Nghiên cứu xử lý nước thải từ công nghệ sản xuất chitin cải tiến bằng phương pháp sinh học có thu hồi protein

i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG PHẠM ĐÌNH HẢI NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI TỪ CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT CHITIN CẢI TIẾN BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC CĨ THU HỒI PROTEIN LUẬN VĂN THẠC SĨ Nha Trang – 2011 ii BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG PHẠM ĐÌNH HẢI NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI TỪ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CHITIN CẢI TIẾN BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC CÓ THU HỒI PROTEIN Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ SAU THU HOẠCH Mã số: 605410 LUẬN VĂN THẠC SĨ PGS. TS. TRANG SĨ TRUNG TS. LÊ HOÀNG NGHIÊM Nha Trang - 2011 iii LỜI CAM KẾT Luận văn Thạc sỹ khoa học này được tác giả thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Trang Sĩ Trung, Trường Đại học Nha Trang; TS. Lê Hoàng Nghiêm, Trường Đại học Bách khoa Tp. Hồ Chí Minh. Những kết quả thực nghiệm mà tôi trình bày trong luận văn Thạc sỹ khoa học này là do tôi tự nghiên cứu và hoàn toàn mới, chưa được ai công bố chính thức. Tôi xin cam đoan đây là sự thật và hoàn toàn chịu trách nhiệm với những kết quả mình đã công bố. Nha Trang, ngày 25 tháng 12 năm 2011 Tác giả thực hiện Phạm Đình Hải iv LỜI CẢM ƠN Xin kính gửi lời cảm ơn đến Ban Giám Hiệu Trường Đại học Nha Trang, Ban Chủ nhiệm Khoa Chế biến, Khoa Sau đại học các thầy cô giáo cùng các anh chị công tác tại Bộ môn Hóa sinh – Vi sinh, Phòng Thí nghiệm khoa Chế biến, viện Công nghệ sinh học và Môi trường, trường Đại học Nha Trang, Cơ sở Chế biến phế liệu hải sản Suối Tân, Cam Lâm, Khánh Hòa. Đặc biệt tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến: - PGS.TS Trang Sĩ Trung, đã tận tình giúp đỡ và hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài. - TS. Lê Hoàng Nghiêm, Trường Đại học Bách khoa Tp. Hồ Chí Minh, đã nhiệt tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài. - ThS. Nguyễn Công Minh, Bộ môn Hóa - vi sinh - Khoa Chế biến - Trường Đại học Nha Trang đã trợ giúp tôi trong việc thực hiện các phép phân tích và xử lý kết quả. - Ba mẹ, các anh chị và vợ, con đã luôn động viên, không ngừng ủng hộ tôi. - Cùng các bạn hữu, đồng nghiệp đã tận tình giúp đỡ và cùng tôi chia sẻ những khó khăn để hoàn thành luận văn này. v MỤC LỤC LỜI CAM KẾT i LỜI CẢM ƠN iv DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT viii DANH MỤC BẢNG ix DANH MỤC HÌNH x MỞ ĐẦU 1 1. Tính cấp thiết của đề tài 1 2. Mục tiêu đề tài 1 3. Nội dung đề tài 1 4. Ý nghĩa khoa học của đề tài 2 5. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài 2 Chương 1 3 TỔNG QUAN 3 1.1. CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CHITIN TỪ PHẾ LIỆU TÔM 3 1.1.1. Giới thiệu chung 3 1.2.2. Giới thiệu quy trình sản xuất chitin 3 1.2. LƯỢNG NƯỚC THẢI VÀ CÁC THÀNH PHẦN NƯỚC THẢI SẢN XUẤT CHITIN 5 1.2.1. Nuớc thải sản xuất chitin 5 1.2.2. Các thành phần nước thải chitin. 