Nghiên cứu tuyển chọn một số chủng vi sinh vật bổ sung vào quá trình tạo bùn hạt hiếu khí để xử lý nước thải làng nghề chế biến tinh bột

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --- NGUYỄN NGỌC ÁNH NGHIÊN CỨU TUYỂN CHỌN MỘT SỐ CHỦNG VI SINH VẬT BỔ SUNG VÀO QUÁ TRÌNH BÙN HẠT HIẾU KHÍ ĐỂ XỬ LÝ NƯỚC THẢ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

- -

NGUYỄN NGỌC ÁNH

NGHIÊN CỨU TUYỂN CHỌN MỘT SỐ CHỦNG

VI SINH VẬT BỔ SUNG VÀO QUÁ TRÌNH TẠO BÙN HẠT HIẾU

KHÍ ĐỂ XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHẾ BIẾN TINH BỘT

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – 2016

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

NGUYỄN NGỌC ÁNH

NGHIÊN CỨU TUYỂN CHỌN MỘT SỐ CHỦNG VI SINH VẬT

BỔ SUNG VÀO QUÁ TRÌNH BÙN HẠT HIẾU KHÍ ĐỂ XỬ LÝ NƯỚC

THẢI CHẾ BIẾN TINH BỘT

Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường

Mã số: 60 52 03 20

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Tăng Thị Chính

Hà Nội - 2016

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi Tất cả các số liệu nghiên cứu của luận văn là trung thực, chưa từng được ai công bố trong bất kỳ luận văn nào khác và xin cam đoan rằng các thông tin trích dẫn trong luận văn đều được chỉ rõ nguồn gốc

Tôi xin cảm ơn mọi sự giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi thực hiện tốt luận văn này

Hà Nội, ngày 10 tháng 01 năm 2016

Học viên

Nguyễn Ngọc Ánh

LỜI CẢM ƠN

Luận văn này được thực hiện tại phòng thí nghiệm của phòng Vi sinh vật môi trường, Viện công nghệ môi trường Để hoàn thành được luận văn này tôi đã nhận được rất nhiều sự động viên, giúp đỡ của nhiều cá nhân và tập thể

Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS TS Tăng Thị Chính

đã hướng dẫn tôi thực hiện nghiên cứu của mình

Xin cùng bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến TS Nguyễn Thị Hòa và tập thể cán bộ phòng Vi sinh vật môi trường đã đem lại cho tôi những kiến thức bổ trợ, vô cùng có ích và tạo điều kiện tốt nhất giúp tôi thực hiện nghiên cứu của mình

Cũng xin gửi lời cám ơn chân thành tới TS Trần Thị Huyền Nga, Bộ môn Công nghệ môi trường, Khoa Môi trường, Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo sau đại học - Đại học khoa học tự nhiên đã tạo điều kiện cho tôi trong quá trình học tập cũng như trong thời gian thực hiện nghiên cứu

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, những người đã luôn bên tôi, động viên và khuyến khích tôi trong quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu của mình

Hà Nội, ngày 10 tháng 01 năm 2016

Học viên

Nguyễn Ngọc Ánh

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3

1.1 Thực trạng ô nhiễm nước thải từ các làng nghề chế biến tinh bột 3

1.1.1 Đặc điểm nước thải chế biến tinh bột 3

1.1.2 Thực trạng ô nhiễm nước thải các làng nghề chế biến tinh bột 4

1.2.Tác động của nước thải chế biến tinh bột đến môi trường sinh thái 6

1.2.1 Ô nhiễm nguồn nước 6

1.2.2 Ô nhiễm đất 7

1.2.3 Ô nhiễm không khí 7

1.2.4 Ảnh hưởng đến con người 8

1.3 Các phương pháp xử lý nước thải chế biến tinh bột 8

1.3.1 Phương pháp hóa học 8

1.3.2 Phương pháp hóa lý 9

1.4 Công nghệ vi sinh trong xử lý nước thải chế biến tinh bột 16

1.4.1 Cấu tạo và quá trình phân hủy tinh bột 16

1.4.2 Một số vi sinh vật phân hủy tinh bột và lợi ích thu được khi ứng dụng chúng vào trong quá trình xử lý nước thải chứa nhiều tinh bột 18

1.4.3 Sự phát triển của vi sinh vật trong các công trình xử lý 19

1.4.4 Ưu thế của phương pháp vi sinh vật 20

1.4.5 Bùn hạt hiếu khí 21

1.5 Xử lý nước thải bằng công nghệ SBR 24

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 27

2.1 Đối tượng nghiên cứu 27

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 27

2.1.2 Dụng cụ và hoá chất 27

2.2 Phương pháp nghiên cứu 28

2.2.1 Phương pháp lấy mẫu nước thải 28

2.2.2 Phương pháp xác định sinh khối tế bào theo mật độ quang 28

2.2.3 Phương pháp phân lập vi sinh vật 28

2.2.4 Tuyển chọn chủng vi sinh vật có hoạt tính phân giải tinh bột 29

2.2.5 Phương pháp tinh sạch, giữ giống và hoạt hóa vi sinh vật 29

2.2.6 Phương pháp đánh giá khả năng sinh amylase của các chủng vi sinh vật tuyển chọn 30

2.2.7 Phương pháp xác định ảnh hưởng của điều kiện nuôi cấy đến sự sinh trưởng và sinh tổng hợp amylase của các chủng vi sinh vật đã tuyển chọn 31

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

2.2.9 Phương pháp xác định nhu cầu oxy hóa học (COD) 32

2.2.10 Phương pháp xác định nito tổng số 33

2.2.11 Phương pháp xác định photpho tổng số 34

2.2.12 Phương pháp xác định amoni 34

2.2.13 Phương pháp xác định giá trị SV30 (solid value 30) 35

2.2.14 Nghiên cứu xử lý nước thải chế biến tinh bột bằng phương pháp bùn hạt hiếu khí 35

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 36

3.1 Phân lập, tuyển chọn các chủng vi sinh vật sinh amylase có khả năng phân giải tinh bột sống cao 36

3.2 Đặc điểm sinh học của các chủng vi sinh vật tuyển chọn 39

3.2.1 Đặc điểm hình thái của các chủng vi sinh vật tuyển chọn 39

3.2.2 Phân loại đến loài các chủng vi khuẩn tuyển chọn 42

3.3 Xác định khả năng sinh enzyme của các chủng vi sinh vật tuyển chọn 44

3.4 Xác định ảnh hưởng của điều kiện nuôi cấy đến sinh trưởng và sinh tổng hợp amylase của các chủng vi sinh vật tuyển chọn 46

3.4.1 Ảnh hưởng của pH 46

3.4.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ 48

3.5 Nghiên cứu xử lý nước thải làng nghề chế biến tinh bột bằng phương pháp

bùn hạt hiếu khí qui mô phòng thí nghiệm 52

3.5.1 Kiểm tra tính đối kháng của các chủng vi khuẩn tuyển chọn để sử dụng vào quá trình xử lý nước thải chế biến tinh bột 53

3.5.2 Sự phát triển của các chủng vi sinh vật tuyển chọn trong quá trình tạo bùn hạt hiếu khí 54

3.5.3 Sự hình thành và phát triển của bùn hạt hiếu khí 54

3.5.4 Kết quả xử lý nước thải làng nghề chế biến tinh bột bằng phương pháp bùn hạt hiếu khí qui mô phòng thí nghiệm 56

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 61

TÀI LIỆU THAM KHẢO 63

PHỤ LỤC 66

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Thải lượng các chất ô nhiễm trong nước thải của một số làng nghề 5

Bảng 1.2 Quần thể vi sinh vật trong bùn hoạt tính 13

Bảng 1.3 Một số vi sinh vât có hệ amylase 19

Bảng 3.1 Hoạt tính amylase của các chủng VSV phân lập 36

Bảng 3.2 Hoạt tính amylase của 9 chủng VSV có đường kính 39

Bảng 3.3 Đặc điểm hình thái khuẩn lạc và tế bào của hai chủng VSV tuyển chọn 41 Bảng 3.4 Phản ứng sinh hóa của hai chủng VSV tuyển chọn 42

Bảng 3.5 Khả năng sinh một số enzyme phân giải protein, xenlulose và tinh bột của 2 chủng VSV tuyển chọn 44

Bảng 3.6 Ảnh hưởng của pH đến sự sinh trưởng của VSV 46

Bảng 3.7 Hoạt tính sinh enzyme amylase ở các độ pH khác nhau của môi trường 47 Bảng 3.8 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng sinh trưởng của VSV 49

Bảng 3.9 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên khả năng sinh amylase của VSV 50

