải ày àm cho nước thải n l nông nghiệp ất kh r ó x lý và c ử ần

có thời gian dài để ph n huỷ ác ợp chất â c h hoá h ọc

 Nước thải công nghiệp: Thành phần nước thải công nghiệp đặc trưng

cho từng ngành công nghiệp khác nhau với mức độ độc hại và khả năng xử lý khác nhau Nhìn chung, 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 ư ưnhư các hóa chất độc hại (kim loại nặng: Pb, Hg, Cr, Cd…), các chất hữu cơ khó phân hủy sinh học (phenol, các chất hoạt động bề mặt…), các ch ất hữu c ơđộc, mầm bệnh, nhiệt lượng… Nhưng 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… ây chủ yếu là các hợp chất hữu cơ Đ

dễ phân giải, chúng là nguồn dinh dưỡng của các loài vi sinh vật

Để tránh làm ô nhiễm môi trường, nước thải phải được xử lý trước khi thải ra môi trường để đảm bảo các tiêu chuẩn chất lượng nước thải Tiêu chuẩn về chất lượng nước thải sau xử lý được quy định theo từng quốc gia Vì vậy cần thiết phải có một hệ thống xử lý nước thải thích hợp với đặc trưng của từng loại nước thải khác nhau

1.2.2 Các tiêu chí đánh giá chất lượng nước thải

Để đánh gi chất ượng ước thải, người ta sử ụng nhiều ti u ch , trong đó có c êác ti u ch chínhí :

trung tính có độ pH l 7 Tuy nhi n phà ê ần l s sớn ự ống thích ợp ới h v pH trong khoảng - 6 8,5

t ạo ra các huyền ph ơ ửng trong nước, các chất ày thường ù l l n có kích thước

nhỏ Chất rắn l lơ ửng làm cho nước thải có độ đục, không trong suốt Các chất

l lơ ửng ữu ơ ẽ ti u thụ oxi để ph n huỷ àm h c s ê â l giảm DO của nguồn ước n

M ột phần ác c chất ơ ửng ẽ ị ắng xuống khi lưu lượng òng chảy giảm l l s b l d

làm đầy ác ể chứa Đơn vị đo hàm ượng chất ắn ơ ửng c b l r l l là mg/l

- DO, COD:

+ DO (Dissolve oxygen): Phản ảnh àm ượng oxi ho tan trong

nước Ở đ ều kiện i lý tưởng oxi c thể ho tan trong nước đến 31mg/l còn ởó à nhiệt độ và áp suất ình thường ượng b , l oxi hoà tan trong nước nằm trong khoảng – 15mg/l Lượng i hoà 8 ox tan là nguồn i cho các sinh vật, vi sinh ox

v và ật thực ật ống trong nước sinh sống Nước v s có hàm ượng oxi ho tan l à

thấp ường là nth ước nhiễm ô

+ COD (Chemical Oxygen Demand) - Nhu cầu oxi hoá học là

lượng oxi cần thiết để oxi ho á c ác chất ữu ơ ho tan trong nước ằng hai h c à b

chất oxi hoá mạnh là Kali permanganate hoặc Kali b omat trong môicr i trường

axit mạnh Chỉ ố s COD càngcao cho thấy ức độ nhiễm c m ô àng nặng

- COD (Biochemical oxygen Dermand) – Nhu cầu oxi sinh hoá là lượng

oxi cần thiết để i hoá c ox ác chất ữu ơ h c có khả ă n ng thoái ến sinh học trong bi

m nẫu ước thải ằng ự chuyển ho ho sinh hiếu khí, nhu cầu ày li n quan b s á á n êđến 3 lo ch trong nước th : Các chại ất ải ất hữu c ơ được xem như là ngu ồncacbon của VSV hiếu khí; các ợp chất itrit, amoni v h n à c h ác ợp chất ữu ơ h c

chứa nitơ được xem như nguồn dinh dưỡng của một s ố loạ vi khuẩn; c ất i ác chhoá h ọc mang tính khử như Fe2+, S032- và S2- b ị oxi hoá b ởi oxi ho tan trong à

nước

giải thành NH3, chất này tan trong nước ạo ra NH t 4+ Khi có oxi và c ác vi khuẩn t dự ưỡng, NH3được oxi ho thành ác oxít ủa nitơá c c có tính độc ới ơ v c

