Luận án nghiên cứu tạo chế phẩm vi sinh vật xử lý nước thải chế biến tinh bột sắn

Các cơ sở, nhà máy chế biến tinh bột sắn CBTBS tuy đáp ứng nhu cầu tiêu dùng của xã hội nhưng do chỉ tập trung đầu tư để nâng cao năng suất và chất lượng của sản phẩm, vấn đề quản lý và

B NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN

VIỆN KHOA HỌC NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

- -

VŨ THÚY NGA

NGHIÊN CỨU TẠO CHẾ PHẨM VI SINH VẬT XỬ LÝ

NƯỚC THẢI CHẾ BIẾN TINH BỘT SẮN

Chuyên ngành: Công nghệ sinh học

MỤC LỤC

Trang Lời cam đoan

2.3.8 Phương pháp xử lý nước thải chế biến tinh bột sắn bằng chế phẩm vi sinh

3.3.2 Nhân sinh khối các vi sinh vật tuyển chọn bằng phương pháp lên men chìm 85

3.4 Xây dựng qui trình sử dụng gchế phẩm vi sinh vật xử lý nước thải chế biến

3.5 Nghiên cứu hiệu quả xử lý nước thải chế biến tinh bột sắn của chế phẩm 112

3.5.3.Xác định khả năng tồn tại của các vi sinh vật nghiên cứu trong bùn thải

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

(Trung tâm hợp tác nghiên cứu phát triển nông nghiệp)

nghiệp Liên Hợp Quốc)

PCR Polymerase Chain Reaction (phản ứng chuỗi trùng hợp)

TNHH MTV Trách nhiệm hữu hạn Một thành viên

DANH MỤC BẢNG

khí tại nhà máy của công ty TNHH MTV Elmaco Ninh Bình, năm

2012

63

lọc chất rắn lơ lửng tại nhà máy công ty TNHH MTV Elmaco Ninh

Bình, năm 2012

65

tại nhà máy của công ty TNHH MTV Elmaco Ninh Bình, năm 2012

66

của vi sinh vật phân lập

69

và hỗn hợp sau 90 ngày bảo quản

85

3.22 Miền khảo sát yếu tố điều kiện lên men thu sinh khối của các chủng vi

sinh vật tuyển chọn

94

3.28 Sinh khối vi sinh vật sau 5 ngày lên men xốp với chất mang khác

nhau

100

02 ở qui mô 80 lít

104

DANH MỤC HÌNH

công ty TNHH MTV Elmaco Ninh Bình

62

gần dựa vào trình tự 16S rADN

79

gần dựa vào trình tự 16S rADN

70

gần dựa vào trình tự 16S rADN

81

3.17 Mức độ đáp ứng sự mong đợi đối với các chủng vi sinh vật nghiên

cứu

98

MỞ ĐẦU

Cây sắn (Manihot esculenta Crantz) một trong số loại cây lương thực quan

trọng đặc biệt ở các nước đang phát triển vì dễ trồng, không kén đất và cho thu hoạch với năng suất cao Hiện nay, do nhu cầu về tinh bột sắn tăng cao để phục vụ nguyên liệu cho các ngành công nghiệp như chế biến thực phẩm, công nghiệp giấy, công nghiệp dệt, nhiên liệu sinh học…nên các nước trồng sắn trong đó có Việt Nam tập trung vào sản xuất tinh bột sắn để đáp ứng nhu cầu trong nước và xuất khẩu

Các cơ sở, nhà máy chế biến tinh bột sắn (CBTBS) tuy đáp ứng nhu cầu tiêu dùng của xã hội nhưng do chỉ tập trung đầu tư để nâng cao năng suất và chất lượng của sản phẩm, vấn đề quản lý và kiểm soát lượng nước thải ra trong quá trình sản xuất chưa được đầu tư đồng bộ, hệ thống xử lý nước thải không xử lý triệt để dẫn đến các chỉ tiêu lý hóa sinh học đều vượt ngưỡng cho phép, gây ô nhiễm nghiêm trọng môi trường Thực tế đã có cơ sở nhà máy bị đình chỉ sản xuất

và phải nâng cấp xây dựng cải tạo hệ thống xử lý nước thải để khắc phục hậu quả theo quyết định 1788/QĐ TTg ngày 1/10/2013 của Thủ tướng Chính phủ về xử lý triệt để các cơ sở gây ô nhiễm môi trường

Hiện tại, có rất nhiều phương pháp xử lý nước thải, tuy nhiên biện pháp hữu hiệu nhất để xử lý nước thải là biện pháp sinh học vì hiệu quả triệt để, không gây tái

ô nhiễm và chi phí đầu tư thấp (Chu Thị Thơm và cs, 2006) Biện pháp sinh học xử

lý nước thải bằng vi sinh vật là phương pháp có nhiều ưu điểm và được ứng rộng phổ biến ở nhiều nước trên thế giới Phương pháp vi sinh vật không chỉ giải quyết được tình trạng ô nhiễm môi trường nước mà còn không gây hại đến môi trường xung quanh, giúp ổn định cân bằng sinh thái và giá thành xử lý khá phù hợp với các nước đang phát triển Do đó vấn đề sử dụng vi sinh vật có ích trong tự nhiên là điều cần quan tâm và nghiên cứu để giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường nước

Theo Huỳnh Ngọc Phương Mai (2006) trung bình để sản xuất được một tấn tinh bột sắn trong ngày phải sử dụng 12-20m3 nước, do đó lưu lượng nước thải phát sinh trong chế biến tinh bột sắn là rất lớn, mức độ ô nhiễm cao Trong nước thải chế biến tinh bột sắn thường có thành phần chất rắn lơ lửng cao do bột và xơ củ sắn sót

lại, nhu cầu oxy sinh hóa (BOD) và nhu cầu oxy hóa học (COD) có nồng độ cao hàng chục ngàn mg/l gây khó khăn cho quá trình xử lý sinh học Đặc biệt các chất nhựa và hàm lượng nhất định hợp chất xyanua có trong nước thải chế biến tinh bột sắn còn làm cho nước thải có màu đen, gây mùi khó chịu và ức chế nhiều loại vi sinh vật có ích Vì vậy, nghiên cứu các chủng vi sinh vật thích nghi với môi trường nước thải nhằm lựa chọn được các chủng vi sinh vật phù hợp có khả năng phân hủy mạnh các chất hữu cơ và chịu được các chất ức chế có trong nước thải chế biến tinh bột sắn là cần thiết

Nhiều công trình khoa học nghiên cứu sử dụng vi sinh vật làm tác nhân sinh học trong xử lý nước thải giàu chất hữu cơ đã xác định được khả năng làm giảm hàm lượng BOD, COD và chất hữu cơ trong nước thải, tuy nhiên vẫn chưa

có giải pháp hiệu quả trong việc tạo chế phẩm vi sinh vật cho xử lý nước thải sau CBTBS hoặc sử dụng kết hợp chế phẩm vi sinh vật với các giải pháp khác để nâng cao hiệu quả xử lý nước thải CBTBS, do vậy chất lượng nước thải ra môi trường chưa đảm bảo yêu cầu theo quy chuẩn 40/2011 của Bộ TNMT

Xuất phát từ lý do trên, đề tài: “Nghiên cứu tạo chế phẩm vi sinh vật xử lý

nước thải chế biến tinh bột sắn” có ý nghĩa cấp thiết góp phần xử lý triệt để nước

thải sau chế biến tinh bột sắn

Mục tiêu của đề tài luận án

- Tuyển chọn được vi sinh vật và tạo được chế phẩm vi sinh vật có khả năng xử lý nước thải chế biến tinh bột sắn

- Đề xuất quy trình sử dụng chế phẩm vi sinh vật xử lý nước thải chế biến tinh bột sắn

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Nước thải sau chế biến tinh bột sắn của cơ sở, nhà máy chế biến tinh bột sắn ở Ninh Bình, Hà Nội và Đăk Lăk

- Vi sinh vật có khả năng chuyển hóa các hợp chất ô nhiễm trong nước thải chế biến

tinh bột sắn

- Hệ thống xử lý nước thải của nhà máy chế biến tinh bột sắn thuộc công ty TNHH

MTV Elmaco Ninh Bình

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- Về khoa học: Luận án đã tuyển chọn được các chủng vi sinh vật có hoạt tính sinh học cao, thích nghi với môi trường nước thải chế biến tinh bột sắn, và được áp dụng trong sản xuất chế phẩm vi sinh vật xử lý nước thải chế biến tinh bột sắn Góp phần cung cấp thêm tư liệu phục vụ giảng dạy và nghiên cứu ứng dụng vi sinh vật trong

xử lý nước thải bằng con đường sinh học

- Về thực tiễn: Ứng dụng chế phẩm vi sinh vật trong hệ thống xử lý nước thải của nhà máy chế biến tinh bột sắn Elmaco Ninh Bình, góp phần xử lý triệt để ô nhiễm môi trường của cơ sở sản xuất tinh bột sắn

Đóng góp mới của đề tài luận án

- Luận án đã phân lập, lựa chọn được 3 chủng vi sinh vật từ nguồn nước thải và bùn

thải của cơ sở sản xuất tinh bột sắn gồm Streptomyces fradiae SHX.12, Bacillus

velezensis SHV.22, Nitrosomonas europea SHV.OA7 có khả năng chuyển hóa các

hợp chất ô nhiễm và thích nghi với môi trường nước thải chế biến tinh bột sắn Các chủng vi sinh vật được nghiên cứu là các chủng đa hoạt sinh học Chủng

Streptomyces fradiae SHX.12 vừa có khả năng chuyển hóa tinh bột vừa có khả năng

chuyển hóa xenlulo Chủng Bacillus velezensis SHV.22 vừa có khả năng khoáng

hóa Phosphat hữu cơ vừa có khả năng đồng hóa và dự trữ PO43- trong tế bào

- Luận án nghiên cứu có tính hệ thống về chế phẩm vi sinh vật bao gồm các khâu phân lập, tuyển chọn vi sinh vật, nghiên cứu tối ưu hóa điều kiện nhân sinh khối, xây dựng quy trình công nghệ và tạo chế phẩm MIC-CAS 02 từ ba chủng vi sinh

vật trên để ứng dụng trong xử lý nước thải chế biến tinh bột sắn

- Đề tài luận án đã thử nghiệm thành công chế phẩm MIC-CAS 02 góp phần xử lý

triệt để nước thải của nhà máy chế biến tinh bột sắn Elmaco Ninh Bình, chất lượng nước thải sau xử lý đạt giá trị loại A theo QCVN 40: 2011/BTNMT