5 1.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP THU HỒI PROTEIN HÒA TAN TRONG DUNG DỊCH 8 1.3.1. Kết tủa bằng muối 8 1.3.2. Kết tủa pH đẳng điện 9 1.3.3. Kết tủa bằng nhiệt độ 9 1.3.5. Kết tủa bằng polyme 10 1.4. TỔNG QUAN XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC 11 1.4.1. Cơ sở lý thuyết của quá trình. 11 1.4.2. Phương pháp kỵ khí. 12 1.4.3. Phương pháp hiếu khí 12 1.4.4. Khử Nitơ bằng phương pháp Nitrat hóa và khử Nitrat. 13 1.4.4.2. Quá trình nitrat hóa 15 vi 1.4.5. Khử phospho trong nước thải 20 1.5. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MBBR 22 1.5.1. Giới thiệu chung 22 1.5.2. Giá thể động 23 1.5.3. Lớp màng biofilm 24 1.5.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý bằng công nghệ MBBR 26 1.5.5. Ưu điểm và nhược điểm của công nghệ MBBR 28 1.6. TỔNG QUAN XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG BỂ ĐẤT NGẬP NƯỚC KIẾN TẠO 29 1.6.1. Khái niệm đất ngập nước kiến tạo 30 1.6.2. Phân loại 30 1.6.3. Thực vật được sử dụng trong hệ thống đất ngập nước kiến tạo 30 1.6.4. Khả năng làm sạch nước của đất ngập nước kiến tạo 32 1.7. NHỮNG NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI THỦY SẢN VÀ NƯỚC THẢI TỪ CỘNG NGHỆ SẢN XUẤT CHITIN 32 Chương 2 35 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 35 2.1. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 35 2.1.1. Nước thải đầu vào 35 2.1.2. Bùn hoạt tính sử dụng trong nghiên cứu 35 2.1.3. Hóa chất sử dụng 35 2.1.4. Giá thể động 35 2.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 35 2.2.1. Thu mẫu và xử lý mẫu 35 2.2.2. Phương pháp điều chỉnh pH 35 2.2.3. Sơ đồ bố trí thí nghiệm tổng quát 35 2.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI 48 2.4. PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ SỐ LIỆU 48 Chương 3 49 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 49 3.1. THU HỒI PROTEIN TỪ NƯỚC THẢI CHITIN 49 3.1.1. Tối ưu hóa quá trình thu hồi protein từ dịch ép đầu tôm 49 vii 3.1.2. Tối ưu hóa quá trình thu hồi protein từ dịch xử lý enzyme 57 3.1.3. Tối ưu hóa quá trình thu hồi protein từ dịch xử lý NaOH 65 3.1.4. Đánh giá chất lượng protein thu hồi 72 3.1.5. Đánh giá hiệu quả về mặt môi trường của nước thải sản suất chitin sau khi thu hồi protein 72 3.2. THÍ NGHIỆM NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI TỪ QUY TRÌNH SẢN XUẤT CHITIN 73 3.2.1. Thí nghiệm thích nghi và tạo màng biofilm trên giá thể 73 3.2.2. Thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng hữu cơ đến hiệu quả xử lý COD, BOD 5 và sự chuyển hóa nitơ của mô hình MBBR kỵ khí 80 3.2.3. Thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng hữu cơ đến hiệu quả xử lý COD, BOD 5 và hiệu quả xử lý nitơ của bể kỵ khí nối tiếp hiếu khí 89 3.2.4. Thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng hữu cơ đến hiệu quả xử lý COD, BOD 5 và sự chuyển hóa nitơ của bể đất ngập nước kiến tạo trồng sậy 94 3.2.5. Đánh giá các chỉ tiêu môi trường của nước