Bảng 3.10 Mật độ vi sinh trong bùn hạt hiếu khí 54

Bảng 3.11 Kết quả phân tích đánh giá hiệu quả xử lý 60

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Lưu lượng nước thải sản xuất của một số làng nghề chế biến 4

Hình 1.2 Cấu tạo tinh bột 18

Hình 1.3 Đường cong sinh trưởng của vi sinh vật 20

Hình 1.4 Màu sắc bùn hạt trưởng thành 23

Hình 1.5 Đặc tính của bùn hạt và bùn hoạt tính truyền thống 23

Hình 1.6 Các pha trong chu trình hoạt động của SBR 25

Hình 2.1 Sơ đồ bể phản ứng SBR sử dụng trong nghiên cứu tạo bùn hạt hiếu khí 35 Hình 3.1 Đánh giá hoạt tính amylase của các chủng VSV phân lập 38

Hình 3.2 Khuẩn lạc của chủng VSV tuyển chọn 40

Hình 3.3 Hình thái tế bào chủng PD17 trên kính hiển vi quang học 40

Hình 3.4 Hình thái tế bào chủng DL21 trên kính hiển vi quang học 41

Hình 3.5 Hoạt tính sinh enzyme của hai chủng vi khuẩn tuyển chọn 45

Hình 3.6 Sinh trưởng của VSV ở các độ pH khác nhau 46

Hình 3.7 Hoạt tính sinh amylase ở các độ pH khác nhau 48

Hình 3.8 Sinh trưởng của VSV ở các mức nhiệt độ nuôi cấy khác nhau 49

Hình 3.9 Khả năng sinh enzyme của chủng PD17 ở các mức nhiệt độ 50

Hình 3.10 Hoạt tính sinh amylase của chủng DL21 ở các mức nhiệt độ 51

Hình 3.11 Hoạt tính sinh amylase ở các mức nhiệt độ nuôi cấy khác nhau 51

Hình 3.12 Tính đối kháng của hai chủng vi sinh vật tuyển chọn 53

Hình 3.13 Bùn hạt hiếu khí sau 3 tuần 55

Hình 3.14 Sự phát triển của bùn hạt qua 4 tuần 56

Hình 3.15 Hiệu quả xử lý COD trong nước thải làng nghề chế biến tinh bột 57

Hình 3.16 Kết quả xử lý amoni trong nước thải 57

Hình 3.17 Kết quả xử lý nito trong nước thải 58

Hình 3.18 Kết quả xử lý tổng photpho trong nước thải 59

Một trong những loại hình làng nghề phổ biến nhất ở nông thôn Việt Nam là làng nghề chế biến lương thực (làm bún, miến, bánh đa, chế biến tinh bột…) Sự ô nhiễm môi trường nước ở các làng nghề này đang ở mức báo động, gây bức xúc cho

xã hội Nước thải từ các làng nghề chế biến lương thực có chứa hàm lượng các chất hữu cơ rất cao (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 giàu hữu cơ không có sự kiểm soát của con người thường tạo ra các sản phẩm có mùi hôi thối như là H2S, CH4, NH4+… tác dụng xấu đến môi trường sinh thái Do vậy, nước thải cần được xử lý trước khi thải

ra môi trường tự nhiên Hiện nay, có nhiều phương pháp xử lý nước thải làng nghề như: phương pháp cơ học, hoá lý, hoá học và sinh học… đã được áp dụng và cho hiệu quả xử lý khác nhau Trong đó, phương pháp sinh học (bể sinh học hiếu khí) cho hiệu quả xử lý tốt và thân thiện với môi trường

Hiện nay, quá trình bùn hoạt tính vẫn đang là công nghệ xử lý nước thải phổ biến đang được áp dụng trên thế giới cũng như tại Việt Nam Tuy nhiên, nhược điểm của quá trình bùn hoạt tính thông thường chỉ xử lý được chất thải ô nhiễm tải lượng thấp (<5kgCOD/m3.ngày) và khả năng chịu sốc tải rất kém Các nghiên cứu

về quá trình tạo bùn hạt trong điều kiện hiếu khí và ứng dụng nó chỉ mới được thực hiện trên thế giới trong vòng 10 năm trở lại đây và bước đầu đã có một số kết quả

khả quan Các nghiên cứu trên thế giới đã chỉ ra rằng, bùn hạt hiếu khí có đặc điểm nổi trội như khả năng lắng tốt, duy trì nồng độ sinh khối cao, khả năng xử lý chất hữu cơ cao lên đến 10 – 15 kg COD/m3.ngày (trong khi đó khả năng xử lý của bùn hoạt tính <5 kg COD/m3.ngày), chịu sốc tải trọng, xử lý đồng thời được nito Mặc

dù có nhiều ưu điểm nhưng các nghiên cứu về tạo bùn hạt hiếu khí và áp dụng trong

xử lý nước thải ở nước ta còn hạn chế Trước thực tế đó, chúng tôi tiến hành nghiên

cứu đề tài: “Nghiên cứu tuyển chọn một số chủng vi sinh vật bổ sung vào quá

trình tạo bùn hạt hiếu khí để xử lý nước thải làng nghề chế biến tinh bột”

Mục tiêu của đề tài:

Nghiên cứu tạo bùn hạt hiếu khí để ứng dụng trong xử lý nước thải làng nghề chế biến tinh bột từ quy mô phòng thí nghiệm

Nội dung đề tài:

- Thu thập các tài liệu, dữ liệu có liên quan đến đề tài nghiên cứu

- Nghiên cứu tuyển chọn một số chủng vi sinh vật hữu ích có khả năng phân hủy tinh bột cao để bổ sung vào quá trình tạo bùn hạt hiếu khí

- Nghiên cứu các đặc điểm sinh lý hóa của các chủng vi sinh vật tuyển chọn và

bổ sung vào bùn hạt hiếu khí để xử lý nước thải làng nghề sản xuất bún miến

- Đánh giá hiệu quả xử lý nước thải làng nghề sản xuất bún miến bằng phương pháp xử lý hiếu khí theo mẻ (SBR) sử dụng bùn hạt hiếu khí ở quy mô phòng thí nghiệm

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Thực trạng ô nhiễm nước thải từ các làng nghề chế biến tinh bột

1.1.1 Đặc điểm nước thải chế biến tinh bột

Sự phát triển của ngành chế biến tinh bột đã và đang nảy sinh ra những vấn

đề bất cập về môi trường, nó tác động không nhỏ đến môi trường sinh thái và sự phát triển bền vững của làng nghề Nước thải sinh ra từ hoạt động sản xuất, nước thải do mưa chảy tràn tạo ra và nước thải sinh hoạt của người dân

Đặc điểm chung của nước thải sinh hoạt là chứa nhiều chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học như protein (40 – 50 %), hydratcacbon (40 – 50 %), chất béo (5 – 10

%), nồng độ chất hữu cơ trong nước thải sinh hoạt dao động trong khoảng 150 - 450 mg/l [1]

Nước thải do hoạt động sản xuất có chứa hàm lượng tinh bột cao Do nguyên liệu dùng cho các hoạt động sản xuất bún miến là gạo, củ dong riềng Trong gạo có chứa khoảng 80% tinh bột, còn trong củ dong riềng là 70,9% [28] Các làng nghề chế biến nông sản thực phẩm tiêu thụ một khối lượng nước lớn, có nơi lên đến 7000

m3/ngày Nước sử dụng cho sản xuất bún, miến chủ yếu ở khâu ngâm bột, tẩy màu, mùi của bột, ngâm trước khi đem chế biến Nước thải bún, miến có COD tương đối cao 4000 – 6000 mg/l, độ đục tương đối lớn 400 – 600 NTU do trong quá trình ngâm bột một lượng nhỏ tinh bột đi theo nước vào nước thải Thành phần chủ yếu của gạo, bột dong riềng là tinh bột nên hàm lượng amoni không cao khoảng 40 – 80 mg/l và nitrit thấp (< 3 mg/l), pH của nước thải khá thấp (2 – 3) và có mùi chua rất khó chịu, tất cả nước thải của các công đoạn được thải chung xuống cống chung, cùng với nước thải sinh hoạt gây ô nhiễm nặng về không khí và nguồn nước [2]