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1.Tinh bột sắn và nước thải chế biến tinh bột sắn

1.1.1.Tinh bột sắn và qui trình chế biến

Sắn (Manihot esculenta Crantz) một loại cây lương thực quan trọng ở một số

quốc gia, hiện được trồng tại hơn 100 nước trên thế giới, trong đó tập trung nhiều ở các quốc gia có khí hậu nhiệt đới và cận nhiệt đới châu Phi, châu Á và Nam Mỹ (hình 1.1)

Hình 1.1 Các nước sản xuất sắn trên thế giới năm 2014

Nguồn: FAO, 2015

Năm 2014, Nigeria là nước sản xuất sắn lớn nhất thế giới (54,83 triệu tấn), thứ hai là Thái Lan (30,02 triệu tấn), thứ ba là Indonesia (23,45 triệu tấn) và Brazil đứng thứ tư (23,24 triệu tấn)

Sản lượng sắn toàn thế giới trong nhiều năm trở lại đây duy trì tương đối ổn định ở mức sản lượng 230 triệu tấn sắn/năm Châu Á, đóng góp hơn một nửa sản lượng sắn toàn cầu với sản lượng sắn hàng năm tăng 5 % cao hơn so với châu Phi (3,5 %), trong đó năng suất tăng hàng năm đạt 3,1 % và diện tích trồng hàng năm tăng 1,8 % (CIAT, 2014) Nước có năng suất sắn cao nhất thế giới năm 2014 là Ấn

Độ đạt 35,66 tấn/ha (hình 1.1) Theo FAO (2015) từ năm 2001 sản lượng sắn toàn cầu đã tăng lên hàng năm ở mức 3,4 % và đạt 270,3 triệu tấn trong năm 2014 (hình 1.2)

Nguồn:FAO,2015

Hình 1.2 Sản lượng sắn trên thế giới từ 2001-2014

Sắn là một thành phần quan trọng trong bữa ăn của hơn một tỷ người thuộc các nước nghèo trên thế giới Tổ chức Nông lương Liên hợp quốc (FAO) xếp sắn là cây lương thực quan trọng ở các nước đang phát triển sau lúa gạo, ngô và lúa mì Tại châu Phi, sắn chiếm tỷ trọng cao trong cơ cấu lương thực với mức tiêu thụ bình quân khoảng 96 kg/người/năm

Tinh bột sắn là sản phẩm chế biến từ củ sắn được sử dụng trực tiếp làm lương thực, đồng thời là nguồn nguyên liệu quan trọng trong sản xuất công nghiệp

và đặc biệt là công nghiệp nhiên liệu sinh học, do vậy cây sắn không chỉ quan trọng đối với các hộ gia đình nông dân, mà còn đối với các nền kinh tế của nhiều quốc gia đang phát triển Ngành công nghiệp chế biến tinh bột sắn ở Đông Nam Á hiện tại đang tạo ra hàng tỷ đô la mỗi năm nhờ xuất khẩu, trong đó Thái Lan hiện đang là nước đứng đầu thế giới về xuất khẩu tinh bột sắn với số lượng đạt 3,9 triệu tấn tinh bột sắn trong năm 2014 (Boonmee Wattanaruangrong, 2015)

Tại Thái Lan, tinh bột sắn được chế biến theo cả công nghệ truyền thống và hiện đại, trong đó công nghệ truyền thống được sử dụng trong các nhà máy sản xuất quy mô nhỏ, có thể tách tinh bột từ củ sắn tươi bằng cách nghiền và ngâm sắn dưới nước, sản phẩm tạo ra thường kém chất lượng Công nghệ chế biến hiện đại được áp dụng trong các nhà máy có quy mô lớn và trung bình với nhiều các công đoạn chiết suất kết hợp với xử lý bột bằng SO2 cho tỉ lệ thu hồi tinh bột cao, lượng tinh bột thất

thoát theo bã được hạn chế tới mức thấp nhất Hiện tại ở Thái Lan các nhà máy chế biến tinh bột sắn với công nghệ hiện đại đang dần dần thay thế những nhà máy quy

mô nhỏ (TTSA, 2015)

Indonesia là nước sản xuất tinh bột sắn lớn thứ ba trên thế giới Công nghiệp chế biến tinh bột sắn ở Indonesia được bắt đầu từ những năm 1980 Tinh bột sắn ở quốc gia này được sử dụng làm nguyên liệu cho công nghiệp dệt may, công nghiệp giấy và một số ngành khác (Rety Setyawaty và cs, 2011)

Ở Ấn Độ, sản xuất tinh bột sắn tập trung chủ yếu ở bang Kerala và Tamil Nadu, cung cấp hơn 80% nhu cầu cả nước Mặc dù Ấn Độ là một trong 10 quốc gia sản xuất sắn lớn nhất thế giới, mỗi năm sản xuất khoảng 9 triệu tấn sắn, song với dân số đông, nhu cầu tiêu dùng lớn, nên nước này hàng năm vẫn phải nhập khẩu tinh bột sắn và các sản phẩm khác từ sắn (Srinivas Tavva và cs, 2015)

Trung Quốc, nước sản xuất ethanol lớn thứ ba trên thế giới, sau Mỹ và Brazil Vì không phải là quốc gia trồng nhiều sắn, để đáp ứng nhu cầu sử dụng tinh bột sắn ngày càng cao, trong năm 2014 Trung Quốc phải nhập khẩu 9,4 triệu tấn sắn lát và 1,9 triệu tấn tinh bột sắn (Jin Shu-ren, 2015) Công nghệ chế biến tinh bột sắn của Trung Quốc được đánh giá đạt trình độ phát triển cao với đặc điểm tẩy trắng không dùng SO2, hoặc chỉ sử dụng với số lượng không đáng kể

Năm 2014, Việt Nam đứng thứ bảy về sản lượng sắn trên thế giới (đạt 10,21 triệu tấn), năng suất đạt 18,5 tấn/ha (hình 1.1), nhưng là nước xuất khẩu tinh bột sắn đứng thứ hai trên thế giới sau Thái Lan Sản xuất sắn là nguồn thu nhập quan trọng của các hộ dân nghèo do sắn dễ trồng, ít kén đất, ít vốn đầu tư, phù hợp sinh thái và điều kiện kinh tế nông hộ

Đến nay, cả nước đã hình thành các vùng nguyên liệu sắn tập trung, trồng ở khắp các vùng từ miền núi phía Bắc tới miền Trung, Tây Nguyên và miền Đông Nam bộ với tổng diện tích đạt trên 500 ngàn ha (bảng 1.1) Thời gian gần đây, một

số doanh nghiệp đã đầu tư sang cả Lào để mở rộng vùng nguyên liệu phục vụ cho công nghiệp chế biến tinh bột

Năm 2014, địa phương có sản lượng sắn cao nhất nước là Tây Ninh đạt 1.603,4 nghìn tấn, thứ hai là Gia Lai đạt 1.114,2 nghìn tấn, thứ ba là Đăk Lắk với sản lượng sắn đạt 642,2 nghìn tấn và Kon Tum đứng thứ tư về sản lượng sắn đạt 566,2 nghìn tấn (bảng 1.1) Tây Ninh cũng có số lượng cơ sở chế biến sắn và tinh bột sắn cao nhất nước, kim ngạch xuất khẩu chiếm khoảng 40% tổng kim ngạch xuất khẩu cả nước Bên cạnh đó, Tây Ninh luôn đi đầu về công nghệ, về thiết bị sản xuất tinh bột sắn

Năng suất sắn của Việt Nam hiện nay đứng trong nhóm 10 quốc gia năng suất cao trên thế giới Số liệu trong bảng 1.1 cho thấy năm 2014 vùng thâm canh tốt như

ở Tây Ninh đã cho năng suất 31,8 tấn/ha, nhưng năng suất bình quân cả nước mới chỉ đạt 18,5 tấn/ha, thấp hơn so với một số nước trong khu vực (Ấn Độ đạt trên 35

tấn/ha, Thái Lan trên 22 tấn/ha)

Bảng 1.1 Sản xuất sắn ở một số địa phương của Việt Nam năm 2014

(1000 ha)

Năng suất (tấn/ha)

Sản lượng (1000 tấn)

từ sắn đạt 3,1 triệu tấn với kim ngạch 1,1 tỷ đô la Mỹ (Trung tâm Thông tin Phát

triển Nông nghiệp Nông thôn, 2014)

Theo Trung tâm Sản xuất sạch Việt Nam (2010), hiện tại trong cả nước tồn tại ba quy mô sản xuất tinh bột sắn điển hình gồm qui mô nhỏ (hộ và liên hộ), qui

mô vừa và qui mô lớn Quy mô nhỏ (công suất 0,5-10 tấn tinh bột sản phẩm/ngày), chủ yếu công nghệ thủ công, thiết bị tự tạo hoặc do các cơ sở cơ khí địa phương chế tạo Hiệu suất thu hồi và chất lượng tinh bột sắn không cao Qui mô vừa (công suất dưới 50 tấn tinh bột sản phẩm/ngày), đa phần sử dụng thiết bị chế tạo trong nước

nhưng có khả năng hoạt động ổn định và chất lượng sản phẩm không thua kém các

cơ sở nhập thiết bị của nước ngoài Qui mô lớn (công suất trên 50 tấn tinh bột sản phẩm/ngày), với công nghệ, thiết bị nhập từ Châu Âu, Trung Quốc, Thái Lan Công nghệ tiên tiến, hiệu suất thu hồi sản phẩm và chất lượng sản phẩm cao hơn, lượng nước sử dụng ít nước

Trước năm 1990, qui mô sản xuất tinh bột sắn ở Việt Nam phần lớn là các hộ gia đình nhỏ, ngoài một số đơn vị của nhà nước có quy mô lớn hơn (Đặng Thanh

Hà và cs, 1996; Đào Huy Chiên, 1997), chủ yếu sản xuất tinh bột khô và ướt phục

vụ cho làm bánh mì, bánh ngọt, rượu và sản xuất bánh kẹo Sau năm 1990, cùng với sự khởi động của thị trường trong nước, một số nhà máy chế biến tinh bột sắn quy mô lớn hiện đại đã được xây dựng tại phía Nam và phần lớn được liên doanh với công ty đa quốc gia của Nhật Bản, Hàn Quốc và Đài Loan như Vedan, Ajinomoto…(Henry và cs, 1995)