t ạo thành HNO3 HNO3 s t ẽ ạo ra các ion NO3- Các ch ỉ ố s nit gồm: các ion ơ

dạng ữu ơ amoni NH h c 4+; các dạng oxi hoá nitrit (NO2-) và n aitr t (NO3-) Các ion này tạo iđ ều kiện cho rêu, tảo phát triển khi có ánh áng Chỉ ố nitơ àng s s ccao cho biết nước àng c ô nhiễm Các h ợp chất c ủa nitơ hiện diện trong nước

t ạo ra mùi khai (NH3) và mùi tanh của c ác amin

lượng cho các ế ào ống ưới ạng ác ợp chất ATP, các ợp chất ph tpho t b s d d c h h ohoà tan trong nước dưới ạng ác d c ion H2PO4-, HPO42-, PO43- Tổng oph tpho có trong nước là tổng hàm ượng ủa c h l c ác ợp chất photpho hữu c và vô cơ ơ Chỉ

s oố ph tpho càng cao càng ạo đ ều kiện ống cho các VSV sinh trưởng phát t i striển và làm cho nước àng ễ ị nhiễm c d b ô

C h l

- Chỉ số Sulfua (S ): ác ợp chất ưu huỳnh hiện diện trong nước thải

dưới ạng S0 d 42- và b âị ph n huỷ để trở thành H2S, chất này tạo ra mùi thối c ủa

nước thải

- Chỉ số vi sinh vật: Coliorm v Fecal Coliform l nhóm ác vi sinh vật

dùng để chỉ thị khả ă n ng có s ự hiện ện của c di ác sinh vật gây bệnh Có 2 phương pháp để x ác định Coliform và E Coli:

S có x ố ác suất cao nhất MPN: Most Probable Number –

Đếm khuẩn ạc UF: Clony forming Unit

Ngoài ra còn ột ố ác chỉ ti u khác ữa được ng trong đánh gi

chất lượng ước thải: n Ch s ỉ ố phóng xạ… Tuỳ theo tính ất c tch ủa ừng loại

nước thải ũng như chất ượng ước sau xử c l n lý mà s dử ụng ác chỉ ố khác c s nhau trong từng trường ợp h

1.2.3 Thành phần của nước thải nhà máy chế biến rau quả

Như chúng ta ã biết rau quả có chứa thành phần dinh d ỡng cao, đặc đ ưbiệt là ở các loại quả trong ó chủ đ yếu là các chất hữu cơ có khả năng hoà tan

mạnh trong nước nh : Các loại đư ường, các axit hữu cơ, chất xơ, các vitamin, các chất khoáng đa lượng và vi l ợng … Thành ph và hư ần àm ượng của các l

chất dinh dưỡng trong rau quả phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố: loại rau quả,

giống, m vùa ụ, đ ều kiện canh tác Nhưng nhi ìn chung, rau quả chứa rất nhiều chất dinh dưỡng là i đ ều ện r ki ất thuận ợi cho VSV l sinh trưởng và phát triển

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

Thành phần hoá học Thành phần hoá học

Nước (%) 72 – 78 Muối khoáng (%) 0,25

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

Đường (%) 8 – 15 Vitamin A(mg%) 0,06

Nước thải của nhà máy chế biến rau quả chủ yếu là tập hợp nước được thải ra sau các công đoạn sản xuất Trong có c côđó ác ng đoạn:

- Nước thải của quá trình rửa và vận chuyển nguyên liệu: Rau quả

được vận chuyển từ nhà kho đến xưởng sản xuất có thể bằng các băng truyền hoặc xe goòng Nhưng hầu hết được vận chuyển trong băng tải là các máng nước Khi đó rau quả được ngâm trong máng nước vừa có tác dụng rửa, làm sạch vừa có tác dụng vận chuyển Nước thải của công đoạn này chiếm một tỷ lệ lớn trong tổng lượng nước thải của một nhà máy chế biến rau quả Trong đó chứa rất nhiều các vi sinh vật, bụi bẩn và một lượng nhỏ các chất dinh dưỡng từ các rau quả dập nát bị lẫn, bị hoà tan vào trong quá trình vận chuyển