Hình 1.1 Lưu lượng nước thải sản xuất của một số làng nghề chế biến

lương thực, thực phẩm

1.1.2 Thực trạng ô nhiễm nước thải các làng nghề chế biến tinh bột

Hiện nay tại nông thôn, tình trạng ô nhiễm nước đang ở mức báo động trầm trọng nhất là tại các làng nghề Theo Báo cáo môi trường quốc gia – Môi trường nông thôn năm 2014, đến hết năm 2014 số làng nghề và làng có nghề ở nước ta khoảng 5.096, trong đó số làng nghề truyền thống được công nhận theo tiêu chí làng nghề hiện nay của Chính phủ là 1.748 [1] Tuy nhiên, mặt trái của các làng nghề nông thôn cũng là tình trạng gây ô nhiễm môi trường: nước thải, chất thải do các làng nghề tại các vùng quê gây ô nhiễm nguồn nước, không khí, đất đai ảnh hưởng đến cây trồng, vật nuôi và sức khỏe người dân Bên cạnh đó, tỷ lệ làng nghề sử dụng thiết bị xử lý nước thải, chất thải độc hại chỉ đạt 4,1% và thực trạng này đang cho thấy rõ nguy cơ gây ô nhiễm môi trường từ các làng nghề ở nông thôn nước ta [1] Đặc biệt là nước thải tại các làng nghề chế biến nông sản đang là vấn đề bức xúc gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường Nước thải của các làng nghề chế biến lương thực, thực phẩm có đặc tính chung là rất giàu chất hữu cơ, dễ phân hủy sinh học Ví dụ, nước thải của quá trình sản xuất tinh bột từ sắn có hàm lượng ô nhiễm rất cao (COD = 13.300 – 20.000 mg/l, BOD = 5.500 – 14.750 mg/l) [4]

Các làng nghề chế biến tinh bột đã có truyền thống lâu đời và đến nay vẫn tiếp tục phát triển Ví dụ làng bún Phú Đô, hàng năm sản xuất được khoảng 5000

sản xuất bún, miến lại tốn rất nhiều nước vì có rất nhiều công đoạn Nước thải của sản xuất bún, miến chứa nhiều tạp chất hữu cơ dạng hòa tan hoặc lơ lửng, trong đó chủ yếu là các hợp chất hydro cacbon như tinh bột, đường, các loại axit hữu cơ (lactic) cùng chất tẩy màu, mùi Theo nhiều khảo sát, nước thải sản xuất bún của làng nghề Phú Đô với giá trị COD trung bình là 3076,3 mg/l (vượt tiêu chuẩn cho phép xấp xỉ 40 lần); BOD5 là 2152 mg/l (vượt tiêu chuẩn cho phép hơn 40 lần);

NH4+ là 29.89 mg/l (vượt tiêu chuẩn cho phép xấp xỉ 2 lần) [16] Nhưng phần lớn nước thải tại các làng nghề đều thải thẳng ra ngoài không qua bất kỳ khâu xử lý nào làm cho nguồn nước nhuốm màu đen ngòm và bốc mùi hôi thối Nước thải này tồn đọng ở các cống rãnh thường bị phân hủy yếm khí gây ô nhiễm không khí và ngấm xuống lòng đất gây ô nhiễm môi trường đất và suy giảm chất lượng nước ngầm Thực trạng trên không chỉ xảy ra với làng bún Phú Đô mà còn đối với hầu hết các làng nghề truyền thống trên cả nước

Tình trạng ô nhiễm môi trường đã khiến một tỷ lệ không nhỏ người dân làng nghề hoặc ở các khu vực lân cận mắc các bệnh về đường hô hấp, đau mắt, bệnh đường ruột, bệnh ngoài da Nguyên nhân gây bệnh chủ yếu do môi trường sinh hoạt không bảo đảm vệ sinh, nguồn nước sạch khan hiếm Tỷ lệ mắc bệnh nghề nghiệp ở làng nghề có tỷ lệ cao hơn rất nhiều những làng thuần nông khác

Bảng 1.1 Thải lượng các chất ô nhiễm trong nước thải của một số làng nghề

Để từng bước khắc phục ô nhiễm môi trường, đã có nhiều nghiên cứu và triển khai một số mô hình thí điểm xử lý ô nhiễm làng nghề Đó là các dự án: Thí điểm xử lý nước thải cho làng nghề chế biến tinh bột sắn xã Tân Hòa (huyện Quốc

Oai); Các dự án đều thực hiện bằng chế phẩm, đã được nghiệm thu và bàn giao cho cơ sở sản xuất quản lý sử dụng; đồng thời đang được phổ biến nhân rộng mô hình xử lý nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường tại khu vực làng nghề này

Tuy vậy, quá trình triển khai vẫn còn chậm và gặp nhiều khó khăn như nguồn kinh phí đầu tư công nghệ, xây dựng công trình xử lý ô nhiễm môi trường lớn; nhận thức về trách nhiệm bảo vệ môi trường cho cộng đồng của các hộ sản xuất còn kém; lực lượng và năng lực chuyên môn của cán bộ quản lý về môi trường cũng còn hạn chế Các cấp chính quyền địa phương lại chưa quan tâm đúng mức đến công tác bảo

vệ môi trường nên nhiều chương trình, nhiệm vụ chưa đạt kế hoạch đề ra

1.2 Tác động của nước thải chế biến tinh bột đến môi trường sinh thái

Trong những năm qua, cùng với sự phát triển của kinh tế, xã hội nhiều ngành thủ công truyền thống đã được khôi phục và phát triển khá mạnh Tuy nhiên sự phát triển của các làng nghề còn mang tính chất tự phát, tùy tiện, quy mô sản xuất nhỏ lẻ, trang thiết bị còn lạc hậu Tất cả những mặt hạn chế trên không chỉ ảnh hưởng đến

sự phát triển của các làng nghề mà còn ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng môi trường làng nghề và sức khỏe cộng đồng Một trong các loại hình làng nghề phổ biến nhất ở nông thôn Việt Nam là làng nghề chế biến lương thực (làm bún, miến, bánh đa, chế biến tinh bột) Sự ô nhiễm môi trường nước tại các làng nghề này đang

ở mức báo động, gây nhiều bức xúc cho xã hội

1.2.1 Ô nhiễm nguồn nước

Không phải nói đến những hiệu quả nhiều mặt của làng nghề chế biến tinh bột: Vừa tạo được công ăn việc làm cho nhiều lao động sở tại, vừa giữ được nghề truyền thống và phần nào văn hóa đặc sắc của vùng miền Tuy nhiên, những năm gần đây, cộng đồng phải lo ngại, thậm chí bức xúc về nạn ô nhiễm môi trường do hoạt động sản xuất gây ra Trong đó, ô nhiễm nguồn nước đang là một trong những vấn đề ô nhiễm nghiêm trọng Hiện nay, việc sử dụng nước cho quá trình sản xuất tinh bột tại các làng nghề càng gia tăng do nhu cầu thị trường ngày càng cao dẫn đến lượng nước thải ngày càng lớn Mỗi ngày có tới hàng chục nghìn mét khối nước thải chứa nhiều tạp chất hữu cơ - tạo điều kiện cho vi sinh vật phát triển và chứa những chất

hóa học, kiềm, sắt, kim loại… theo các cống rãnh chảy ra ngoài ao, hồ và ngấm xuống mạch nước ngầm làm ảnh hưởng đến nguồn nước sinh hoạt của người dân Nếu không kiểm soát được nước thải cũng như không áp dụng biện pháp xử lý phù hợp sẽ gây ra những ảnh hưởng xấu đến môi trường sống của con người

Ô nhiễm nguồn nước ảnh hưởng trực tiếp đến các sinh vật nước, đặc biệt là ở các ao, hồ, sông do đây là nguồn tiếp nhận nước thải Nhiều loài thủy sinh do hấp thụ các chất độc trong nước, thời gian lâu ngày đã gây ra những biến đổi trong cơ thể, một số trường hợp gây biến đổi gen, tạo nhiều loài mới, thậm chí còn làm chết nhiều loài Nguồn nước thải không qua xử lý không chỉ gây ra ô nhiễm nguồn nước

mà nó còn thấm vào đất gây nên ô nhiễm đất và ô nhiễm nguồn nước ngầm Ví dụ như ở làng nghề Phú Đô mỗi ngày mỗi hộ sử dụng 50m3 nước, số nước này sau khi

sử dụng được thải trực tiếp vào hệ thống thoát nước chung, rồi đổ ra sông Nhuệ Một phần không nhỏ còn lại bị cuốn theo nước thải gây ô nhiễm nghiêm trọng nước mặt, nước dưới đất [2,15]

1.2.2 Ô nhiễm đất

Nước bị ô nhiễm mang nhiều chất vô cơ và hữu cơ thấm vào đất gây ô nhiễm nghiêm trọng Khi các chất ô nhiễm từ nước thấm vào đất không những gây ảnh hưởng đến đất mà còn ảnh hưởng đến cả các sinh vật đang sinh sống trong đất Các chất ô nhiễm làm giảm quá trình hoạt động phân hủy chất của một số vi sinh vật trong đất Ô nhiễm quá mức là nguyên nhân làm cho nhiều cây cối còi cọc, khả năng chống chịu kém, không phát triển được hoặc có thể bị thối gốc mà chết [16]