Theo Nguyễn Văn Lạng (2015) chủ tịch hiệp hội sắn Việt Nam, hiện nay cả nước có khoảng 100 nhà máy chế biến tinh bột sắn có quy mô công nghiệp So với

5 năm trước đã tăng gấp đôi về số lượng nhà máy và gấp 3 về công suất Mỗi năm, các nhà máy này sản xuất được 1,8 đến 2 triệu tấn tinh bột sắn Bên cạnh các nhà máy sản xuất tinh bột sắn, ở Việt Nam đang có 7 nhà máy sản xuất ethanol từ nguyên liệu sắn được xây dựng với tổng công suất thiết kế 502.000 tấn ethanol/năm

Từ vai trò là cây lương thực, cây sắn đã và đang chuyển đổi nhanh chóng thành cây công nghiệp, cây nguyên liệu cho sản xuất nhiên liệu sinh học Theo Trung tâm Sản xuất sạch Việt Nam (2010), các cơ sở sản xuất tinh bột sắn ở Việt Nam áp dụng các

kỹ thuật, công nghệ chủ yếu sau:

- Chế biến tinh bột sắn theo phương pháp thủ công: Tất cả các khâu trong

quá trình chế biến sắn từ rửa, gọt vỏ, nạo, mài, lọc và rửa bột đều được tiến hành thủ công Phương pháp thủ công áp dụng ở qui mô hộ gia đình, cho năng suất thấp

và chất lượng kém Kỹ thuật sản xuất đơn giản và gián đoạn

- Chế biến tinh bột sắn theo phương pháp bán cơ giới: Ngoại trừ khâu rửa,

gọt vỏ và tách tinh bột tiến hành thủ công Quá trình nạo/mài được tiến hành bằng

máy mài Bột nhão thu được qua sàng hệ thống gồm lọc thô, lọc mịn và lọc tinh Quá trình lắng được tiến hành trong bể lắng hoặc bàn lắng (lắng trọng lực) Phương pháp bán cơ giới áp dụng ở qui mô sản xuất nhỏ, chất lượng sản phẩm, hiệu suất thu hồi tinh bột thấp, lao động vất vả và khó đảm bảo vệ sinh công nghiệp

- Chế biến tinh bột sắn theo phương pháp hiện đại: Quá trình sản xuất được

tự động hóa hoàn toàn, từ khi tiếp nhận củ đến khi sấy, hoàn thiện sản phẩm phải được tiến hành trong thời gian ngắn nhất có thể được, để giảm thiểu quá trình oxy hoá, biến đổi hàm lượng tinh bột sau thu hoạch và trong chế biến Trong quá trình sản xuất tinh bột sắn sử dụng phương pháp trích ly Đây là phương pháp sử dụng thiết bị ly tâm để thực hiện quá trình tách, phương pháp này cho chất lượng sản phẩm cao, năng suất lớn, đảm bảo vệ sinh công nghiệp

Trước đây ở Việt Nam, chế biến tinh bột sắn thủ công và bán thủ công được

áp dụng ở hộ gia đình, cơ sở làng nghề với qui mô nhỏ chỉ vài tạ sắn/ngày Trong vòng 15 năm qua, các hoạt động chế biến tinh bột tại các làng nghề đã được cơ giới hóa từ dây chuyền rửa củ, nghiền, tách bã, lọc… Năng suất tăng lên và quy mô lớn hơn do áp dụng cơ khí hóa (CIAT, 2011) Chế biến tinh bột sắn theo phương pháp hiện đạị chủ yếu bằng công nghệ nhập từ nước ngoài Các nhà máy hiện nay chủ yếu được đầu tư từ 10-15 năm trước, công nghệ và thiết bị chủ yếu của Trung Quốc,

Thái lan

1.1.2 Nước thải chế biến tinh bột sắn

Trong sản xuất tinh bột sắn phải sử dụng một lượng nước lớn từ rửa nguyên liệu đến quá trình kết lắng và làm sạch tinh bột Lượng nước phục vụ cho sản xuất

củ tươi ở qui mô nông hộ và 3-5 m3/tấn củ tươi tại các nhà máy qui mô lớn (Huỳnh Ngọc Phương Mai, 2006) Trong tổng lượng nước thải chế biến tinh bột sắn khoảng 10% phát sinh từ nước rửa củ và 90% từ công đoạn ly tâm, lọc, khử…chiếm khoảng 80-90% lượng nước tiêu thụ Thành phần các loại nước thải cụ thể như sau:

- Nước thải trong quá trình rửa củ, cắt vỏ có chứa bùn, đất, cát, mảnh vỏ, HCN tạo

ra do phân hủy phazeolutanin trong vỏ thịt nhờ xúc tác của men xyanoaza… Nước

sử dụng trong công đoạn rửa củ trước khi lột vỏ để loại bỏ các chất bẩn bám trên bề mặt củ, không làm ảnh hưởng màu của tinh bột

- Nước thải trong quá trình nghiền củ, lọc thô có nhiều tinh bột, protein và khoáng chất tách ra trong quá trình nghiền thô

- Nước thải trong quá trình tách dịch có nồng độ chất hữu cơ (BOD), chất rắn lơ lửng (SS) cao Ngoài ra trong nước thải này còn chứa các dịch bào có tanin, men và nhiều chất vi lượng có mặt trong củ sắn

Lưu lượng nước thải lớn có pH thấp, nồng độ chất hữu cơ, vô cơ cao, đặc biệt là các hợp chất chứa N, P cùng với các chất chứa xyanua (CN-) có nguồn gốc

từ vỏ sắn và lõi củ sắn là nguồn gây ô nhiễm chính đối với môi trường, ảnh hưởng xấu đến sức khỏe cộng đồng (Trung tâm Sản xuất sạch Việt Nam, 2010) Thành phần chính của nước thải chế biến tinh bột sắn trong từng công đoạn của quá trình sản xuất được tổng hợp trong bảng 1.3 về mặt cảm quan nước thải sản xuất tinh bột sắn có màu trắng, mùi chua và độ đục cao

Bảng 1.3 Thành phần tính chất nước thải từ sản xuất tinh bột sắn

Công đoạn

Cặn lơ lửng (mg/l)

(mg/l)

COD (mg/l)

Độ kiềm (mg/l)

(Dương Đức Tiến, Trần Hiếu Nhuệ, Nguyễn Kim Thái, 1991)

Thành phần nước thải phụ thuộc vào quy mô sản xuất, trình độ công nghệ và

hệ thống thiết bị xử lý nước thải, qui trình vận hành và quan trắc môi trường Số liệu quan trắc của Trung tâm Sản xuất sạch Việt Nam (2010), đối với nước thải từ sản xuất tinh bột sắn chưa xử lý (bảng 1.4) cho thấy mức ô nhiễm rất cao, cần được

xử lý nhằm đáp ứng tiêu chuẩn của môi trường về nước thải theo qui chuẩn Việt Nam

Bảng 1.4 Chất lượng nước thải từ sản xuất tinh bột sắn (chưa xử lý)

(Nguồn: Trung tâm Sản xuất sạch Việt Nam, 2010)

Ngoài thành phần chất hữu cơ BOD, COD trong nước thải chế biến tinh bột sắn còn chứa các hợp chất chứa Nitơ, Phospho Theo báo cáo của Viện Nghiên cứu Thiết kế Chế tạo máy Nông nghiệp (2005), hàm lượng các hợp chất chứa Nitơ và Phospho cao hơn rất nhiều so với tiêu chuẩn cho phép (bảng 1.5)

Bảng 1.5 Thành phần nước thải nhà máy chế biến tinh bột sắn

1.1.3 Ô nhiễm môi trường do nước thải chế biến tinh bột sắn

Mặc dù tinh bột sắn có kim ngạch xuất khẩu lớn, đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển nền kinh tế, xã hội cho đất nước, nhưng tác động tiêu cực của ngành sản xuất tinh bột sắn đến môi trường cũng rất lớn Chất lượng nước thải của ngành chế biến tinh bột sắn nếu không được xử lý sẽ gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng môi trường Theo FAO (2001) và Trung tâm Sản xuất sạch Việt Nam (2010) các chất ô nhiễm trong nước thải chế biến tinh bột sắn bao gồm:

loài vi sinh vật có trong tự nhiên trong nước bị kìm hãm phát triển Ngoài ra, khi nước thải có tính axít sẽ có tính ăn mòn, làm mất cân bằng trao đổi chất tế bào, ức chế sự phát triển bình thường của quá trình sống

 BOD liên quan tới xác định mức độ ô nhiễm của thành phần có khả năng phân hủy sinh học trong nước thải, COD cho phép xác định mức độ ô nhiễm chất hữu cơ, vô cơ có trong nước thải công nghiệp Hàm lượng chất hữu cơ (BOD, COD) cao sẽ làm giảm nồng độ oxi hòa tan trong nước, làm ảnh hưởng đến đời sống thủy sinh, đặc biệt là hệ vi sinh vật của nguồn tiếp nhận Nồng độ oxy hòa tan dưới 50% còn có khả năng gây ảnh hưởng đến sự phát triển của tôm, cá Khi xảy ra hiện tượng phân hủy yếm khí với hàm lượng BOD quá cao sẽ gây thối nguồn nước

và giết chết hệ thủy sinh, gây ô nhiễm không khí xung quanh và phát tán trên phạm

vi rộng theo chiều gió

 Chất rắn lơ lửng (SS) cũng là tác nhân gây ảnh hưởng tiêu cực tới tài nguyên thủy sinh đồng thời gây mất cảm quan, bồi lắng lòng hồ, sông, suối Ô nhiễm xảy

ra khi nước thải chế biến sắn thấm vào lòng đất hoặc chảy vào sông, suối Okafor và

cs (1998) đã khẳng định các hạt chất rắn lơ lửng rất quan trọng, chúng là nơi để các chất ô nhiễm và tác nhân gây bệnh bám trên bề mặt Các hạt rắn lở lửng nhỏ hơn thì mức độ gây ô nhiễm lớn hơn

nên hiện tượng phú dưỡng hóa nguồn nước, sự phát triển khó kiểm soát của rong và tảo Khiến môi trường sống của nguồn tiếp nhận bị thay đổi và xấu đi

 Xyanua (HCN) tồn tại trong nước thải sản xuất tinh bột sắn, phản ứng với sắt tạo thành sắt xyanua có màu xám Nếu không được tách nhanh, HCN sẽ ảnh hưởng tới màu của tinh bột và màu của nước thải Ở trong nước xyanua tồn tại ở dạng

này ức chế khả năng cấp oxy cho hồng cầu, gây ngộ độc cho người và động vật thuỷ sinh Nhiều quốc gia đã đưa ra một giới hạn cho phép nồng độ xyanua khoảng 0,2 mg/l được phép xả thải vào lưu vực nước tự nhiên (Y.B Patil và cs, 2000)