- Nước rửa được thải sau quá trình sơ chế (cắt, gọt và xử lý nguyên

liệu): Đối với rau quả, trong sản xuất luôn phải xử lý nguyên liệu trước khi

chế biến để loại bỏ những phần không có giá trị sử dụng trong chế biến như:

vỏ, hạt, lõi hay các phần rau quả bị giập nát, hư hỏng không đảm bảo chất lượng Sau xử lý, rau quả được đem rửa lại để loại bỏ lần cuối các tạp chất bám trên bề mặt nguyên liệu T ong quá trình đó, một lượng rất lớn các tạp rchất như các mảnh nguyên liệu vụn, các hợp chất hoà tan được dòng nước rửa cuốn đi Vì vậy mà nước thải ra ở công đoạn này có hàm lượng các chất dinh dưỡng hoà tan rất cao: các loại đường tan, các axit hữu cơ, vitamin….là nguồn dinh dưỡng rất phong phú và đa dạng cho các loại vi sinh vật sinh trưởng và phát triển trong đó

- Nước dùng để pha chế, bổ sung trong quá trình chế biến: Nước ở

công đoạn này hầu hết trở thành thành phần của sản phẩm sau sản xuất Tỷ lệ thải bỏ rất thấp, gần như không có

- Nước dùng để thanh trùng, gia nhiệt…: Các công đoạn này sử dụng

nước tuần hoàn trong hệ thống ống và nước n ày hầu hết được sử dụng lại nhiều lần nên cũng không tính nhiều đến khả năng nước được thải ra ở các công đoạn này

sản xuất và nhà xưởng sau sản xuất luôn còn bám dính một lượng chất hữu cơ

nhất định từ nguyên liệu Mà như chúng ta biết, trong điều kiện không vô trùng thì ở đâu có dinh dưỡng hữu cơ thì ở đó có VSV Một yêu cầu vô cùng quan trọng và khắt khe của chế biến thực phẩm là tính an toàn và đảm bảo vệ sinh trong tất cả các công đoạn chế biến đặc biệt là các sản phẩm đồ hộp xuất khẩu Thời hạn bảo quản sản phẩm càng dài thì yêu cầu về mặt vệ sinh, an toàn về mặt vi sinh càng cao Vì vậy, một lượng lớn nước được dùng để phục

vụ cho công đoạn tẩy rửa thiết bị, nhà xưởng trước và sau khi ộtm ca sản xuấtđược thực hiện… Nước thải ra ở công đoạn này chứa tương đối nhiều các chất dinh dưỡng được loại bỏ từ máy, dụng cụ, nhà xưởng …và một lượng các chất tẩy rửa Đối với nhà máy rau quả thì chất tẩy thường được dùng là nước tẩy rửa thông thường (xút ax, it)

Trong các quá trình này, chỉ có một phần nước được tái sử dụng còn phần lớn phải thải bỏ Như vậy nước thải nhà m áy chế ến bi rau quả có thể có

phần dầu, bụi lông bay ra từ nguyên liệu

Lượng ước thải àng ớ n c l n và nhiều ác thành phần thải th àng ần c ì c c thiết phải được ử x lý trước khi thải ra môi trường để ánh ntr ước ải ở th tr thànhnguồn lây nhiễm cho sản ẩm ph thực phẩm và ông gâ ô kh y nhiễm môi trườngxung quanh

1.3 ẢNH HƯỞNG CỦA NƯỚC THẢI GIÀU HỮU CƠ TỚI MÔI TRƯỜNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ [13, 18, 41, 42]

1.3.1 Ảnh hưởng của nước thải giàu hữu cơ tới môi trường [13, 18, 41, 42]

Nước thải của các nhà máy chế biến rau qu có hàm lượng các chất ả hữu

c d âơ ễ ph n huỷ rất cao: các loại đường, các axit hữu cơ, chất ơ, các vitamin, xkhoáng ch ất … là nguồn dinh dưỡng tốt cho các loại vi sinh vật phát triển Vì vậy nếu n ớc thải này không đưư ợc xử lý trước khi thải ra môi tr ờng sẽ gây ư

ra rất nhiều tác ộng xấu đ đến môi trường sống ũng c như sức khoẻ c con ủangười:

- Do trong nước thải chế biến rau quả chứa ột ượng ớn ác chất ữu m l l c h

c d ơ ễ ph n huỷ ằng con đường sinh họcâ b (c ác loại đường, một ượng nhỏ lprotein và chất éo…) N n nếu thải thẳng vào nguồn nước, quá trình phân b êhủy sinh học sẽ làm cạn kiệt oxy oà tan của nguồn nước t đóḥ ừ làm ảnh

hưởng đến hoạt động ống ủa quần thể sinh vật hiếu kh ở khu vực nguồn s c í

nước chảy qua

- Khi hàm ượng chất ữu ơ trong nước thải qu ớn l h c á l và lượng oxi hoà tan trong nước kh ng ô đủ cho qu trình ph n huỷ ếu í ì á â hi kh th oxi ho tan cà ủa nguồn nước ạn c kiệt Khi đó quá trình phân huỷ sinh học yếm khí sinh ra nhiều khí thải ộc hại làm ô nhiễm không khíđ và gây mùi khó chịu như khí:

SH2,CH4, C02, …

- S ản phẩm ủa ph n giải ếm kh c â y í là c ác chất kh khi nổi n tr n mặt í lê ê

nước i kéo theo các ạt ặn đã ph n huỷ, đồng thời ác ọt kh ỡ tung v lô h c â c b í v à bay vào khí quyển Chúng s lẽ àm ô nhiễm nguồn n ớc xung quanh nhà máy ư

và ôkh ng kh xung quanh, lâu ngày sẽ ảnh h ởng ến nguồn ní ư đ ước ngầm Khi

đó s gâẽ y ảnh hưởng nguy h và lâu dài ại đến ch lượng hoạt ất động sống c ủa

c m ả ột khu vực dân cư ần nh g à m áy

- 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 C ác VSV

n ày khi phát triển đến m m n ột ức độ ào đó có thể gây bùng phát ác ổ ịch c d

bệnh truyển nhiễm

Do vậy tr ớc khi thải ra môi ư trường, nước thải cần phải được xử lý bằng các biện pháp khác nhau ể đảm bảo không gây tác động xấu đến môi đtrường cũng như sức khoẻ con người

1.3.2 Các phương pháp xử lý nước thải giàu hữu cơ [ 13,18,41,42]

Trên thực tế, có rất nhiều phương pháp xử lý nước thải khác nhau như: Phương pháp cơ học, phương pháp lý học, phương pháp hoá học và phương pháp sinh học Với nguyên tắc là làm giảm nồng độ c ác chất độc hại trong

nước thải xuống ằng hoặc thấp ơn ti u chuẩn cho phép trước khi thải ra m i b h ê ô

trường Tu ỳ theo thành phần nước ải, yêth u cầu ước ải n th đầu ra m ngườià ta

có thể ử ụng ừng ph s d t ương pháphay kết ợp nhiều phương pháp h

V ới thành phần của nước thải chế biến rau quả nói chung, thành phần gây ô nhiễm trong nước thải chủ yếu là các hợp chất hữu cơ như: đường, xenluloza, axit hữu cơ, các vitamin tan trong nước…đây chủ yếu là các hợp chất hữu cơ dễ phân giải, chúng là nguồn dinh dưỡng của nhiều 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 thường kết hợp giữa các phương pháp: phương pháp xử lý cơ học, hoá học và phương pháp xử lý sinh học để xử lý nước thải của các nhà máy chế biến thực phẩm

1.3.2.1 Phươ ng pháp cơ học

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 (mảnh

nguyên liệu ụn, các mảnh v phế thải rắn, t úi nil ng, giấy, …) Các phương ôpháp xử lý cơ học thường dùng: lọc qua song chắn hoặc lưới, lắng, cyclon thủy lực, lọc qua lớp cát

Đối ới nh áy chế biến rau quả, thường dùng ph ng phươ áp ử ơ

h là l ọc ọc qua song chắn, lưới chắn hoặc ắng để ách ạp chất ắn kh ng tan l t t r ôtrong nước

1.3.2.2 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.-

Th ng thường ác nh áy chế biến rau quả àm ượng axit tương đối cao do các ax it hữu c ơ hoà tan từ nguyên liệu vào trong nước rửa và chế

biến Vì vậy ếu c , n ần thiết người ta sẽ phải trung hoà nước thải trước khi xử

lý sinh học để đảm bảo hiệu quả ủa ệ thống ử c h x lý

1.3.2.3 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

1.3.2.4 Phương pháp sinh học

Phương pháp sinh học là phương pháp phổ biến và kinh tế nhất để xử

lý nước thải chứa hàm lượng chất hữu cơ cao 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 khác 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

*Phương pháp xử lý hiếu khí bằng cấp khí cưỡng bức (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 1.1)

Hình 1.1 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 chí một

số vi sinh vật còn sinh ra các sản phẩm phụ có ảnh hưởng xấu tới môi trường

Nước thải đầu vào

những tính năng ưu việt của các loài vi sinh vật thì việc xác định 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 và sức khoẻ con người để ứng dụng trong

xử lý nước thải là vô cùng cần thiết

1.4 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 ơ chất hữu cơ trong quá trình BOD được trình bày trên hình 1.2