thải sản xuất chitin sau khi xử lý 97 3.3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI VỚI CÔNG SUẤT 50m 3 /NGÀY 99 3.3.1. Quy trình xử lý nước thải sản xuất chitin theo phương pháp sinh học 99 3.3.2. Thiết minh quy trình xử lý nước thải sản xuất chitin theo phương pháp sinh học 99 Chương 4 103 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 103 4.1. KẾT LUẬN. 103 4.2. KIẾN NGHỊ 103 TÀI LIỆU THAM KHẢO 104 PHỤ LỤC 110 viii DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT BOD Biological oxygen demand – Nhu cầu oxy sinh hóa BTNMT Bộ Tài nguyên Môi trường COD Chemical oxygen demand – Nhu cầu oxy hóa học DO Dissolved oxygen – Nồng độ oxy hòa tan E/W Tỷ lệ enzyme với phế liệu tôm F/M Food/Microorganism – Tỷ lệ chất hữu cơ/lượng vi sinh vật HTR Hydrolic time retention – Thời gian lưu nước OLR Organic loading rate – Tải trọng chất hữu cơ MBBR Moving bed biofilm reactor – Bể phản ứng màng sinh học dính bám trên giá thể lơ lửng PAOs Vi sinh vật tích lũy phosphate QCVN Quy chuẩn Việt Nam SRT Sludge retention time – Thời gian lưu bùn TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TN Tổng Nitơ TP Tổng Phospho TS Tổng rắn lơ lửng VFAs Axit béo dễ bay hơi ix DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Định mức hóa chất và lượng nước tiêu thụ trong công nghệ sản xuất chitin, tính cho một tấn nguyên liệu 6 Bảng 1.2. Thành phần và tính chất nước thải sản xuất chitin 7 Bảng 1.3. Các phản ứng chuyển hóa sinh học của Nitơ trong nước 13 Bảng 1.4. Thông số các loại giá thể 24 Bảng 2.1. Qui hoạch thực nghiệm hiệu suất thu hồi protein dịch đầu tôm 37 Bảng 2.2. Qui hoạch thực nghiệm hiệu suất thu hồi protein dịch xử lý enzyme 38 Bảng 2.3. Qui hoạch thực nghiệm hiệu suất thu hồi protein dịch xử lý NaOH 39 Bảng 2.4. Tóm tắt thông số thiết kế của mô hình kỵ khí và hiếu khí 43 Bảng 2.6. Các chỉ tiêu và phương pháp phân tích 48 Bảng 3.1. Các nhân tố và khoảng biến thiên của quy hoạch thực nghiệm 52 Bảng 3.2. Các kết quả thí nghiệm của quy hoạch thực nghiệm 54 Bảng 3.3. Các nhân tố và giá trị của quy hoạch thực nghiệm 60 Bảng 3.4a. Các kết quả của thí nghiệm quy hoạch thực nghiệm 61 Bảng 3.5. Các nhân tố và giá trị của quy hoạch thực nghiệm 68 Bảng 3.6. Các kết quả của thí nghiệm quy hoạch thực nghiệm 68 Bảng 3.7. Các chỉ tiêu lý hóa của hổn hợp protein thu hồi 72 Bảng 3.8. Các chỉ tiêu môi trường nước thải trước và sau khi thu hồi protein 73 Bảng 3.9. So sánh hiệu quả xử lý COD, BOD 5 và TN ở các mức tải trọng 88 Bảng 3.10. So sánh các chỉ tiêu của nước thải chitin đã xử lý với giá trị tới hạn loại B của QCVN 11/2008 và QCVN 24/2009 của BTNMT 98 x DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Mô hình tương tác trái dấu của chất phân tử 10 Hình 1.2. Ảnh hưởng tỉ số BOD : N và thời gian lưu bùn đối với tỉ lệ loại bỏ nitơ 18 Hình 1.3. Các loại giá thể Kaldnes 24 Hình 1.4. Lớp biofilm dính bám trên bề mặt giá thể 27 Hình 1.5. Sơ đồ đất ngập nước kiến tạo chảy ngầm theo chiều ngang 31 Hình 1.6. Sơ đồ đất ngập nước kiến tạo