Ehiagbonare và cs (2009) đã nghiên cứu tác động của nước thải tinh bột sắn đối với môi trường và cho thấy chúng có tác động tiêu cực đến cây trồng, không khí, động vật nuôi, đất và nước Ô nhiễm là vì xử lý nước thải chế biến tinh bột sắn được thực hiện không đúng và nước thải được tích lũy qua thời gian

Ở Việt Nam, các cơ sở chế biến tinh bột sắn qui mô nhỏ chủ yếu tập trung thành làng nghề với trang thiết bị lạc hậu, hầu như không có hệ thống xử lý nước thải riêng và đúng kỹ thuật Các cơ sở sản xuất với qui mô lớn tuy đa số có trang

bị hệ thống xử lý nước thải nhưng mới chỉ có rất ít hệ thống hoàn chỉnh có khả năng xử lý triệt để nước thải trước khi thải ra môi trường Nhiều cơ sở chỉ xử lý mang tính chất đối phó với cơ quan quản lý nhà nước về môi trường

Bằng chứng là nhà máy chế biến tinh bột sắn Yên Bình, tỉnh Yên Bái có công suất 160 tấn sản phẩm/ngày, hàng ngày nhà máy thải ra khoảng 380 tấn bã sắn

và khoảng 3600 m3

nước thải Chất lượng nước thải của nhà máy đều vượt tiêu

chuẩn Việt Nam cho phép nhiều lần đối với hầu hết các chỉ tiêu ô nhiễm Sở Tài nguyên Môi trường Yên Bái và các cơ quan chức năng đã nhiều lần kiểm tra, phát hiện việc xử lý nước thải của nhà máy này vẫn chưa đạt yêu cầu Chính vì vậy ngoài mùi hôi thối khó chịu cho cả vùng, nước thải của nhà máy từ suối nhỏ Tầm Vông, Làng Ngần đổ ra suối Hang Luồn làm con suối bị ô nhiễm nặng Suối Hang Luồn là nơi đắp đập thủy lợi Hang Luồn, cung cấp nước tưới tiêu cho 26 ha các thôn Ba Luồn, Đồng Hen của Vũ Linh và 60 ha ruộng của xã Vĩnh Kiên Vì vậy trong vụ

ruộng củathôn Tầm Vông, 11.288 m2

củathôn Làng Ngần không thể cấy được Số diện tích lúa còn lại bị ảnh hưởng đến sự sinh trưởng,

phát triển (Cổng thông tin điện tử Bộ TNMT ngày 15/4/2005) Nhà máy chế biến tinh bột sắn Yên Bình, tỉnh Yên Bái là một trong nhiều đơn vị doanh nghiệp phải hoàn thiện việc nâng cấp, cải tạo hệ thống xử lý nước thải, giảm công suất sản xuất, đồng thời có các giải pháp khác để giảm thiểu ô nhiễm môi trường tuân theo Quyết định số 1788/QĐ-TTg ngày 01 tháng 10 năm 2013 của Thủ tướng Chính phủ về xử

lý triệt để các cơ sở gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng đến năm 2020 (Quyết định TTCP, 2013)

Tại Thừa Thiên Huế, nước thải gây ô nhiễm môi trường của nhà máy tinh bột sắn Phong Điền đã khiến nhiều người dân xã Phong An, huyện Phong Điền thiệt hại

về sản xuất nông nghiệp (Cổng thông tin điện tử báo tin tức ngày 8/11/2013) Vụ đông xuân năm 2013, nước thải của nhà máy đã khiến người dân thôn Thượng An,

xã Phong An thiệt hại 11,8 ha lúa với mức độ từ 30-70 %, có nơi là 100 %

Mới gần đây trong năm 2015 theo thông tin ngày 26/8 trên Báo tin tức, Cảnh sát phòng, chống tội phạm về môi trường, công an tỉnh Tây Ninh đã lập biên bản, bắt quả tang nhà máy sản xuất tinh bột sắn có công suất khoảng 300 tấn củ sắn tươi/ngày, thuộc Công ty Hữu Đức, địa chỉ ấp Tân Kiên, xã Tân Hà, huyện Tân Châu, tỉnh Tây Ninh xả nước thải trực tiếp ra suối Nước Đục, chảy ra sông Vàm Cỏ Đông Nước có màu đen sẫm, mùi hôi thối nồng nặc làm cho nguồn nước bị ô nhiễm nghiêm trọng

Sản xuất tinh bột sắn là một ngành sản xuất có nhu cầu nước lớn, nước thải

có độ ô nhiễm cao đến rất cao Theo Nguyễn Thị Sơn và cs (2006), chỉ với sản lượng khoảng 500 ngàn tấn tinh bột, hàng năm các cơ sở sản xuất tinh bột trên phạm vi cả nước thải vào môi trường khoảng 3 triệu m3 nước thải với tải lượng COD khoảng 30.000 tấn, trong đó BOD5 khoảng 18.000 tấn Nước thải có độ ô nhiễm cao trong sản xuất tinh bột không được xử lý đã góp phần gây ô nhiễm môi trường

1.2 Xử lý nước thải chế biến tinh bột sắn

Các nghiên cứu về xử lý nước thải chế biến tinh bột sắn trên thế giới không nhiều, đa số là các nghiên cứu xử lý nước thải cho các ngành khác

Tại Brazil, công nghệ xử lý nước thải chế biến tinh bột sắn chủ yếu sử dụng

hệ thống các hồ sinh học bao gồm hồ kị khí, hồ tùy nghi và hồ hiếu khí Tuy nhiên, hiệu quả xử lý nước thải tại các nhà máy áp dụng công nghệ này không cao Lucilene Beatriz Pissinatto và cs (2004) đã tiến hành thử nghiệm bổ sung các chủng

vi sinh vật có hoạt tính cao vào các hệ thống hồ xử lý tùy nghi và hiếu khí, mục đích nâng cao số lượng vi sinh vật xử lý nhằm nâng cao hiệu quả xử lý nước thải Thí nghiệm được tiến hành tại hệ thống xử lý nước thải của nhà máy chế biến tinh bột sắn trong khu công nghiệp Amidos Yamakawa Mỗi ngày, nhà máy này chế biến 400.000 tấn củ, thải ra hơn 2000 m3 nước thải Tổ hợp các chủng vi sinh vật được hoạt hóa, nhân giống trong môi trường có chứa rỉ mật Dịch nuôi cấy vi sinh vật sau

đó được bổ sung vào bể xử lý với tỉ lệ 1:52500 (40 lít/ngày) Kết quả xử lý cho thấy hàm lượng BOD và COD giảm hơn 85% so với lúc chưa bổ sung vi sinh vật, chỉ số BOD trong nước sau xử lý thấp hơn 40 mg/l, đạt yêu cầu xả thải

Công nghệ xử lý nước thải chế biến sắn áp dụng theo công nghệ của Ấn Độ, các chất hữu cơ trong nước thải sẽ được phân hủy yếm khí ở các bể phản ứng sinh học (UASB, EGSB, CSTR…) để thu hồi khí sinh học sau đó được phân hủy tiếp ở các hệ thống hồ sinh thái (hiếu khí, tùy nghi hay bay hơi…) Nước sau xử lý có thể tái sử dụng hay dùng để tưới cây Với phương pháp này cần một diện tích mặt hồ lớn và khu xử lý gần nơi canh tác Ví dụ nhà máy cồn sắn Rạjburi có tổng diện tích mặt hồ lên tới 94.256 m2, thời gian lưu thủy lực tại các hồ này là 175 ngày, nhưng

bù lại chi phí xử lý nước thải sẽ rất thấp (CDM-PDD, 2012)

Nhóm tác giả Nitinard Chaleomrum và cs (2014) thuộc trường đại học Mahasarakham của Thái Lan cũng đã nghiên cứu xử lý nước thải chế biến tinh bột sắn nhằm sản xuất polyhydroxyalkanoate (PHA) với sự hiển diện của vi khuẩn

Bacillus tequilensis MSU 112 trong hệ thống xử lý SBR (Sequencing Batch

Reactor) cho thấy nồng độ COD trong nước thải tinh bột sắn là 4.000 mg/l thì hàm lượng PHA sản sinh cao nhất Năng suất PHA, và hiệu quả loại bỏ N, P ra khỏi nước thải tương ứng 3.346 mg/lít, 20,6% và 27,7%, trong khi nồng độ COD là 5.000 mg/lít thì hiệu quả loại bỏ COD cao nhất đạt 94,8% Kết quả tiết lộ hệ thống

SBR xử lý nước thải chế biến tinh bột sắn với sự hiện diện của B.tequilensis MSU

112 là cách tiếp cận đầy hứa hẹn cho việc sản xuất PHA giúp ích trong việc tái tạo nhựa sinh học ứng dụng trong cuộc sống

Ở Việt Nam, xử lý nước thải chế biến tinh bột sắn bằng ao, hồ sinh học và cánh đồng trồng cây thủy sinh là phương pháp đơn giản nhất đã và đang được ứng dụng Đã có một số công trình nghiên cứu trong nước nghiên cứu giải quyết vấn đề

ô nhiễm trong quá trình chế biến tinh bột sắn và xử lý nước thải chế biến tinh bột sắn Kết quả nghiên cứu của Lê Thị Kim Cúc (2006) về mô hình tái sử dụng nước thải vùng chế biến tinh bột tại Tân Hóa, Quốc Oai, Hà Nội để phục vụ sản xuất nông nghiệp, kết quả rất phù hợp với điều kiện sản xuất chế biến, điều kiện kinh tế

và trình độ quản lý của địa phương Trong thí nghiệm theo dõi các chỉ tiêu sinh trưởng của cây lúa như: Chiều cao cây, số nhánh và số bông trên 1 khóm, cho thấy năng suất ở các ô ruộng tưới bằng nước thải đã qua xử lý đều có xu hướng cao hơn

so với đối chứng (tưới bằng nước thường), năng suất cao nhất ở các ô tưới 100% nước thải đã xử lý, đạt 9,2 tấn/ha

Với đặc trung nước thải chế biến tinh bột sắn chứa hàm lượng hữu cơ cao đến rất cao, nên hướng xử lý là áp dụng các phương pháp xử lý sinh học

