Khả năng sinh chất kết tụ sinh học của chủng vi khuẩn klebsiella sp BF2 phân lập từ mẫu nước sông chà và

Các chất kết tụ này có khả năng xử lý chất rắn lơ lửng là nguyên nhânchính gây ra vấn đề ô nhiễm môi trường nước hiện nay, đây là một giải pháp an toàn vàthân thiện do khả năng tự phân h

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP

Đề tài: Khả năng sinh chất kết tụ sinh học của chủng vi khuẩn

Klebsiella sp.BF2 phân lập từ mẫu nước sông Chà Và

TÓM TẮT

Đề tài “Khả năng sinh chất kết tụ sinh học của chủng vi khuẩn Klebsiella sp.BF2

phân lập từ mẫu nước sông Chà Và” dưới sự hướng dẫn của TS Nguyễn Ngọc Tuấn,

đề tài được thực hiện tại phòng thí nghiệm trường Đại học Tôn Đức Thắng thành phố

Hồ Chí Minh từ tháng 4 năm 2018 đến tháng 11 năm 2018 Mục đích của đề tài là tối

ưu hóa các điều kiện sinh chất kết tụ sinh học từ vi khuẩn đã được phân lập từ nướcsông Chà Và Các chất kết tụ này có khả năng xử lý chất rắn lơ lửng là nguyên nhânchính gây ra vấn đề ô nhiễm môi trường nước hiện nay, đây là một giải pháp an toàn vàthân thiện do khả năng tự phân hủy sinh học của chúng, so với việc sử dụng chất kết tụ

vô cơ và hữu cơ gây ra nguy hại về sức khỏe

Những nội dung nghiên cứu:

• Khảo sát điều kiện nuôi cấy ảnh hưởng đến khả năng sinh chất kết tụ sinh học xácđịnh thông qua hoạt tính keo tụ của chủng vi khuẩn khảo sát

• Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính keo tụ

• Định danh chủng vi khuẩn khảo sát

• Thử nghiệm khả năng keo tụ và xác định COD trong thực tế với mẫu là nước thảisinh hoạt từ các khu dân cư và nước thải dệt nhuộm từ phòng thí nghiệm Đại họcTôn Đức Thắng

Sau quá trình nghiên cứu kết quả thu được:

tụ cao nhất Tối ưu hóa: nồng độ 5 mg/L; pH 3,23; nồng độ Ca2+

2,42%; nhiệt độ 30oC cho hoạt tính keo tụ 94,89 %

Thành phần hóa học

chất kết tụ

75,8% polysaccharide; 19,1% protein; 1,9% acid nucleic.Phân tích FTIR cho thấy sự hiện diện của carboxyl, nhóm hydroxyl, methoxyl và amin chịu trách nhiệm chính về sự kết tụ Thành phần chính trong chất kết tụ BF34 là

COD 53,1 giảm 25,6 (mg/L); hoạt tính keo tụ 66,72%

 Khu vực khu dân cư ấp Bình Trường – huyện Cần GiờCOD 43,5 giảm còn 22,4 (mg/L); hoạt tính keo tụ 70,32%