1.2.3 Ô nhiễm không khí

Ô nhiễm môi trường nước không chỉ ảnh hưởng đến đất, nước mà còn ảnh hưởng đến không khí Các hợp chất hữu cơ, vô cơ độc hại trong nước thải thông qua vòng tuần hoàn nước, theo hơi nước vào không khí làm cho mật độ bụi bẩn trong không khí tăng lên Không chỉ vậy, các hơi nước này còn là giá bám cho các vi sinh vật và các loại khí bẩn công nghiệp độc hại khác Đối với không khí, nguồn gây ô nhiễm đặc trưng nhất của làng nghề là mùi chua, hôi thối do quá trình phân hủy của các chất hữu cơ, quá trình ủ, lên men của bún Quá trình này tạo ra các khí độc gây

ảnh hưởng đến sức khỏe con người Kết quả phân tích mẫu khí thải ở Phú Đô của ngành chức năng cho thấy hầu hết đều vượt tiêu chuẩn cho phép gấp nhiều lần, riêng đối với nồng độ bụi vượt từ 113 đến 230 lần cho phép [16]

1.2.4 Ảnh hưởng đến con người

Báo cáo môi trường quốc gia năm 2014 cho thấy, tại nhiều làng nghề, tỷ lệ người mắc bệnh (đặc biệt là nhóm người trong độ tuổi lao động) đang có xu hướng gia tăng Trong vòng 30 năm qua, có khoảng 40 bệnh mới đã phát sinh và đều có nguồn gốc ô nhiễm từ môi trường [1] Tại các làng nghề chế biến nông sản thực phẩm, bệnh phụ khoa chiếm chủ yếu (13 – 38 %), bệnh về đường tiêu hóa (8 – 30

%), bệnh viêm da (4,5 – 23 %), bệnh đường hô hấp (6 – 18 %), bệnh đau mắt (9 –

15 %) Tỉ lệ mắc bệnh nghề nghiệp ở làng bún Dương Liễu là 70%, làng bún Phú

Đô là 50% [1] Tác hại của ô nhiễm môi trường qua các chỉ số là hết sức lo ngại Vào những ngày hè nắng nóng, nước bốc mùi nồng nặc ảnh hưởng nghiêm trọng đến cuộc sống của người dân Nhưng vì cuộc sống mưu sinh, người dân ở đây vẫn phải sống trong môi trường đó dù biết rằng sức khỏe đang bị đe dọa hàng ngày Những vấn đề nổi cộm trên không chỉ làm ô nhiễm nghiêm trọng không khí, nguồn nước, mất mỹ quan làm suy thoái môi trường nghiêm trọng mà còn tác động xấu tới sức khỏe người dân của làng nghề và cộng đồng dân cư lân cận, đe dọa tới

sự phát triển bền vững làng nghề Việt Nam

1.3 Các phương pháp xử lý nước thải chế biến tinh bột

- Trung hòa: Nước thải thường có những giá trị pH khác nhau Muốn nước

thải được xử lý tốt bằng phương pháp sinh học phải tiến hành trung hòa và điều

chỉnh pH về vùng 6,6 – 7,6 Các hóa chất thường dùng là NaOH, KOH, Na2CO3 với nước thải có tính axit và H2SO4, HCl, HNO3 với nước thải có tính kiềm

- Phương pháp oxi hóa – khử: Tiến hành oxi hóa - khử các hợp chất hữu cơ,

vô cơ Phương pháp này tốn một lượng lớn xúc tác hóa học, chỉ dùng khi nước thải không thể xử lý được bằng phương pháp khác Thường được sử dụng ở giai đoạn cuối của quá trình xử lý Các hóa chất thường sử dụng là chất oxi hóa như: Clo và hợp chất của Clo, O3, KMnO4, I2, H2O2 Chất khử như: Cr, As, Hg

1.3.2 Phương pháp hóa lý

Có nhiều phương pháp hóa lý được sử dụng trong xử lý nước thải

- Phương pháp keo tụ: Trong quá trình lắng cơ học chỉ tách được các hạt chất

rắn huyền phù có kích thước ≥ 10-2mm, còn các hạt nhỏ hơn ở dạng keo không thể lắng được Ta có thể làm tăng kích cỡ các hạt nhờ tác dụng tương hỗ giữa các hạt phân tán liên tiếp vào các tập hợp hạt để có thể lắng được Muốn vậy, cần trung hòa điện tích của chúng, thứ đến là liên kết chúng với nhau Quá trình tạo thành bông lớn từ các hạt nhỏ được gọi là quá trình keo tụ Các hóa chất thường sử dụng: phèn

Fe, phèn Al Khi cho hóa chất vào sẽ tạo điều kiện cho các chất rắn lơ lửng liên kết lại với nhau tạo thành bông lơ lửng có kích thước lớn, có thể lọc được [5]

- Phương pháp hấp phụ: dùng để loại bỏ hết các chất hòa tan vào nước mà

phương pháp xử lý sinh học và các phương pháp khác không loại bỏ được với hàm lượng rất nhỏ Thông thường đây là các hợp chất hòa tan có độc tính hoặc các chất

có màu hoặc mùi khó chịu Các chất hấp phụ thường sử dụng là: than hoạt tính, xỉ, đất xét hoạt tính, silicagen, mạt sắt… Lượng chất hấp phụ tùy thuộc vào khả năng hấp phụ của từng chất và hàm lượng chất bẩn có trong nước Phương pháp này có khả năng hấp phụ 58 – 95% các chất hữu cơ và màu [5]

- Phương pháp tuyển nổi: Phương pháp tuyển nổi dựa trên nguyên tắc: các

phần tử phân tán trong nước có khả năng tự lắng kém, nhưng có khả năng kết dính vào các bọt khí nổi lên trên bề mặt nước, sau đó người ta tách các bọt khí cùng các phần tử dính ra khỏi nước Quá trình này được thực hiện nhờ thổi không khí thành bọt nhỏ vào trong nước thải Ưu điểm của phương pháp này là có thể khử hoàn toàn

các hạt nhỏ nhẹ, lắng chậm trong thời gian ngắn Khi các hạt đã nổi lên bề mặt, chúng có thể thu gom bằng bộ phận vớt lọc [5]

- Phương pháp trao đổi Ion: Thực chất của phương pháp này là quá trình

trong đó các ion trên bề mặt chất rắn trao đổi với các ion có cùng điện tích trong dung dịch khi tiếp xúc với nhau Các chất này gọi là ionit (chất trao đổi ion) Chúng hoàn toàn không tan trong nước Phương pháp trao đổi Ion được ứng dụng để xử lý nước thải khỏi các kim loại như Zn, Cu, Ni, Hg, Mn…cũng như các hợp chất của Asen, Photpho, Xyanua và chất phóng xạ Phương pháp này đạt được mức độ xử lý cao, là phương pháp được sử dụng rộng rãi để tách muối trong xử lý nước cấp và nước thải Các chất trao đổi ion có thể là các chất vô cơ hay hữu cơ có nguồn gốc tự nhiên hay tổng hợp Nguồn gốc tự nhiên như zeolit, đất sét, than đá… tổng hợp như silicagen, pecmutit, nhựa tổng hợp… [5]

1.3.4 Phương pháp sinh học

Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là một quá trình phức tạp bởi đó

là quá trình phát triển của vi sinh vật xảy ra trong thiết bị xử lý, bị ràng buộc bởi các hiện tượng hóa lý liên quan đến chuyển chất và năng lượng Tính phức tạp của nó còn ở chỗ các quá trình đó xảy ra ở mức độ vi mô Các quá trình xử lý sinh học 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 phân huỷ các hợp chất hữu cơ và vô cơ có sự tham gia của oxy Còn trong quá trình yếm khí các chất bị phân huỷ không cần sự có mặt của oxy [21]

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) Để thực hiện phương pháp này có thể sử dụng phương pháp lọc yếm khí, bể ổn định tiếp xúc - hầm biogas, hồ yếm khí

* Lọc sinh học

Bể lọc sinh học là một hệ thống thiết bị sinh học trong đó vi sinh vật được cố

định trên lớp vật liệu xốp, tạo màng Khi nước thải được cấp khí và tiếp xúc với

màng lọc sinh học, các chất hữu cơ bị oxy hoá, do vậy nước thải được làm sạch

[10] Bể gồm các bộ phận chính:

- Phần chứa vật liệu lọc (lớp đệm bằng đá hoặc các vật liệu khác như: quả bóng nhựa, hoa nhựa, tấm nhựa tổng hợp… có đường kính trung bình 20-30 mm và 30-80 mm)