1.2.1 Phương pháp xử lý sinh học trong điều kiện tự nhiên

Phương pháp sinh học xử lý nước thải trong điều kiện tự nhiên có từ rất sớm,

và đã được sử dụng rộng rãi trên thế giới ở các nước như Đức, Pháp, Bỉ, Hà Lan… với kết quả đã được ghi nhận Hiện nay phương pháp này vẫn được áp dụng và rất phù hợp cho các nước đang phát triển, vì không yêu cầu kỹ thuật cao, vốn đầu tư ít, chi phí vận hành thấp, có thể triển khai trên phạm vi rộng lớn, phân tán Theo Miloš Rozkošný và cs (2014) phương pháp này sử dụng các ao hồ sinh học (kỵ khí, tùy nghi, hiếu khí), quy trình chảy tràn, thẩm thấu qua đất (các cánh đồng tưới, bãi lọc trồng cây)

Hồ kỵ khí (độ sâu trên 2 m), các chất hữu cơ được phân hủy chủ yếu nhờ vi khuẩn kỵ khí và sinh metan Loại hồ này có thể dùng để xử lý nước thải có nồng độ các chất hữu cơ cao Hồ hiếu khí (độ sâu 1-1,5 m), oxy từ không khí khuếch tán tự nhiên vào nước qua bề mặt hoặc kết hợp với làm thoáng, sục khí nhân tạo, ánh sáng

mặt trời cũng xuyên qua lớp nước giúp cho tảo phát triển và thải oxy vào nước tạo điều kiện cho các vi sinh vật hiếu khí hoạt động Hồ tùy nghi (độ sâu 1,5-2m) thường xảy ra cả quá trình phân hủy hiếu khí và kỵ khí Loại hồ này được sử dụng nhiều hơn hai loại hồ kỵ khí và hiếu khí

Sử dụng phương pháp cánh đồng tưới, nước thải được tưới lên đất canh tác Một phần được cây sử dụng, phần còn lại sẽ chảy vào hệ thống tiêu nước hoặc ngấm vào mạch nước ngầm Phương pháp này xử lý thường không được triệt để và vẫn còn nguy cơ ô nhiễm tiềm ẩn Phương pháp bãi lọc trồng cây thông qua các quá trình lý, hóa và sinh học tự nhiên của hệ đất-nước-sinh vật, các chất thải lơ lửng trong nước được thấm và giữ lại trong đất, sau đó được các vi sinh vật phân hủy và chuyển thành chất dinh dưỡng cung cấp cho cây trồng Xử lý nước bằng bãi lọc này

có thể đạt được ba mục đích là xử lý nước ô nhiễm, tái sử dụng các chất dinh dưỡng

có trong nước sau khi xử lý dùng để tưới cho cây trồng trong sản xuất nông nghiệp,

bổ sung nước sạch cho các túi nước ngầm

1.2.2 Phương pháp xử lý sinh học trong điều kiện nhân tạo

1.2.2.1 Phương pháp xử lý hiếu khí

Phương pháp xử lý hiếu khí là các quá trình công nghệ trong đó xác lập ra điều kiện hiếu khí để hệ vi sinh vật hiếu khí oxy hoá các hợp chất hữu cơ ô nhiễm, bằng cách cấp khí vào bể xử lý (Pipeline, 1996) Một số giống vi sinh vật ứng dụng

nhiều trong các công trình xử lý hiếu khí là: Bacillus, Pseudomonas, Micrococcus,

Streptomyces, Aspergillus…Trong điều kiện môi trường có oxy, các vi sinh vật sử

dụng oxy làm chất nhận H+

và electron, có thể oxy hoá hoàn toàn các cơ chất dinh dưỡng đến sản phẩm cuối cùng là CO2 và H2O (Pipeline, 1996) Do vậy, ưu thế nổi bật của quá trình phân huỷ hiếu khí là chất lượng xử lý triệt để (năng lực xử lý loại

bỏ hợp chất hữu cơ có thể đạt tới 95%) Tuy nhiên, việc cung cấp đủ oxy cho các vi sinh vật hiếu khí trong các công trình hiếu khí nhân tạo là vấn đề công nghệ then chốt và có ảnh hưởng rất lớn đến giá thành xử lý Một số công trình xử lý hiếu khí nhân tạo điển hình là:

Bể Aeroten

Aeroten là hệ thống xử lý nhân tạo xác lập ra điều kiện hiếu khí cho hệ vi sinh vật hiếu khí sinh trưởng và phát triển, để chúng oxy hóa các hợp chất hữu cơ,

vô cơ trong nước thải Ở hệ thống này, vi sinh vật phát triển và hình thành các bông bùn ở trạng thái lơ lửng trong bể sinh học (thường được gọi là bùn hoạt tính) Hệ vi sinh vật trong hệ thống này là tập hợp của nhiều loài vi sinh vật khác nhau, trong đó

một số giống vi khuẩn thường gặp là Pseudomonas, Bacillus, Achromobacter,

Flavobacterium, Mycobacterium, Nitrosomonas, Nitrobacter, Sphaerotilus, Beggiatoa, Thiothrix, Lecicothrix… ngoài ra còn có nấm, động vật nguyên sinh (Lê

Xuân Phương, 2008) Phụ thuộc vào mục tiêu công nghệ cụ thể, hệ thống xử lý aeroten được thiết kế và xây dựng dưới nhiều dạng khác nhau như: hiếu khí tích cực, hiếu khí giảm dần hay hiếu khí nhiều ngăn, hiếu khí nhiều bậc

Hiệu quả hoạt động của các hệ thống xử lý hiếu khí phụ thuộc vào hàng loạt thông số công nghệ khác nhau như: nồng độ oxy hòa tan trong môi trường (thường yêu cầu duy trì liên tục hàm lượng oxy hòa tan trong nước ở ngưỡng không dưới 4 mg/l), năng lực phân hủy của hệ vi sinh vật hiếu khí (qua hàm lượng bùn hoạt tính

và tuổi của bùn), thành phần và tỉ lệ cân đối giữa các cấu tử dinh dưỡng cho vi sinh vật (qua chỉ số BOD, BOD/COD, tỷ lệ C:N:P phù hợp ), nhiệt độ và pH môi trường, thời gian lưu thủy lực của nước thải trong hệ thống

Hạn chế lớn nhất cũng như yêu cầu đáp ứng công nghệ phức tạp của các hệ thống xử lý hiếu khí tập trung vào giải pháp công nghệ và năng lượng tiêu tốn lớn trong khuấy và sục khí vào môi trường, để cung cấp đủ và liên tục oxy hòa tan cho

hệ vi sinh vật hiếu khí hoạt động Nhưng giải pháp xử lý hiếu khí lại có ưu điểm rất lớn là có thể xử lý triệt để các chất hữu cơ trong nước tới sản phẩm cuối cùng là

CO2 và H2O Giải pháp aeroten trong xử lý nước thải được lựa chọn áp dụng hết sức phổ biến ở nhiều nước trên thế giới, dưới dạng giải pháp xử lý độc lập hay phối hợp với giải pháp xử lý vi hiếu khí và kỵ khí khác trong các hệ thống xử lý phối hợp

Lọc sinh học (Biofilter)

Nguyên tắc hoạt động của hệ thống lọc sinh học là khai thác năng lực trao đổi chất của các loài vi sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn, sinh trưởng bám dính (gắn

kết) hình thành lớp màng sinh học trên bề mặt vật liệu lọc Trong môi trường hiếu khí, do đặc điểm cấu trúc lớp màng phía ngoài sẽ được cung cấp oxy hòa tan tốt hơn, chuyển vào lớp giữa hiệu quả cung cấp oxy hòa tan giảm dần và lớp trong cùng là điều kiện kỵ khí Nhờ vậy, hệ thống lọc sinh học có đặc tính khai thác được đồng thời năng lực phân huỷ chất ô nhiễm của cả các vi sinh vật hiếu khí (phân bố ở lớp màng phía ngoài), vi sinh vật hô hấp tuỳ nghi (phân bố ở lớp màng giữa) và hệ

vi sinh vật yếm khí (phân bố ở lớp màng phía trong cùng)

Hệ thống lọc sinh học được thiết lập đầu tiên tại trại thực nghiệm Lawrence, bang Matsachuset, Mỹ năm 1891 Đến năm 1940 ở nước này đã có 60% hệ thống

xử lý nước thải áp dụng công nghệ lọc sinh học Năm 1946, phương pháp lọc sinh học đã được triển khai phổ biến tại nhiều quốc gia, đặc biệt là sau khi ra đời các vật liệu lọc polymer Công nghệ lọc sinh học tiếp tục được phát triển, ủng dụng rộng rãi

và ngày càng được ưa chuộng trên thế giới (Markus Schmid và cs, 2003)

Colin X và cs (2007), sử dụng lọc sinh học với giá thể bằng tre để xử lý yếm khí nước thải của cơ sở chế biến tinh bột sắn qui mô nhỏ ở Colombia cho thấy đã loại bỏ 87% COD, 67% tổng chất rắn lơ lửng (TSS)

Đánh giá hiệu quả sử lý nước thải tinh bột sắn bằng công nghệ lọc sinh học trên các loại vật liệu lọc xơ dừa, than đá, nhựa PVC và nhựa Bio-Ball BB-15, tác giả Nguyễn Thị Thanh Phượng và cs (2010) đã cho thấy cả 4 mô hình lọc sinh học hiếu khí đều có khả năng xử lý hàm lượng hữu cơ và N với hiệu quả cao COD, N

ngày Trong khi đó Nguyễn Thị Thu Hiền (2012) đã ứng dụng thành công mô hình công nghệ bể lọc sinh học ngập nước (Submerged Biofilter –SBF) trong xử lý nước thải ươm nuôi cá biển Chất lượng nước ra khỏi bể lọc SBF được duy trì tốt trong suốt thời gian vận hành với tải lượng cơ chất hữu cơ từ thấp đến cao

cơ trung gian, làm cho quá trình này luôn đi kèm với việc tích tụ các chất hữu cơ trung gian, chứ không thể chuyển hóa hoàn toàn đến sản phẩm cuối là CO2 và H2O như với trường hợp hệ vi sinh vật hiếu khí Sản phẩm chuyển hóa sinh học kỵ khí

(chiếm tỉ lệ lớn nhất), C2H6, CO2… ngoài ra còn có H2S Khí CH4 chiếm tới 65% nên quá trình này còn gọi là lên men metan và quần thể vi sinh vật được gọi tên chung là các vi sinh vật sinh metan Phần và chất lượng khí sinh học tạo thành phụ thuộc vào nồng độ hợp chất hữu cơ trong nước thải, vào nhiệt độ môi trường, pH, thời gian xử lý (Gruisasola và cs, 2008)