chảy ngầm theo chiều đứng 31 Hình 2.1. Mô hình kỵ khí 41 Hình 2.2. Mô hình hiếu khí 42 Hình 2.3. Mô hình kỵ khí nối tiếp hiếu khí 46 Hình 2.4. Mô hình MBBR kỵ khí nối tiếp hiếu khí và bể đất ngập nước kiến tạo 47 Hình 3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất thu hồi protein 49 Hình 3.2. Ảnh hưởng của thời gian đun đến hiệu suất thu hồi protein 50 Hình 3.3. Ảnh hưởng của nồng độ chitosan đến hiệu suất thu hồi protein 50 Hình 3.4. Ảnh hưởng của nồng độ CaCl 2 đến hiệu suất thu hồi protein 51 Hình 3.4.a 1 . Bề mặt đáp ứng của hàm hiệu suất thu hồi protein ở nồng độ CaCl 2 là 50 ppm với nồng độ chitosan và nhiệt độ ở dạng 3D 53 Hình 3.4.a 2 . Bề mặt đáp ứng của hàm hiệu suất thu hồi protein ở nồng độ CaCl 2 là 50 ppm với nồng độ chitosan và nhiệt độ ở dạng mặt phẳng 53 Hình 3.4.b 1 . Bề mặt đáp ứng của hàm hiệu suất thu hồi protein ở nồng độ chitosan là 100 ppm với nồng độ CaCl 2 và nhiệt độ ở dạng 3D 55 Hình 3.4.b 2 . Bề mặt đáp ứng của hàm hiệu suất thu hồi protein ở nồng độ chitosan là 100 ppm với nồng độ CaCl 2 và nhiệt độ ở dạng mặt phẳng 55 [...]... nghệ sản xuất chitin cải tiến bằng phương pháp sinh học có thu hồi protein là một hướng nghiên cứu cần thiết Thành công của đề tài sẽ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường do công nghệ sản xuất chitin – chitosan gây ra Hơn nữa hướng nghiên cứu còn giúp giảm chi phí trong quá trình sản xuất và góp phần nâng cao hiệu quả của phế liệu 2 Mục tiêu đề tài Nghiên cứu quy trình xử lý nước thải từ công nghệ sản. .. thành công nghệ khả thi cho xử lý nước thải tải trọng hữu cơ cao Tuy nhiên, cho đến nay, xét về phạm vi áp dụng trong xử lý nước thải thủy sản nói chung và xử lý nước thải trong quy trình sản xuất chitin nói riêng, không có nhiều nhà máy xử lý nước thải xử dụng phương pháp này do thiếu kinh nghiệm trong vận hành và quản lý Dựa trên những phân tích đã trình bày, đề tài Nghiên cứu xử lý nước thải từ công. .. nghệ sản xuất chitin đạt quy chuẩn Việt Nam 3 Nội dung đề tài a Nghiên cứu quy trình thu hồi protein trong công nghệ sản xuất chitin cải tiến 2 b Nghiên cứu hệ thống mô hình kết hợp xử lý lọc sinh học kỵ khí và hiếu khí xử lý nước thải sản xuất chitin đạt QCVN 24:2009/BTNMT (Quy chuẩn kỹ thu t quốc gia về nước thải công nghiệp) và QCVN 11:2008/BTNMT (Quy chuẩn kỹ thu t quốc gia về nước thải công nghiệp... hoặc xử lý bằng các chất tẩy màu thông dụng như KMnO4, H2O2, NaOCl, NaHSO3, H2O2 và NaOCl được sử dụng nhiều nhất [27] 1.2 LƯỢNG NƯỚC THẢI VÀ CÁC THÀNH PHẦN NƯỚC THẢI SẢN XUẤT CHITIN 1.2.1 Nuớc thải sản xuất chitin Từ việc phân tích quy trình công nghệ sản xuất chitin ta thấy: Hầu hết các công đoạn trong công nghệ sản xuất này đều là quá trình ướt nghĩa là quá trình nào hầu như cũng có sử dụng nước. .. hơn nước thải chitin 5 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài - Nâng cao hiệu quả thu hồi protein của dịch ở công đoạn ép đầu tôm, xử lý enzyme và xử lý xút nhằm giảm bớt ô nhiễm của nước thải đầu vào - Giảm mức độ ô nhiễm môi trường