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

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

Bể lọc sinh học được phân thành các loại:

- Lọc nhỏ giọt (thông khí tự nhiên)

- Lọc tải lượng cao (thông khí nhân tạo)

- Tháp lọc, đĩa lọc sinh học

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

vi sinh vật hiếu khí và yếm khí phân huỷ các chất hữu cơ có trong nước thải khi nước thải chảy qua lớp màng sinh học này [10]

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

* Bể Aeroten

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 [10] 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

Như vậy, trong tất cả các phương pháp sinh học xử lý nước thải, vi sinh vật luôn là một nhân tố chủ đạo Vi sinh vật tham gia vào quá trình oxy hoá các chất gây ô nhiễm, làm sạch nước thải Tuy nhiên, không phải bất kỳ loài vi sinh vật nào cũng có khả năng làm sạch nước và tạo độ kết lắng tốt Có những loài sau khi phát triển chúng không những không tạo kết lắng mà còn sinh ra chất nhầy làm tăng độ nhớt của nước thải làm cho quá trình làm sạch càng khó khăn hơn Thậm trí một số

vi sinh vật còn sinh ra các sản phẩm phụ có ảnh hưởng xấu tới môi trường là mầm gây bệnh cho con người và gia súc Do vậy, bên cạnh việc lợi dụng những tính năng

ưu việt của các loài vi sinh vật thì chúng ta cần phải lựa chọn những chủng vi sinh vật thích hợp vừa có khả năng làm sạch, vừa tạo độ kết lắng tốt vừa không gây độc hại cho môi trường [11]

* Xử lý nước thải bằng phương pháp bùn hoạt tính

Trong nước thải, sau một thời gian làm quen, các tế bào vi khuẩn bắt đầu sinh trưởng, sinh sản và phát triển Nước thải bao giờ cũng có các hạt chất rắn lơ lửng khó lắng Các tế bào vi khuẩn sẽ dính vào các hạt lơ lửng này và phát triển thành các hạt bông cặn có hoạt tính phân hủy các chất hữu cơ nhiễm bẩn nước thể hiện bằng BOD Các hạt bông bùn này nếu được thổi khí và khuấy đảo sẽ lơ lửng ở trong nước, được lớn dần lên do hấp thu nhiều hạt chất rắn lơ lửng nhỏ, tế bào vi sinh vật, nguyên sinh động vật và các chất độc Các hạt bông này khi ngừng thổi khí hoặc các chất hữu cơ làm cơ chất dinh dưỡng cho vi sinh vật trong nước cạn kiệt chúng sẽ lắng xuống đáy bể hoặc hồ thành bùn Bùn này được gọi là bùn hoạt tính

Bùn hoạt tính lắng xuống là “bùn già”, hoạt tính giảm Nếu được hoạt hóa (trong môi trường thích hợp có sục khí) sẽ sinh trưởng trở lại và hoạt tính được phục hồi

Quần thể vi sinh vật trong bùn hoạt tính rất phong phú với các loại vi khuẩn, nấm men, nấm mốc, xạ khuẩn, động vật nguyên sinh Số lượng vi khuẩn trong bùn hoạt tính dao động trong khoảng 108 – 1012 trong 1 mg chất khô Phần lớn chúng là

Pseudomonas, Achomobacter, Alcaligenes, Bacillus, Micrococcus, Flavobacterium…

Trong khối nhầy có các loài Zooglea, đặc biệt là Zooglea ramigola, rất giống

Pseudomonas, chúng có khả năng sinh ra một bao nhầy xung quanh tế bào Bao nhầy

này là một polyme sinh học, thành phần là polysaccarit, có tác dụng kết các tế bào vi khuẩn lại thành các hạt bông [13] Ngoài ra, trong bùn hoạt tính còn có mặt các vi khuẩn phân hủy các polyme, vi khuẩn phản nitrat hóa, vi khuẩn khử sunfat Một số giống vi khuẩn điển hình có mặt trong bùn hoạt tính được thể hiện trên bảng 1.2

Bảng 1.2 Quần thể vi sinh vật trong bùn hoạt tính [5]

1 Pseudomonas Phân huỷ cacbonhydrat, protein, các hợp chất hữu cơ

và phản nitrat hóa

2 Arthrobacter Phân huỷ cacbonhydrat

3 Bacillus Phân huỷ cacbonhydrat, protein

4 Cytophaga Phân huỷ các polyme

5 Zooglea Tạo thành chất nhầy, hình thành các chất keo tụ

6 Acinetobacter Tích luỹ polyphotphat, phản nitrat

7 Nitrobacter Nitrat hoá

8 Sphaerotilus Sinh nhiều tiên mao, phân hủy các chất hữu cơ

9 Acaligenes Phân hủy protein, phản nitrat hóa

10 Flavobacterium Phân hủy protein

11 Acinetobacter Phản nitrat hóa

12 Hyphomicrobium Phản nitrat hóa

13 Desulfovibrio Khử sunfat, khử nitrat

Các động vật nguyên sinh cũng có mặt trong bùn hoạt tính và tham gia vào quá trình làm sạch nước thải Chúng ăn các vi khuẩn già hoặc đã chết, tăng cường loại bỏ vi khuẩn gây bệnh, làm đậm đặc màng nhầy nhưng lại làm xốp khối bùn, kích thích vi sinh vật tiết enzyme ngoại bào để phân hủy chất hữu cơ nhiễm bẩn và làm kết lắng bùn nhanh

Để xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính có hiệu quả, cần sử dụng nhiều biện pháp khác nhau để tạo bùn hoạt tính nhằm tăng số lượng cũng như hoạt lực của các vi sinh vật có trong đó như: lấy bùn hoạt tính ở nơi xử lý khác có tính chất giống như nước thải nghiên cứu, hồi lưu bùn đã dùng ở những bể xử lý nước thải trước trở lại các bể sục khí Ngoài ra, cần chú ý đến các yếu tố ảnh hưởng đến sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật có trong bùn hoạt tính như:

- Nhiệt độ của nước thải: Nếu nhiệt độ cao thì phải có thiết bị hạ nhiệt độ xuống khoảng 25 – 300C;

- pH của nước thải: Cần phải điều chỉnh pH của nước thải đạt khoảng 6,5 – 7,5;

- Các nguyên tố có tính độc có thể tiêu diệt hoặc kìm hãm sinh trưởng của vi sinh vật Nước thải có chứa các độc tố đặc biệt này cần phải có biện pháp xử lý riêng trước khi được xử lý bằng bùn hoạt tính;

- Tỷ số BOD5: N: P: Đây là các chỉ số cần được quan tâm khi cân bằng dinh dưỡng cho VSV trong nước thải Tỷ lệ BOD5: N: P được đề xuất tối ưu là 100: 5: 1 Ngoài chất hữu cơ, nitơ và photpho là hai nguồn dinh dưỡng quan trọng cho sự tạo thành tế bào mới và hoạt động của vi sinh vật trong bùn hoạt tính Ngoài ra, để phát huy được vai trò của bùn hoạt tính đến điều kiện hiếu khí hay nồng độ oxy hòa tan trong nước, chúng ta phải quan tâm trong các quy trình công nghệ xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính Có thể làm tăng nồng độ oxy hòa tan bằng cách tăng mặt thoáng của ao hồ, áp dụng các biện pháp sục khí và khuấy cưỡng bức [13]

* Phương pháp xử lý nước ô nhiễm bằng vi tảo

Tảo là thực vật bậc thấp, sống theo kiểu quang tự dưỡng, dị dưỡng hoặc tạp dưỡng Có loại tảo có cấu trúc đơn bào, có loại mọc nhánh dài Chúng là thực vật

phù du, có thể trôi nổi ở trong nước hay móc vào các giá đỡ (loài thực vật khác) Trong số khoảng 50.000 loài tảo trên thế giới thì vi tảo chiếm đến 2/3 Nhiều loài tảo, như vi tảo còn được xếp vào nhóm vi sinh vật, tảo lam được xếp vào nhóm vi khuẩn lam Tảo phát triển làm nước có màu sắc, thực chất là màu sắc của tảo (tảo

lam Anabaena cylindrica làm cho nước có màu xanh lam, Oscilatoria rubecens làm cho nước ngả màu hồng, các loài khuê tảo Melorisa, Navicula làm cho nước có màu

vàng nâu ) [13]

Trong nước thải giàu nguồn N và P là điều kiện tốt cho tảo phát triển Nguồn

CO2 có thể do vi sinh vật hoạt động thải ra trong nước, phân hủy các chất hữu cơ tạo thành và cung cấp cho tảo hoặc từ không khí