Do vậy, ng ời ta rất quan tâm ến khả n ng phân huỷ các hợp chất tự ư 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 đơn giản Do vậy, hệ vi sinh vật tự nhiên có thể được xem như một nhà máy xử lý rác khổng lồ 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 1.2 Sự thay đổi các ch sinh học trong quá trình BOD ất

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%)

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

1.5.1 Các nhóm vi sinh vật sử dụng trong quá trình xử lý n ớc thải ư

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

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

1.5.2.1 Vi khuẩn [6, 8, 23, 24, 35]

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 0,2-2mm, chiều dài khoảng 2,0-8,0mm 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 a-amilaza)

1.5.2.2 Nấm men

Nấm men (yeast) 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 chanh, 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

1.5.2.3 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

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

Vi sinh vật trong xử lý nước thải có thể có 2 qu trình hoạt động: qutrìnhhiếu kh , hiếu kh kh ng bắt buộc í í ô và á qu trình yếm í kh

1.5.3.1 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:

Hình 1.3 Sự tăng trưởng của vi khuẩn trong bể xử lý

+ 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

1.5.3.2 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:

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

1.5.4.1 Yếu tố nhiệt ộ [3] đ

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 tr ởng của chúng ở nhiệt độ đó Mỗi ư ưloại 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]

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

1.5.4.3 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 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 tính chất sinh lý của nguồn thức ăn, hai là đặc điểm sinh lý của từng loại 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

1.5.4.4 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 C ác nguồn nitơ ữu h c ơ đượcđồng hoá rất khác nhau ở c ác lo i ạ VSV Các protit cao ph n t không â ửthể lọt qua màng b c tế ào ủa VSV Ch có c ỉ ác protit gồm kh ng qu 5 ô á

chỉ có những VSV n có ào khả ăng sinh enzyme proteaza mới có khả n

năng sử ụng protit cao ph n tử d â

Trong phòng í th nghiệm, các nguồn nitơ ữu ơ thường được h c dùng là peptone, tripsin, casein… là c s ác ản phẩm thuỷ âph n protit bằng enzyme hoặc

bằng axit tạo thành ác aminoaxit v c à c ác polypeptit giúp VSV dễ ấp thu h

1.6 MỘT SỐ KẾT QỦA NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI CỦA QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT DỨA [12 ]

Để x lý ử nước thải trong nhà máy chế biến dứa, nhóm nghiên cứa của phòng Vi sinh vật môi trường của Viện công nghệ môi trường đã phân lập, tuyển chọn được 4 chủng VSV trong đó có 2 chủng VK là DII17, DII6 và 2 chủng nấm men H5, H7 là các chủng vi sinh vật có các đặc tính sinh lý sinh hóa có thể ứng dụng vào quá trình xử lý nước thải

Các chủng VSV trên có khả năng sinh trưởng và phát triển tốt trong điều kiện nhiệt độ từ 20 – 300C, chúng có khả năng sử dụng rất tốt các nguồn cacbon hữu cơ như: đường đơn, đường đôi, các axit hữu cơ… và đặc biệt chúng có khả thích nghi tốt với khoảng pH rộng từ 3,5 – 8,5[12]

C k ác ết quả ghiên cứu ứng ụng n d các chủng VSV tuyển chọn tr n để xử ê

lý nước ải th chế biến dứa ở ác qui m 200 ml, 2500 ml và 20 lít (xử lý theo c ô mẻ) cho thấy các chủng vi sinh , vật tuyển ch ọn trên có khả năng xử lý trên 90% COD của nước thải dứa, cải thi được ện pH của nước thải dứa từ pH axit lên pH trung tính và kiềm nhẹ (từ pH 4,2 lên 7,9)[12, 13]

Từ những kết quả nghiên cứu trên cho thấy các chủng VSV này có khả năng ứng dụng rất tốt vào quá trình xử lý nước thải của quá trình chế biến dứa, tuy nhiên để có thể đưa các chủng VSV trên vào quá trình xử lý tại nhà máy thì cần phải có các nghiên cứu ởqui m ớn h n ô l ơ

Hình 1.4 Nước thải sau khi xử lý với thể

tích 200 ml/bình

CHƯƠNG II VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU2.1 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 chủng vi khuẩn DIII6, DII17 và 2 chủng nấm men H5, H7

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)

 Máy sục khí

 H ệ thống ử x lý nước thải hiếu kh AS 20PS í –

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