của nước thải, giảm chi phí trong quá trình sản xuất hơn nữa góp phần bảo vệ môi trường - Đề tài có ý nghĩa rất lớn là giúp cho doanh nghiệp hiểu biết về xử lý nước thải từ công nghệ. .. ngưỡng xử lý của quá trình xử lý sinh học nên cần phải có biện pháp làm giảm protein của nước thải đầu vào để bảo đảm hiệu quả xử lý, trong phạm vi đề tài áp dụng phương pháp kết tủa để tách protein Hàm lượng COD trong nước dao động 13,869  14,540 mg/l, BOD5 từ 130  735mg/l cao hơn rất nhiều lần cho phép Tỷ lệ BOD5/COD  0,55 nên trong xử lý phải kết hợp cả hai phương pháp sịnh học kỵ khí và sinh học. .. tôm như protein, astaxanthin,… nếu không được tận dụng có hiệu quả sẽ gây ô nhiễm môi trường Hơn nữa là ngành sản xuất chitin đang đứng trước nguy cơ là không thể tiếp tục sản xuất vì phát thải một lượng lớn nước thải ra môi trường mà không thể xử lý được Tại Việt Nam, công nghệ xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học được biết đến như là một công nghệ tiết kiệm năng lượng, cộng thêm đặc điểm về chi... nên trong quá trình sản xuất chitin cần phải khử các hợp chất phi chitin này ra khỏi chitin Hiện nay, các qui trình sản xuất chitin chủ yếu sử dụng phương pháp hóa học bởi vì có ưu điểm: nhanh, đơn giản, dễ thực hiện ở qui mô lớn Ngược lại, phương pháp hóa học cũng có một số nhược điểm: Xử lý bằng acid và kiềm ở nồng độ cao, thời gian dài dẫn đến chất lượng sản phẩm chitin, thu được có độ nhớt và phân... mang điện tích âm Ngoài ra, chitosan có khả năng xử lý màu rất hiệu quả [71] Hình 1.1 Mô hình tương tác trái dấu của chất phân tử Chitosan được xem như là tác nhân thu hồi protein từ nước thải của ngành công nghệ thực phẩm [29, 53, 59, 64] Nhiều công trình nghiên cứu đã tiến hành thực nghiệm sử dụng chitosan để thu hồi protein từ nước rửa surimi, dịch thải máu cá, nước thải trong quá trình chế biến cá,... thủy sản) c Đề xuất các thông số thiết kế hệ thống xử lý nước thải 50 m3/ngày 4 Ý nghĩa khoa học của đề tài - Tạo ra dẫn liệu khoa học có giá trị tham khảo cho sinh viên, cao học viên và cán bộ kỹ thu t trong ngành chế biến thủy sản cũng như ngành môi trường - Kết quả nghiên cứu của đề tài là cở sở để các nhà sản xuất áp dụng giải pháp tương tự nhằm giảm thiểu mức độ ô nhiễm của nước thải và xử lý hiệu . ĐẠI HỌC NHA TRANG PHẠM ĐÌNH HẢI NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI TỪ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CHITIN CẢI TIẾN BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC CÓ THU HỒI PROTEIN Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ SAU THU. VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG PHẠM ĐÌNH HẢI NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI TỪ CƠNG NGHỆ SẢN XUẤT CHITIN CẢI TIẾN BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC CĨ THU HỒI PROTEIN LUẬN VĂN. 50m 3 /NGÀY 99 3.3.1. Quy trình xử lý nước thải sản xuất chitin theo phương pháp sinh học 99 3.3.2. Thiết minh quy trình xử lý nước thải sản xuất chitin theo phương pháp sinh học 99 Chương 4 103 KẾT