Đây là một quá trình phức tạp và cơ chế của nó chưa được biết một cách đầy

đủ và rõ ràng Có thể coi quá trình xử lý kỵ khí gồm 3 pha: pha ban đầu là phân hủy, pha thứ hai là pha chuyển hóa axit, pha thứ ba là pha kiềm

Trong pha axit, các vi sinh vật tạo thành axit gồm cả vi sinh vật kỵ khí và vi sinh vật tùy tiện Chúng chuyển hóa các sản phẩm phân hủy trung gian thành các axit hữu cơ bậc thấp, cùng các chất hữu cơ khác như axit hữu cơ, axit béo, rượu, các axit amin, glyxerin, axeton, H2S, CO2, H2

Trong pha kiềm, các vi sinh vật sinh metan mới hoạt động Chúng là các vi sinh vật kỵ khí cực đoan, chuyển hóa các sản phẩm của pha axit thành CH4 và CO2 Các phản ứng ở pha này chuyển pH của môi trường sang kiềm

Theo Kulwarang Suwanasri và cs (2015) xử lý nước thải kỵ khí đã được phát triển để sản xuất khí sinh học trong các nhà máy chế biến tinh bột sắn ở Thái Lan từ năm 1984 Lúc đầu, hầu hết các nhà máy đều không quan tâm đến đầu tư sản xuất khí sinh học do chi phí đầu tư cao Tuy nhiên, điều này đã thay đổi hoàn toàn khi việc giới thiệu các biện pháp mới và chiến lược như hỗ trợ tài chính, ưu đãi về thuế,

và pháp luật về môi trường của chính phủ được thực thi

Một số hệ thống xử lý khai thác năng lực hệ vi sinh vật kỵ khí điển hình là:

Bể xử lý kỵ khí UASB (upflow anaerobic sludge blanket)

Nước thải được đưa vào hệ thống theo dòng hướng ngược lên và đi qua lớp bùn kỵ khí Hệ vi sinh vật kỵ khí trong lớp bùn sẽ phân huỷ hợp chất hữu cơ theo 3

giai đoạn, sản phẩm cuối cùng là một hỗn hợp khí, trong đó 2/3 là khí metan (Lê Xuân Phương, 2008) Giải pháp công nghệ này rất phổ biến và thích hợp với nước thải có hàm lượng hợp chất hữu cơ cao (COD lên tới vài nghìn mg/l) Tuy nhiên, bản chất của quá trình phân huỷ kỵ khí là quá trình oxy hoá không triệt để nên hàm lượng hợp chất hữu cơ trong nước sau xử lý vẫn cao, do vậy sau xử lý UASB phải tiếp tục xử lý hiếu khí thì nước thải đầu ra mới đạt tiêu chuẩn cho phép thải ra ngoài môi trường (Trần Văn Nhân và cs, 2009)

Qua kết quả nghiên cứu xử lý nước thải chế biến tinh bột sắn thu biogas bằng

hệ thống UASB, Nguyễn Thị Sơn và cs (2006) cho thấy khi pH dòng chảy được điều chỉnh lên 5,5-6,0 hiệu quả xử lý và hiệu quả khí hóa tăng rõ rệt (từ 0,32 lít/g lên 0,44 lít/g COD chuyển hóa) Thời gian lưu của nước thải trong hệ thống cũng ảnh hưởng không nhỏ tới tải trọng COD và hiệu quả khí hóa Thời gian lưu 3 ngày cho hệ số khí hóa cao nhất (0,55 lít/g COD), tuy nhiên lượng biogas thu được và tải trọng COD của hệ thống tăng khi lưu lượng dòng vào tăng, tải trọng COD ở thời gian lưu 2 ngày là 5,49 g/l/ngày và ở 1,75 ngày là 6,05 g/l/ngày Ứng dụng thành công hệ thống xử lý kỵ khí (UASB) công suất 10 m3/ngày đêm tại nhà máy tinh bột sắn KMC Bình Phước, tác giả Huỳnh Ngọc Phương Mai (2006) đã cho biết sau 73 ngày vận hành hệ thống UASB với tải trọng hữu cơ trong khoảng 6,2-7,4 kg

sinh ra dao động trong khoảng 260-350 lít khí biogas (> 60% metan) cho 1kg COD

bị khử Tác giả cũng cho rằng hệ thống xử lý kỵ khí thực sự có hiệu quả đối với những loại nước thải chứa hàm lượng chất hữu cơ cao Tuy nhiên, sau hệ thống xử

lý kị khí bao giờ cũng cần bước xử lý triệt để tiếp theo để giảm thiểu nồng độ chất hữu cơ và chất dinh dưỡng đến mức thấp nhất, đạt tiêu chuẩn xả thải nước thải công nghiệp hiện hành tại Việt Nam

Hầm khí sinh học (biogas)

Đây là hệ thống xử lý nước thải có độ ô nhiễm cao và được áp dụng rất phổ biến, đặc biệt là đối với nước thải giàu chất hữu cơ Bản chất công nghệ của hệ thống này là khai thác năng lực phân huỷ hợp chất hữu cơ của hệ vi sinh vật kỵ khí

có trong lớp bùn đáy Ưu thế điển hình của hầm khí sinh học là chi phí vận hành rất thấp vì không phải cấp khí, nhưng nước thải sau xử lý vẫn còn bị ô nhiễm và cần phải được xử lý tiếp tục bằng giải pháp xử lý hiếu khí, cho đến khi đạt ngưỡng yêu cầu về chất lượng, rồi mới được thải ra môi trường (Lương Đức Phẩm, 2009)

Ở Thái Lan, từ năm 2003-2005 được sự giúp đỡ của Bộ Năng lượng Thái Lan, các nhà máy chế biến tinh bột sắn đã xây dựng hệ thống biogas xử lý nước thải sắn gồm 4 loại công nghệ khác nhau: UASB, UASB A+, màng cố định và ao hồ có màng bao phủ Nước thải CBTBS từ 9 nhà máy có hệ thống xử lý có thể tạo ra 36,4 triệu m3 khí sinh học/năm, tương đương với 21,8 triệu lít dầu đốt/năm đem lại nhiều lợi nhuận kinh tế cho nhà máy và giảm thiểu được ô nhiễm môi trường (TTSA, 2015)

Trong nghiên cứu của Phạm Đình Long và cs (2014), đã thu hồi khí biogas

từ nước thải chế biến tinh bột sắn bằng phương pháp lên men kỵ khí, nhằm mục đích giúp các nhà máy chế biến tinh bột sắn xác định lượng biogas có thể thu hồi từ quá trình xử lý kỵ khí nước thải tinh bột sắn, qua đó giúp nhà máy tiết kiệm một phần năng lượng, giảm ô nhiễm môi trường đồng thời giảm phát thải khí nhà kính

Năm 2007-2008, Bùi Trung và cs thuộc Viện Công nghệ Hóa học, đã tiến hành khảo sát khảo sát hiện trạng và đánh giá mức độ xử lý ô nhiễm tại một số cơ

sở sản xuất tinh bột sắn ở Tây Ninh và đã xây dựng được quy trình xử lý nước thải theo công nghệ xử lý yếm khí với công suất 600 m3/ngày Công trình tận thu được nguồn khí biogas, tiết kiệm chi phí xây dựng, phù hợp với các điều kiện xây dựng của các nhà máy chế biến tinh bột sắn tại Việt Nam

1.2.2.3 Phương pháp xử lý thiếu khí (vi hiếu khí)

Trong nước thải thường chứa lượng Nitơ dưới dạng NH4+, NO2-, NO3- nếu không được xử lý sẽ gây ra hiện tượng phú dưỡng Để loại trừ được các thành phần

ô nhiễm này, cùng với hoạt tính khử nitrat đồng hóa của các vi sinh vật dị dưỡng, người ta thường cần phải khai thác đồng thời năng lực trao đổi chất của các vi khuẩn phản nitrat hoá trong môi trường Để những vi sinh vật phản nitrat hóa điển hình sinh trưởng và phát triển, để chúng khử dị hóa mạnh mẽ và hiệu quả lượng

NO2-, NO3- thành sản phẩm cuối cùng là N2, hệ thống xử lý phải xác lập được điều kiện môi trường chỉ có rất ít oxy hòa tan (điều kiện vi hiếu khí) Các giải pháp công nghệ xử lý vi hiếu khí các chất Nitơ vô cơ điển hình là công nghệ Anammox (Anaerobic ammonium oxidation), công nghệ Sharon (Single reactor system for Hing-rate Ammonium Removal Over Nitrite), công nghệ Sharon-Anammox, công nghệ Canon (Completely autotrophic nitrogien removal over nitrite), công nghệ Oland (Oxygien-limited autotrophic nitrification–denitrification)

Ứng dụng phương pháp xử lý vi hiếu khí tác giả Lê Công Nhất Phương và cs (2012) đã nghiên cứu xử lý ammonium trong nước thải giết mổ bằng quá trình nitrit một phần/Anammox trong một bể phản ứng, sử dụng giá thể poly acrylic và sợi bông tăm Kết quả cho thấy mô hình hoạt động hiệu quả với hiệu suất xử lý đạt 92%

ở tải trọng 0,04 kg N-NH4/m3 ngày và 87,8% ở tải trọng 0,14 kg N-NH4/m3 ngày

1.2.2.4 Hệ thống xử lý sinh học nước thải phối hợp

Trong thực tiễn ứng dụng, để xử lý triệt để và hiệu quả các chất ô nhiễm trong nước thải, người ta thường khai thác ứng dụng phối hợp nhiều giải pháp công nghệ với nhau, bao gồm: cơ học (lọc tách rác, lắng cát, lắng phân ly bùn hoạt tính…), xử lý sinh học nhờ vi sinh vật, xử lý hóa học-hóa lý (trợ lắng, keo tụ, khử trùng)… Mục tiêu khai thác năng lực xử lý của vi sinh vật thường được triển khai trong các hệ thống có phân chia tách biệt, hoặc phân vùng đặc tính chức năng, để xác lập môi trường hoạt động hiệu quả đồng thời cho cả ba nhóm vi sinh vật: hệ vi sinh vật hiếu khí, hệ vi sinh vật kỵ khí và hệ vi sinh vật vi hiếu khí phát triển, để

chúng phân hủy chuyển hóa các thành phần ô nhiễm tương ứng mong muốn

Hệ thống xử lý sinh học nước thải phối hợp được xem là dạng công nghệ xử

lý nước thải vi sinh được triển khai xây dựng rộng rãi trên thế giới Với đặc trưng công nghệ là xây dựng các bể xử lý chức năng tách biệt nhau và việc đảm bảo, duy trì nồng độ oxy hòa tan cho vi sinh vật hiếu khí phát triển trong bể xử lý hiếu khí được thực hiện nhờ áp dụng các giải pháp cấp khí cưỡng bức (bằng khuấy trộn sục khí trên bề mặt, hay phổ biến hơn là sử dụng máy nén khí để nén rồi sục phân tán khí vào đáy bể qua các thiết bị phân tán khí tương ứng) Hệ thống xử lý nước thải

phối hợp như mô tả trên có ưu điểm lớn là đơn giản trong lắp đặt, vận hành, bảo dưỡng và có hiệu quả xử lý cao Song các hệ thống này lại có yêu cầu lớn về diện tích để xây dựng nhiều bể xử lý chức năng riêng tách biệt nhau và chi phí chung cho quá trình xử lý vẫn luôn là áp lực đối với nhà đầu tư và luôn đặt ra nhu cầu cải thiện chất lượng cũng như hiệu quả công nghệ