Cơ sở sinh học của việc sử dụng một số loài tảo để xử lý nước thải là dựa vào đặc tính sinh trưởng tự nhiên của chúng Tảo sử dụng CO2 hoặc bicacbonat làm nguồn cacbon và nguồn nitơ, photpho vô cơ để cấu tạo tế bào dưới tác dụng của năng lượng ánh sáng mặt trời, đồng thời thải ra khí oxy Quá trình quang hợp của tảo được biểu diễn như sau:

Các khí oxy phân tử sinh ra làm giàu thêm hàm lượng oxy hòa tan trong nước, tạo điều kiện thuận lợi giúp vi khuẩn hiếu khí phát triển và thúc đẩy các phản ứng oxy hóa - khử trong quá trình phân hủy hiếu khí các chất hữu cơ xảy ra nhanh hơn

Vai trò chính của tảo và thực vật thủy sinh là khử nguồn amonium hoặc nitrat, cùng nguồn photphat có trong nước Việc làm giảm các chất hữu cơ ô nhiễm trong nước chủ yếu là nhờ một số loại vi khuẩn, tảo và thực vật khác chỉ sinh oxy

và có rễ để vi khuẩn bám vào, cùng tán lá che chắn làm giảm tác động của ánh sáng mặt trời giúp vi khuẩn khỏi chết và tạo điều kiện cho chúng hoạt động tốt hơn

Các loài vi tảo có thể làm thức ăn tự nhiên trong nuôi trồng thủy sản Một số loài tảo có khả năng phát triển trên một số loại nước thải đóng vai trò quan trọng

CO2 + NH4 + PO4

Tế bào tảo mới (tăng sinh khối) + O2Ánh sáng

trong quá trình làm sạch nước thải Cùng với các vi sinh vât khác, vi tảo giữ vai trò như máy lọc sinh học tự nhiên, trực tiếp hấp thu tất cả những sản phẩm thừa, sản phẩm sau cùng của phân huỷ hữu cơ và chuyển hoá chúng sang dạng ít độc hại hơn hoặc phân giải chúng thành những vật chất khác đơn giản và vô hại Những loại tảo

và vi khuẩn lam nước ngọt được sử dụng phổ biến trong quá trình xử lý nước thải

chủ yếu thuộc các chi Chlorella, Spirulina, Scenedessmus…Từ nhiều năm qua đã có

nhiều nghiên cứu trong và ngoài nước về việc ứng dụng các loài tảo trong xử lý

nước ô nhiễm Tại Việt Nam, tảo lam Spirulina đã được sử dụng trong xử lý nước

thải giàu amoni từ một số nguồn phân hóa học trong trồng trọt để giảm thiểu ô

nhiễm môi trường và giảm giá thành sản phẩm từ Spirulina [16] Ngoài ra, các thử

nghiệm nuôi trồng tảo này bằng nguồn nước thải ươm tơ tằm, nước thải nhà máy phân đạm, nước thải từ hầm biogas… đã được triển khai, ngay cả các nguồn phế thải hữu cơ như rỉ đường, phế thải công nghiệp rượu bia cũng đã được thử nghiệm

để nuôi trồng và thu sinh khối của tảo này [15] Tại Trung Quốc, năm 2009, nghiên cứu của Liang W và cộng sự - Trường Đại học Nanchang cũng đã chứng minh

được khả năng xử lý nước thải đô thị rất hiệu quả của loài tảo Chlorella [24] Năm

2010 tại Thụy Điền, nhà nghiên cứu Larsdotter K và cộng sự cũng chỉ ra các loài vi tảo có hiệu quả xử lý nitơ và photpho có trong nước thải rất tốt, hiệu suất xử lý nitơ đạt 60 - 80% và photpho đạt từ 60 – 100% trong các tháng của mùa hè [23]

1.4 Công nghệ vi sinh trong xử lý nước thải chế biến tinh bột

1.4.1 Cấu tạo và quá trình phân hủy tinh bột

Tinh bột tiếng Hy Lạp là amidon (công thức hóa học: (C6H10O5)n) là một polysacarit chứa hỗn hợp amylose và amylopectin Trong tinh bột tỷ lệ phần trăm amilose và amilopectin thay đổi tùy thuộc vào từng loại tinh bột, tỷ lệ này thường từ 20:80 đến 30:70 Cả amylose và amylopectin đều được cấu tạo từ đơn phân là D – glucose Tinh bột có nguồn gốc từ các loại cây khác nhau có tính chất vật lí và thành phần hóa học khác nhau Tinh bột được thực vật tạo ra trong tự nhiên trong các quả, củ như: ngũ cốc Tinh bột, cùng với protein và chất béo là một thành phần quan trọng bậc nhất trong chế độ dinh dưỡng của loài người cũng như nhiều loài

động vật khác Ngoài sử dụng làm thực phẩm ra, tinh bột còn được dùng trong công nghiệp sản xuất giấy, rượu, băng bó xương Tinh bột được tách ra từ hạt như ngô và lúa mì, từ rễ và củ như sắn, khoai tây, dong là những loại tinh bột chính dùng trong công nghiệp

- Tính chất vật lý và trạng thái thiên nhiên: Tinh bột là chất rắn vô định

hình, màu trắng, không tan trong nước Trong nước nóng từ 65oC trở lên, tinh bột chuyển thành dung dịch keo nhớt, gọi là hồ tinh bột Tinh bột có rất nhiều trong các loại hạt (gạo, mì, ngô, ), củ (khoai, sắn, ) và quả (táo, chuối, ) Hàm lượng tinh bột trong hạt khoảng 80%, trong ngô khoảng 70%, trong củ khoai tây tươi khoảng 20% [14]

- Cấu trúc phân tử: Trong hạt, tinh bột tồn tại dưới các dạng hạt có kích

thước biến đổi từ 0,02 tới 0,12 mm Hạt tinh bột của các loại hạt khác nhau thì có hình dạng khác nhau Hạt tinh bột khoai tây có kích thước lớn hơn cả, còn hạt tinh bột lúa có kích thước nhỏ hơn Khi tác dụng với Iot, tinh bột cho màu rất đặc trưng Phản ứng này dùng để xác định tinh bột

Tinh bột không phải là một chất riêng biệt, nó bảo gồm hai cấu tử là amylose

và amylopectin, các chất này khác hẳn nhau về nhiều tính chất lý học và hóa học Trong tinh bột, tỉ lệ amylose trên amynopectin bằng khoảng ¼ Về cấu tạo hóa học, hai thành phần trên đều có chứa các đơn vị cấu tạo là monosaccarit glucose [3]

Amylose là một chuỗi polyme không phân nhánh, dài khoảng gần 300-1000 gốc glucose, chỉ có liên kết α-1,4-glycoside, có khối lượng phân tử từ vài nghìn đến hơn một triệu Dalton Chuỗi amylose xoắn theo kiểu lò xo, một vòng xoắn có 6 gốc glycose, mỗi gốc tạo thành góc 60o so với gốc phía trước Cấu trúc xoắn được làm bền nhờ liên kết hydrogen giữa các nhóm –OH tự do của các gốc glucose Bên trong vòng xoắn có thể kết hợp với các nguyên tử khác, ví dụ như với Iot, tạo thành màu xanh đặc trưng Khi đun nóng, liên kết hydrogen bị cắt đứt, chuỗi amylose duỗi thẳng, Iot bị tách ra, dung dịch mất màu xanh

Amylopectin có cấu trúc phân nhánh, ngoài liên kết α-1,4-glycoside, còn có

cả liên kết α-1,6-glycoside ở điểm phân nhánh Phân tử bao gồm một nhánh trung

tâm có các liên kết α-1,4-glycoside, từ nhánh này, cứ cách 24 - 30 gốc lại có 1 phân nhánh qua liên kết α-1,6-glycoside Phân tử amylopectin có khối lượng phân tử cao hơn amylose, có thể bao gồm đến một triệu gốc glucose [3]

Hình 1.2 Cấu tạo tinh bột

- Sự phân giải tinh bột: Các liên kết glycoside của tinh bột có thể bị thủy

phân nhờ hệ enzym amylase tạo thành glucose, maltose hay dextrin tùy thuộc vào tính chất của từng enzym

* α – amylase chỉ cắt đứt liên kết α-1,4-glycoside ở giữa chuỗi polysaccarit, không có khả năng cắt đứt nhánh α-1,6-glycoside và tạo ra nhiều dextrin phân tử nhỏ và dextrin phân nhánh chứa liên kết α-1,6-glycoside