Nước thải từ các nhà máy tinh bột sắn được xả trực tiếp vào sông trước khi được xử lý là một nguồn ô nhiễm, đã gây ra các vấn đề về môi trường cho người dân Indonesia Để giải quyết vấn đề này các nhà nghiên cứu đã phát triển tích hợp quá trình sản xuất và tinh chế khí sinh học từ nước thải tinh bột sắn kết hợp với vi tảo Kết quả cho thấy lượng khí sinh học tăng lên sau khi nước thải được bổ sung vi tảo và nấm men Lượng khí sinh học từ vi tảo và nước thải tinh bột sắn là 726,43 ml/g tổng rắn, lượng khí sinh học không có vi tảo là 189 ml/g tổng rắn (Budiyono

và cs, 2012)

kỵ khí với lọc sinh học có tỉ lệ chiều dài và đường kính khác nhau trong xử lý nước thải ngành công nghiệp tinh bột sắn ở Bzaril cho thấy hai hệ thống được sử dụng có

tỉ lệ đường kính và chiều dài là 1:6 và 1:3, tải trọng hữu cơ được áp dụng cho các hệ thống là 0,519, 1,156, 1,471, 3,049, 4,347, 4,708 và 5.601g/l/d không có sự khác biệt về hiệu quả loại bỏ COD, TSS

Theo Trương Văn Lung và cộng sự (2003) trường Đại học Khoa học Huế thì

sử dụng phương pháp keo tụ bằng Al2(SO4)3 để xử lý sơ bộ nước thải CBTBS đã loại được 38% chất rắn không hoà tan, 28-36% chất lơ lửng Tiếp theo dùng phương pháp

vi sinh vật kỵ khí sau 25 ngày có thể giảm 94,8% chất rắn lơ lửng, 86,9% chất rắn tổng số, 91% BOD5 và 87,6% COD so với nước thải chưa xử lý Ngoài ra, tiếp tục sử

giảm 3,52% so với lúc đầu Như vậy, dùng bèo để xử lý bậc 3 cho hiệu quả rất tốt

Tóm lại, có rất nhiều phương pháp xử lý nước thải khác nhau có thể áp dụng

để xử lý nước thải ngành công nghiệp chế biến tinh bột sắn Tùy vào qui mô, năng

lực cũng như cơ sở hạ tầng kỹ thuật, khả năng kinh phí cho phép mà lựa chọn phương pháp xử lý cho phù hợp

1.3 Chế phẩm vi sinh vật xử lý nước thải

1.3.1 Quá trình chuyển hóa vật chất của vi sinh vật trong nước thải

Nước thải mới ra khỏi dây truyền sản xuất thì mật độ vi sinh vật thường không nhiều Sau một thời gian, những nhóm vi sinh vật thích nghi được với đặc trưng của nước thải sẽ phát triển mạnh, số lượng và số loài dần phong phú hơn

Trong nước thải có chứa nhiều nhóm vi sinh vật như nhóm vi khuẩn phân giải

đường Clostridium, Cytophaga sp., các vi khuẩn gây thối Proteus vulgaris, B.cereus, các vi khuẩn oxy hóa lưu huỳnh Thiobacillus, Beggiatoa, vi khuẩn phản nitrat hóa

Thiobacillus denitrificans, Micrococcus denitrificans… (Chu Thị Thơm và cs, 2006)

Quá trình làm sạch nước do các VSV bao gồm ba giai đoạn sau:

- Các hợp chất hữu cơ tiếp xúc với bề mặt tế bào VSV;

- Quá trình khuyếch tán và hấp thụ các chất ô nhiễm nước qua màng bán thấm vào trong tế bào VSV;

- Chuyển hóa các chất ô nhiễm trong nội bào để sinh ra năng lượng và tổng hợp vật liệu mới cho tế bào VSV

Cả ba giai đoạn này có mối liên quan rất chặt chẽ với nhau làm nồng độ các chất gây ô nhiễm trong nước giảm dần

Tinh bột và quá trình chuyển hoá tinh bột nhờ vi sinh vật

Tinh bột-(C6H10O5)n-một loại polysacarit chủ yếu trong hạt, trong củ, trong quả Tinh bột khi gặp thuốc thử iốt sẽ có màu từ nâu đỏ đến xanh Tinh bột được cấu tạo bởi hai thành phần có cấu trúc khác nhau: amylose và amylopectin

Hình 1.3 Cấu trúc phân tử tinh bột

Amylose là loại có cấu tạo xoắn, mỗi vòng xoắn gồm 6 gốc glucose Trọng lượng phân tử của amylose vào khoảng 10.000-100.000 dalton (Lê Xuân Phương, 2008)

Amylopectin có cấu tạo phân nhánh Bên cạnh dây nối α-1,4-glucozit trong phân tử amylopectin còn có dây nối α-1,6-glucozit (ở đầu các nhánh) Mỗi nhánh nhỏ gồm khoảng 20-25 gốc glucozit Trọng lượng phân tử của amylopectin vào khoảng 50.000-1.000.000 dalton (Lê Ngọc Tú, 2006)

VSV phân giải tinh bột có khả năng tiết ra môi trường hệ enzym amilaza bao gồm 4 enzym: α-amilaza (còn gọi là endoamilaza), β-amilaza, amilo 1,6 glucosidaza

và glucoamilaza Dưới tác động của 4 loại enzym này, phân tử tinh bột được phân giải thành đường glucoza

Ứng dụng vi sinh vật sinh enzym thuỷ phân tinh bột được nhiều nhà khoa học nghiên cứu Năm 2010, ở Trung Quốc tác giả Zhou G và cs đã nghiên cứu sử dụng vi sinh vật để xử lý nước thải chứa tinh bột, đầu tiên là sử dụng hệ vi sinh vật

kỵ khí, sau đó sử dụng hệ vi sinh vật hữu hiệu (EM) hiếu khí và tuỳ nghi để xử lý tiếp, kết quả loại trừ được tới 99 % COD trong nước thải (Zhou G và cs, 2010)

Nitơ và quá trình chuyển hóa hợp chất Nitơ trong nước thải

Theo Soratikou và cs (1999), hợp chất Nitơ trong nước thải tồn tại dưới các dạng chính là các hợp chất Nitơ hữu cơ (protein, peptid, acid amin) và Nitơ vô cơ (NH4+, NO2-, và NO3-) Quá trình chuyển hoá sinh học nguồn Nitơ hữu cơ trong tự nhiên nhờ vi khuẩn, một phần lượng Nitơ này được đồng hóa quay trở lại thành nguồn Nitơ hữu cơ trong cấu trúc tế bào (hấp thu dưới dạng các acid amin, hay nhờ năng lực khử nitrat đồng hóa các muối NH4+ và NO3- làm nguồn dinh dưỡng Nitơ,

để tổng hợp tế bào, hay năng lực tự dưỡng amin có ở nhiều loài vi sinh vật), phần còn lại trong điều kiện hiếu khí cuối cùng thường dẫn tới tích tụ muối nitrat (do quá trình oxy hóa-khử sinh học để thu nhận năng lượng của các vi khuẩn nitrit và vi

khuẩn nitrat hoá, với hai giống điển hình là vi khuẩn Nitrosomonas, vi khuẩn

Nitrobacter) Tiếp theo, nhờ quá trình phân huỷ sinh học thiếu khí hoặc kỵ khí (do

quá trình oxy hóa-khử sinh học để thu nhận năng lượng của các loài vi khuẩn phản nitrat hóa) các muối nitrat này có thể chuyển hóa đến sản phẩm cuối cùng là N2

Quá trình amon hóa protein

Quá trình amon hóa protein là quá trình phân huỷ và chuyển hóa protein (cũng như các sản phẩm thủy phân trung gian của protein) thành NH4+, dưới tác dụng của các loài vi sinh vật:

Các hợp chất hữu cơ có N → NH3 hoặc NH4+

NH3+ H2O → NH4+ + OHQuá trình chuyển hoá sinh học protein thành acid amindo nhiều vi sinh vật hiếu khí và kỵ khí có năng lực sinh tổng hợp hệ enzym proteaza ngoại bào gây ra (Lê Xuân Phương, 2008), theo sơ đồ cơ chế:

-Protein → polypeptid → peptid → acid amin

Quá trình chuyển hoá tiếp theo, các acid amin này một phần sẽ được vi sinh vật hấp thu làm nguồn vật liệu cấu trúc Nitơ để sinh trưởng và phát triển, còn một phần sẽ bị chuyển hóa theo cơ chế khử amin hóa (trong trường hợp vi sinh vật sử dụng nguồn acid amin này làm vật liệu chỉ để thu nhận mạch khung cacbon vào mục tiêu chuyển hóa tiếp tục để thu năng lượng sinh học, hoặc để thu nhận vật liệu cấu trúc nên các thành phần khác không chứa Nitơ trong tế bào như glucid, lipid…) Kết quả là quá trình khử amin hóa (dezamin) các acid amin đã dẫn đến xuất hiện và tích tụ dần NH3 tự do, hay dưới dạng NH4+ trong môi trường

Quá trình nirat hóa

Quá trình nitrat hóa là quá trình oxy hóa tiếp tục Nitơ amon, đầu tiên tạo thành nitrit và sau đó tạo thành nitrat Quá trình nitrat hóa bao gồm 2 giai đoạn chính là oxy hóa muối amon thành NO2- (nitrit hóa), giai đoạn oxy hóa nitrit thành