* β – amylase cũng chỉ cắt liên kết α-1,4-glycoside nhưng có khả năng cắt từ đầu tận cùng không khử của chuỗi polysaccharide cho sản phẩm chủ yếu là đường maltose và các dextrin chứa mạch nhánh α-1,6-glycoside

* ϒ – amylase đặc biệt được tổng hợp từ vi sinh vật có khả năng cắt đứt cả liên kết α-1,4-glycoside và α-1,6-glycoside tạo ra sản phẩm chủ yếu là glycose và dextrin phân tử nhỏ [3]

Thực tế ngoài enzyme amylase còn có một số enzyme khác có thủy phân tinh bột như dextranase, glycosidase, β – glucosidase, lactase Tuy nhiên hệ enzyme amylase được quan tâm và sử dụng phổ biến hơn

1.4.2 Một số vi sinh vật phân hủy tinh bột và lợi ích thu được khi ứng dụng chúng vào trong quá trình xử lý nước thải chứa nhiều tinh bột

Các vi sinh vật có khả năng phân hủy tinh bột khi chúng có hệ amylase Vi sinh vật phân hủy tinh bột gồm nhiều loại vi khuẩn, xạ khuẩn khác nhau Trong đó

vi khuẩn đóng vai trò quan trọng Bảng 1.3 giới thiệu một số loài vi sinh vật có hệ enzym phân giải tinh bột

Bảng 1.3 Một số vi sinh vât có hệ amylase [12]

1 Asp Awamori

α- amylase β-amylase glucoamylase

glucoamylase

3 Asp.usami

α- amylase β-amylase glucoamylase

Nguồn: Nguyễn Đức Lượng, Công nghệ vi sinh tập 2

Viêc bổ sung vi sinh vật có khả năng phân giải tinh bột sống cao vào chế phẩm sử lý nước thải chứa nhiều tinh bột là hết sức cần thiết, giúp nâng cao hiệu quả xử lý, thân thiện với môi trường và giúp giảm chi phí so với những phương pháp khác [12]

1.4.3 Sự phát triển của vi sinh vật trong các công trình xử lý

Trong các công trình xử lý nước thải, vi sinh vật sẽ phát triển theo 4 giai đoạn Biết được các giai đoạn phát triển của vi sinh vật, ta sẽ biết được khi nào cần loại bỏ bớt vi sinh vật ra khỏi công trình xử lý để hiệu quả xử lý luôn được tối ưu

Bốn giai đoạn phát triển của vi sinh vật:

- Giai đoạn 1(AB): Giai đoạn thích nghi

Thời gian thích nghi ngắn hay dài phụ thuộc vào loại vi sinh vật, bản chất của nước thải và kích thước của bể xử lý Ở giai đoạn này hiệu quả xử lý thấp do vi sinh vật đang thích nghi, chỉ có sự tăng về kích thước tế bào mà không có sự tăng về số lượng Các vi sinh vật hiếu khí có thời gian thích nghi ngắn hơn các vi sinh vật kị khí

- Giai đoạn 2 (BD): Giai đoạn logarit

Vi sinh vật phát triển mạnh, sự phân hủy các hợp chất hữu cơ diễn ra mạnh nhất

Do vậy lượng chất hữu cơ giảm mạnh, cần duy trì tối đa thời gian ở giai đoạn này

- Giai đoạn 3 (DE): Giai đoạn cân bằng

Tốc độ oxi hóa ổn định, không cần cung cấp nhiều oxi, sinh khối vi sinh vật nhiều nhất, lượng hợp chất hữu cơ giảm tối đa

- Giai đoạn 4 (EF): Giai đoạn tự phân của vi sinh vật

Sự phát triển của vi sinh vật tỉ lệ thuận với lượng oxi hóa các hợp chất hữu cơ,

vi sinh vật tự phân hủy làm tăng mật độ ô nhiễm của môi trường lên

Hình 1.3 Đường cong sinh trưởng của vi sinh vật

1.4.4 Ưu thế của phương pháp vi sinh vật

Phương pháp vi sinh vật luôn được ưu tiên trong quá trình xử lý vì:

- Vi sinh vật có kích thước vô cùng nhỏ bé nên diện tích bề mặt của một tập đoàn VSV là rất lớn, do vậy khả năng tiếp xúc với chất cần xử lý cao

X mg/l

- Năng lượng hấp thu và chuyển hóa lớn, vượt xa sinh vật bậc cao Khả năng sinh trưởng và phát triển mạnh, thời gian nhân đôi số lượng tế bào ngắn

- Khả năng thích ứng với môi trường tốt

- Có khả năng kết dính (có màng nhày) nên dễ tách khỏi nước sau quá trình xử

lý Việc tách sinh khối VSV là vô cùng quan trọng trong quá trình xử lý Những VSV có màng nhày, dễ kết dính thì được ứng dụng để xử lý môi trường nhiều

- Kinh tế, an toàn cho con người, không gây ô nhiễm thứ cấp

- Sản phẩm của quá trình xử lý có thể sử dụng làm phân bón hoặc phục vụ chăn nuôi

1.4.5 Bùn hạt hiếu khí

Bùn hạt là tập hợp các sinh khối lơ lửng kết dính lại với nhau tạo thành hạt, là sản phẩm của quá trình phân hủy chất hữu cơ nhờ các vi sinh vật hiếu khí trong điều kiện được cấp khí và các chất nền cần thiết

Bùn hạt trước đây được ứng dụng rộng rãi trong thiết bị phân hủy kỵ khí dòng chảy ngược (UASB), hiện nay đang mở rộng ứng dụng dưới dạng bùn hạt hiếu khí Bùn hạt thường có cấu trúc 3 lớp:

- Lớp trong cùng: Gồm vi khuẩn methanothrix, những tế bào hình thành trung tâm của bùn hạt

- Lớp giữa: Là những vi khuẩn hình gậy của nhóm vi khuẩn sử dụng acetone sinh hydro, nhóm sử dụng hydro

- Lớp ngoài cùng: Nhóm vi khuẩn hình gậy, hình sợi và hình cầu, hỗn hợp vi khuẩn lên men sinh khí hydro

Mỗi cấu trúc bùn hạt là tập hợp các nhóm vi khuẩn khác nhau cần thiết cho quá trình chuyển hóa các hợp chất hữu cơ, thành phần của bùn hạt phụ thuộc vào loại cơ chất

Cơ chế tạo bùn hạt: Quá trình tạo hạt là quá trình các bông bùn kết dính với nhau dưới tác dụng của polyme ngoại bào Lực xáo trộn càng mạnh thì các vi sinh vật càng tiết ra nhiều polyme ngoại bào để kết dính lại với nhau hoặc là sẽ bị rửa

trôi ra ngoài Độ xáo trộn cao tạo điều kiện va chạm tốt và tác động xoáy hình elip làm các hạt được vo tròn, bề mặt mịn có dạng hình cầu, đặc chắc Trong thực tế các giai đoạn hình thành hạt bùn được chia theo cơ chế như sau: Thích nghi, hình thành hạt và trưởng thành Ban đầu hình thành là những viên dạng sợi trong bể phản ứng, bắt đầu phát triển nhanh hơn tạo thành hạt và được gọi là những hạt ban đầu Giai đoạn tương ứng từ lúc bắt đầu cho đến khi hình thành hạt ban đầu gọi là giai đoạn thích nghi Giai đoạn hình thành hạt tương ứng từ những hạt ban đầu đến điểm trưởng thành Dựa vào sự phân loại trên, quá trình hình thành hạt được bắt đầu và sau đó trưởng thành trong bể phản ứng [20,25]

Bùn nuôi trong bể phản ứng theo mẻ SBR là dạng bùn sợi màu nâu, lỏng lẻo Trong thời gian tồn tại, hầu hết bùn trong bể phản ứng biến đổi thành dạng bông Sau 8 tuần, bùn dạng bông ban đầu biến đổi thành bùn hạt Sau một thời gian hoạt động bùn hạt xuất hiện trong khi những bông bùn vẫn chiếm ưu thế trong bể phản ứng Bùn hạt ban đầu hình thành trong bể phản ứng SBR có kích thước nhỏ, và có hình dạng không rõ ràng Những hạt nhỏ phát triển nhanh chóng trong những ngày tiếp theo, kết quả dẫn đến sự lớn lên của hạt Sau thời gian này, bùn trong bể phản ứng gần như hoàn toàn là hạt và quan sát không thấy sinh khối lơ lửng hiện diện [25]

Bùn hạt được hình thành trên môi trường đầy đủ chất dinh dưỡng, các điều kiện vận hành nghiêm ngặt như pH = 6.8 - 7.2, DO phải lớn hơn 2 mg/l, thời gian lưu nước càng ngắn thì khả năng tạo hạt càng cao Thành phần nước trong bùn hạt hiếu khí là 94,3% Thành phần nước trong hạt kỵ khí là 97,2%

Hình 1.4 Màu sắc bùn hạt trưởng thành

Bùn hạt có nhiều ưu điểm hơn bùn hoạt tính truyền thồng những đặc tính của bùn hạt được thể hiện trong hình 1.5 [25]

Hình 1.5 Đặc tính của bùn hạt và bùn hoạt tính truyền thống

* Ưu điểm của bùn hạt

- Mật độ vi sinh vật trong cấu trúc bùn hạt cao

o Bề mặt ngoài rõ ràng, đều đặn

o Tỷ trọng, tính nén cao hơn

o Khả năng lắng tốt

o Khả năng lưu bùn cao

o Khả năng chịu tải hữu cơ và nitrogen cao

o Rời rạc

o Không có hình dạng cố định

o Cấu trúc lỏng lẻo

- Chịu được tải trọng cao

- Kích thước hạt bùn lớn nên có khả năng lắng nhanh

- Ít bị rửa trôi

- Chịu được xốc tải

- Giảm thể tích công trình

- Quá trình thích nghi và tạo mầm hạt xảy ra rất nhanh, ít tốn thời gian

Bùn hạt rất thích hợp cho việc xử lý nguồn nước thải có hàm hượng chất hữu

cơ cao, ngày nay đang được tập trung nghiên cứu mạnh để ứng dụng vào trong quá trình xử lý nước thải

1.5 Xử lý nước thải bằng công nghệ SBR

Ở Việt Nam, việc xử lý nước thải bằng công nghệ truyền thống được áp dụng rộng rãi vì các nguyên nhân chủ yếu là hệ thống vận hành đơn giản, chi phí đầu tư thấp và tâm lý ngại tiếp cận với công nghệ mới Tuy nhiên, hiện nay đã có rất nhiều công nghệ mới được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống xử lý trong sản xuất, sinh hoạt và các hoạt động khác Hiệu quả của chúng mang lại đã được chứng minh qua các công trình thực tế chứ không chỉ trên lý thuyết Một trong những công nghệ tiên tiến thường được áp dụng trong các hệ thống xử lý nước thải ở các nước phát triển

đó là công nghệ xử lý nước thải SBR (Sequency Batch Reator) SBR là bể xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học theo quy trình phản ứng từng mẻ liên tục, diễn ra trong cùng một bể [25]

SBR đã được nghiên cứu từ những năm 1920 và được sử dụng ngày càng rộng rãi trên toàn thế giới Ở Châu Âu, Trung Quốc và Hoa Kỳ, họ đang áp dụng công nghệ này để xử lý nước thải đô thị và nước thải công nghiệp, đặc biệt là trong các khu vực có lưu lượng nước thải thấp và biến động Các khu đô thị, khu nghỉ dưỡng, khu nghỉ mát và một số ngành công nghiệp như sản xuất sữa, bột giấy, thuộc da đang sử dụng công nghệ SBRs để xử lý nước thải Sự cải tiến trong thiết bị và công nghệ, đặc biệt là các thiết bị sục khí và hệ thống điều khiển tự động thì việc lựa chọn SBR là lựa chọn khả thi hơn bể bùn hoạt tính thông thường Một số lý do mà các công trình này được lựa chọn là:

- Tất cả các quá trình xảy ra trong một bể, hàm lượng tổng chất rắn lơ lửng đầu

ra có thể đạt 10mg/l thông qua hiệu quả của việc sử dụng decanter mà không cần đến bể lắng 2

- Trong một chu kỳ xử lý có thể điều chỉnh được 3 điều kiện: hiếu khí, kị khí và thiếu khí trong việc loại bỏ hợp chất hữu cơ Chúng bao gồm quá trình nitrat hóa, phản nitrat hóa và loại bỏ photpho

- Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD) đầu ra có thể đạt được mức 5mg/l, hàm lượng nito tổng cũng có thể đạt được 5 mg/l thông qua quá trình chuyển hóa ammoniac thành nitrat trong điều kiện hiếu khí và chuyển hóa nitrat thành nito trong điều kiện thiếu khí trong cùng một bể Hàm lượng photpho sau cùng củng có đạt được mức nhỏ hơn 2 mg/l nhờ sự kết hợp của xử lý sinh học và các tác nhân hóa học [25]

* Các giai đoạn xử lý bằng SBR:

- Pha làm đầy (Filling): Đưa nước thải đủ lượng đã quy định trước vào bể SBR

và nó bắt đầu các chất ô nhiễm sinh học bị thối rữa

- Pha thổi khí (Reaction): Các phản ứng sinh hóa hoạt động nhờ vào việc cung cấp khí, sinh khối tổng hợp BOD, amoni, nito hữu cơ

- Pha lắng (Settling): Sau khi oxy hóa sinh học xảy ra, bùn được lắng và nước nổi tren bề mặt tạo lớp màng phân cách bùn nước đặc trưng

- Pha rút nước (Discharge): Nước nổi lên trên bề mặt sau thời gian lắng (nước đầu ra đã xử lý) được tháo khỏi bể SBR mà khong có cặn nào theo sau

Hình 1.6 Các pha trong chu trình hoạt động của SBR

* Ưu điểm và nhược điểm của công nghệ SBR:

+ Ưu điểm:

– Không cần bể lắng và tuần hoàn bùn

– Trong pha làm đầy bể SBR đóng vai trò như bể cân bằng vì vậy bể SBR có thể chịu dựng được tải trọng cao và sốc tải

– Có thể hạn chế được sự phát triển của vi khuẩn sợi thông qua việc điều chỉnh tỉ số F/M và thời gian thổi khí trong quá trình làm đầy

– Ít tốn diện tích đất xây dựng do các quá trình cân bằng cơ chất, xử lý sinh học và lắng được thực hiện trong cùng một bể

– Dễ dàng bảo trì, bảo dưỡng thiết bị (các thiết bị ít) mà không cần phải tháo nước cạn bể Chỉ tháo nước khi bảo trì các thiết bị như: cánh khuấy, motor, máy thổi khí, hệ thống thổi khí

– Hệ thống có thể điều khiển hoàn toàn tự động – TSS đầu ra thấp, hiệu quả khử photpho, nitrat hóa và khử nitrat hóa cao – Ít tốn diện tích do không có bể lắng 2 và quá trình tuần hoàn bùn

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng nghiên cứu

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu

- Nước thải làng nghề sản xuất bún Phú Đô

- Các chủng vi sinh vật tham gia vào quá trình làm sạch nước thải chế biến tinh bột được phân lập từ rãnh nước thải ở các làng nghề chế biến tinh bột

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)

- Cân phân tích (Nhật)

- Lò vi sóng

- Ống đong: 100ml, 500ml

- Cốc đong: 200ml, 1lit, 2 lit

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

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

2.1.3 Môi trường

Môi trường dinh dưỡng sử dụng để phân lập, nuôi cấy, và thử các hoạt tính hoá

lý của các chủng vi sinh vật sử dụng trong nghiên cứu: MPA, tinh bột sống, tinh bột chín,…

2.2 Phương pháp nghiên cứu

2.2.1 Phương pháp lấy mẫu nước thải

Mẫu được lấy ở các mương nước thải tại các làng nghề chế biến tinh bột Các mẫu được phân tích ngay sau khi đưa về phòng thí nghiệm, thời gian lưu mẫu không quá 48 giờ

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

Tốc độ tích lũy sinh khối của vi sinh vật được xác định bằng phương pháp đo mật độ quang (OD560nm) của dịch nuôi cấy trên máy quang phổ kế Sinh khối của

VK được xác định bằng kết quả đo OD của dịch nuôi cấy so với môi trường nuôi cấy ban đầu

2.2.3 Phương pháp phân lập vi sinh vật

Bước 1: Chuẩn bị môi trường và dụng cụ

+ Môi trường: Môi trường tinh bột sống và môi trường tinh bột chín

+ Bình pha loãng: Bình tam giác 250 ml, mỗi bình chứa 90 ml nước máy

+ Ống pha loãng: Mỗi ống chứa 9 ml nước muối sinh lý

Môi trường, bình và ống pha loãng sau đó được đem khử sạch trong nồi khử trùng thời gian 15 phút, nhiệt độ 121oC và áp suất 1 atm Môi trường sau khi đã vô trùng được đem đổ vào các đĩa petri vô trùng với một lượng phù hợp

Bước 2: Xác định thành phần và số lượng vi sinh vật theo phương pháp pha

loãng tới hạn

+ Lấy 1ml nước thải cho vào ống nghiệm chứa 9ml nước đã thanh trùng, lắc cho mẫu tan đều