NO3- (nitrat hóa) và quá trình này được thực hiện chủ yếu bởi hai nhóm vi khuẩn tự dưỡng có năng lực chuyển hóa và sử dụng được nguồn năng lượng thoát ra từ quá trình oxy hóa vô cơ amon và nitrit

Giai đoạn 1: giai đoạn nitrit hóa

Bước đầu tiên của quá trình nitrat hoá, vi khuẩn sẽ oxy hoá amoni thành nitrit theo phương trình:

NH3 + 1,5O2 NO2- + H+ + H2O

Trong đó, Nitrosomonas là chi phổ biến nhất được phát hiện tham gia giai đoạn này, sau đó đến Nitrosococcus, Nitrosospira và Nitrospira Ngoài ra,

Nitrosolobus và Nitrosovibrio cũng có thể oxy hóa anoni (Leininger S và cs, 2006)

Chúng đều là vi khuẩn gram âm, sinh ra các enzym hydroxylamine oxidoreductase (HAO) và ammonia monooxygienase (AMO) để oxy hóa amoni thu năng lượng (Patrick Chain và cs, 2003) Những vi khuẩn này còn có khả năng hoạt động tốt trong môi trường có hàm lượng nitrit cao, mà đối với vi sinh vật khác thì bị ức chế (Ran Y., Kartik C., 2010)

Điều đáng chú ý nữa là trong quá trình nitrit hóa, cơ chất NH3 chứ không phải là NH4+, bởi vậy quá trình oxy hóa amon xảy ra mạnh nhất ở pH trung tính 7,5-

Awwa, 1995)

Giai đoạn 2: giai đoạn nitrat hóa

Đó là giai đoạn oxy hóa nitrit thành nitrat do enzym nitritoxydase và cytochrom oxydase xúc tác

NO2- + 0,5O2 NO3

-Nitrobacter là chi phổ biến nhất được phát hiện thực hiện giai đoạn này

Ngoài ra còn có các vi sinh vật tự dưỡng khác cũng có khả năng oxy hoá nitrit thành

nitrat như: Nitrococcus, Nitrospira… (Watson S.W., 1991) Nhìn chung, vi khuẩn

nitrat hóa có thể phát triển được trong điều kiện hiếu khí, và cả trong môi trường

hạn chế oxy Các chủng vi khuẩn Nitrobacter có thể phát triển trong môi trường tạp dưỡng hoặc dị dưỡng, nhưng các chủng Nitrospira, Nitrococcus, Nitrospina thường

lại không phát triển được trên môi trường dị dưỡng cacbon

Theo Philips S và cs (2002), vi khuẩn oxy hóa amoni (AOB) sinh ra năng lượng lớn hơn vi khuẩn oxy hóa nitrit (NOB) trong quá trình oxy hóa nên có tốc độ tăng trưởng tốt hơn Các vi khuẩn này hoạt động được trong môi trường có hàm

lượng oxy hòa tan thấp và Nitrosomonas có pH tối ưu là 8,1, Nitrobacter là 7,9

(Grunditz C., 2001)

Quá trình phản nitrat hóa

Là quá trình chuyển hóa NO3-thành N2để bù trả lại Nitơ cho không khí được gọi là quá trình phản nitrat hóa (Scott C K., 1993) Trong tự nhiên có 2 dạng khử nitrat:

Quá trình này xảy ra ở một số vi khuẩn như Bacillus, E coli, Aerobacter và ở nhiều

loài vi sinh vật khác Quá trình xảy ra trong điều kiện hiếu khí và có chức năng cung cấp amon cho tế bào dùng tổng hợp acid amin

Nitơ phân tử, chỉ diễn ra trong điều kiện vi hiếu khí và điều kiện kỵ khí dưới sự tác động của các enzym nitrat reductase, nitrit reductase, nitrioxit reductase và nitrousoxit reductase (Kh Elbanna và cs, 2012), theo sơ đồ chuyển hóa sau:

Quá trình phản nitrat hóa được thực hiện với sự tham gia của các vi khuẩn

Pseudomonas, Azospirillum, Alcaligienes, Rhodopseudomonas, Propionibacterium, Achromobacter, Micrococcus, Paracoccus… Bên cạnh một số vi khuẩn lưu huỳnh

như Thiobacillus, Sulfomonas thì vi khuẩn Rhizobium cũng có khả năng khử Nitơ

trong trường hợp môi trường thiếu oxy, vi khuẩn này có thể oxy hóa nitrat thành năng lượng cho cơ thể (Moir J.W.B., 2011) Các vi khuẩn phản nitrat hóa có vai trò quan trọng trong xử lý nước thải, vì chúng loại bỏ nguồn Nitơ liên kết độc hại đối với môi trường sinh thái Trong môi trường nước thải, nitrit và nitrat thường tồn tại dưới dạng muối của các kim loại kiềm và kiềm thổ Trong quá trình phân giải các muối kali, natri, canxi… sẽ kèm theo hình thành các muối cacbonat và kiềm Vì thế, quá trình phản nitrat hóa thường kèm theo sự kiềm hóa môi trường

Phospho và quá trình chuyển hóa hợp chất Phospho trong nước thải

Cùng với Nitơ, Phospho là dinh dưỡng cần thiết cho cơ thể sống Mặc dù Phospho không thuộc loại chất độc hại đối với con người nhưng khi tồn tại trong nước thải ở nồng độ quá cao khi xả trực tiếp ra môi trường mà không qua xử lý sẽ gây ra hiện tượng phú dưỡng nguồn nước, gây ảnh hưởng nghiêm trọng tới môi trường

Trong nước thải, Phospho tồn tại cả ở dạng Phospho vô cơ (orthophosphat

PO43-), polyphosphat, và Phospho hữu cơ (axit nucleic, inositol phosphat, phytin…), nhưng chủ yếu là dạng orthophosphat (Charles P., 2003)

Tất các dạng polyphosphat (Phosphat ngưng tụ mạch thẳng PnO3n+1(n+2)-) đều chuyển hóa về dạng orthophosphat trong môi trường nước, quá trình chuyển hóa được thúc đẩy bởi nhiệt độ và trong môi trường axit Polyphosphat bị phân hủy nhanh nhờ quá trình thủy phân như sau:

P3O105- + 2H2O = 2HPO42- + H2PO4Các Phospho hữu cơ cũng được oxy hóa và thủy phân thành dạng orthophosphat Các ion Phosphat trong nước thường bị thủy phân theo 3 bậc sau đây (do H3PO4 có 3 nấc phân ly)

PO43- + 2H2O HPO42- + OH- HPO42- + H2O H2PO4- + OH-

H2PO4- + H2O H3PO4 + OH- Theo Richard I Sedlak (1991) việc loại bỏ Phospho trong nước thải bằng con đường sinh học dựa vào khả năng của vi sinh vật có khả năng chuyển hóa và tích lũy một lượng lớn Phospho dưới dạng polyphosphat (hạt volutin) trong tế bào của chúng Những vi sinh vật này có khả năng loại bỏ các hợp chất axit béo đơn giản sinh ra trong điều kiện kỵ khí và đồng hóa thành các sản phẩm dự trữ polyhydroxybutyrate (PHB) trong các tế bào của vi sinh vật Quá trình này liên quan đến việc giải phóng Phospho Trong điều kiện hiếu khí, năng lượng được sản sinh nhờ quá trình oxy hóa của các sản phẩm dự trữ (PHB) và các polyphosphat được tổng hợp và hình thành glycogien và kết quả vi sinh vật hấp thụ một lượng lớn

Phospho và dự trữ dưới dạng hạt polyphosphat trong tế bào, do đó sinh trưởng của

vi sinh vật được tăng lên (Bdrjanovic và cs, 1997)

Phospho không chỉ cung cấp cho hoạt động sống của vi sinh vật mà còn được tích lũy để vi sinh vật sử dụng khi cần thiết Trong qua trình xử lý nước thải, nếu sau vùng kỵ khí là vùng hiếu khí thì vi sinh vật sẽ hấp thu và tích lũy Phospho trên mức bình thường nhằm sử dụng khi cần thiết (Kong Y và cs, 2005)

Xyanua và sự chuyển hóa xyanua nhờ vi sinh vật

Xyanua (CN-) là anion của xyanhydric axit có công thức là C=N, một chất hóa học rất độc hại đối với sinh vật sống (Tổ chức Y tế Thế giới, 2004)

Trong tự nhiêu, hợp chất xyanua có thể được tìm thấy trong hơn 3.000 loài thực vật, động vật, vi khuẩn và nấm Thực vật sản sinh xyanua như một cơ chế phòng vệ chống lại động vật ăn cỏ (Randviir và cs, 2015)

Trong sắn, xyanua tồn tại dưới dạng xyanogenic glycoside gồm hai chất là linamarin và lotaustralin Chất này bị thủy phân tự nhiên bởi men linamarase tạo thành xyanhytric axit (HCN) là chất gây độc cho cơ thể Các giống sắn ngọt chứa 80-110 mg HCN/kg lá tươi và 20-30 mg HCN/kg củ tươi Giống sắn đắng chứa 160-240 mg HCN/kg lá tươi và 60-150 mg HCN/kg củ tươi Trong củ sắn, độc tố xyanua thường chỉ tập trung ở hai đầu, vỏ và lõi củ sắn Tuỳ theo giống, vỏ củ, lõi

củ, thịt củ, điều kiện đất đai, chế độ canh tác, thời gian thu hoạch mà hàm lượng HCN có khác nhau

Xyanua rất độc, nhưng may mắn là nó lại dễ bị phân hủy bởi nhiều tác nhân

lý hóa, xyanua rất dễ bị oxy hóa bởi những chất thông thường như clo, nước oxy già, phóc môn, thuốc tím…và ngay cả với oxy trong không khí Độc tố xyanua cũng rất dễ tan trong nước Xyanua trong thực phẩm dễ dàng bị phá hủy bởi nhiệt độ, dễ bốc hơi bay đi hoặc được rửa sạch bằng nước

Nhiều vi sinh vật đã được nghiên cứu có thể chuyển hóa hợp chất xyanua đơn giản và phức tạp để tạo thành hợp chất ít độc hại hơn Xyanua cũng có thể được vi sinh vật sử dụng làm chất dinh dưỡng (nguồn carbon và nguồn nitơ) cho sự tăng trưởng của chúng, vì vậy cung cấp nguồn carbon bên ngoài không còn cần thiết cho