 Nước thải dệt nhuộm: hoạt tính keo tụ 67,96%

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

TÓM TẮT iii

MỤC LỤC v

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ix

DANH MỤC BẢNG x

DANH MỤC HÌNH, ĐỒ THỊ x

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu 2

1.3 Ý nghĩa 2

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 3

2.1 Các khái niệm cơ bản về nước và nước thải 3

2.1.1 Nước tự nhiên 3

2.1.2 Nước thải 5

2.2 Các tính chất của nước thải 6

2.2.1 Tính chất vật lý 6

2.2.2 Tính chất hóa học 9

2.2.3 Tính chất sinh học 11

2.3 Phương pháp kết tụ xử lý nước thải 12

2.4 Chất kết tụ vô cơ 14

2.5 Chất kết tụ hữu cơ 14

2.6 Chất kết tụ tự nhiên 15

2.6.1 Chitosan 16

2.6.2 Sodium alginate 16

2.6.3 Tannin 17

2.6.4 Cellulose 17

2.7 Chất kết tụ sinh học từ vi sinh vật 17

2.7.1 Cơ chế keo tụ 18

2.7.2 Các tính chất quan trọng của chất kết tụ sinh học 21

2.7.3 Các ứng dụng khác của chất kết tụ sinh học từ vi sinh vật 22

2.7.4 Nguồn phân lập và các yếu tố ảnh hưởng đến việc sản xuất chất kết tụ sinh học .24

2.7.5 Ưu và nhược điểm của các loại chất kết tụ 31

CHƯƠNG 3: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 33

3.1 Thời gian và địa điểm tiến hành thí nghiệm 33

3.2 Vật liệu thí nghiệm 33

3.2.1 Đối tượng nghiên cứu 33

3.2.2 Hóa chất 33

3.2.3 Thiết bị 33

3.2.4 Môi trường nuôi cấy 34

3.3 Phương pháp nghiên cứu 34

3.4 Các phương pháp hóa lý – vi sinh sử dụng trong nghiên cứu 36

3.4.1 Phương pháp bảo quản giống 36

3.4.2 Phương pháp quan sát hình thái vi sinh vật 36

3.4.3 Phương pháp khảo sát khả năng keo tụ với kaolin 37

3.4.4 Khảo sát đường cong tăng trưởng bằng phương pháp đo độ đục 38

3.4.5 Tinh sạch chất keo tụ 40

3.4.6 Xác định thành phần chất keo tụ 40

3.5 Phương pháp khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng sinh chất kết tụ sinh học

44

3.5.1 Khảo sát nguồn carbon, nito 44

3.5.2 Khảo sát nồng độ Glucose, Ure 45

3.6 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính keo tụ 45

3.6.1 Khảo sát nồng độ chất kết tụ 45

3.6.2 Khảo sát sự ảnh hưởng nhiệt độ 45

3.6.3 Khảo sát ảnh hưởng pH 45

3.6.4 Khảo sát sự ảnh hưởng của ion kim loại 46

3.6.5 Tối ưu hóa các yếu tố pH, nồng độ mẫu, nồng độ Ca2+ tác động đến hoạt tính keo tụ 46

3.6.6 Khảo sát cơ chế tạo tụ, quan sát sơ bộ hình ảnh tạo tụ 46

3.7 Ứng dụng chế phẩm keo tụ 47

3.7.1 Xác định COD theo phương pháp kali pemanganat 47

3.7.2 Xử lý nước thải sinh hoạt 47

3.7.3 Xử lý nước thải dệt nhuộm 48

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 49

4.1 Kiểm tra sơ bộ hình thái vi khuẩn BF34 49

4.2 Kết quả khảo sát ảnh hưởng môi trường nuôi cấy đến hoạt tính keo tụ 49

4.2.1 Khảo sát ảnh hưởng nguồn Carbon, Nito 49

4.2.2 Khảo sát ảnh hưởng nồng độ Glucose, Ure 53

4.3 Kết quả khảo sát đường cong tăng trưởng và hoạt tính keo tụ 56

4.4 Kết quả tinh sạch chất keo tụ sinh học 57

4.5 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính keo tụ của chế phẩm tinh sạch 57

4.5.1 Kết quả khảo sát nồng độ chất keo tụ 57

4.5.2 Kết quả ảnh hưởng của nhiệt độ đến hoạt tính chất keo tụ 59

4.5.3 Kết quả ảnh hưởng của giá trị pH 62

4.5.4 Ảnh hưởng ion kim loại 64

4.5.5 Kết quả khảo sát nồng độ ion Ca2+ 66

4.5.6 Tối ưu hóa các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính keo tụ 68

4.5.7 Khảo sát các liên kết trong chất keo tụ sinh học BF34 72

4.6 Kết quả định tính các thành phần chất keo tụ 76

4.7 Định lượng các thành phần trong chất keo tụ sinh học 77

4.8 Kết quả định danh vi khuẩn BF34 80

4.8.1 Sơ lược về chủng vi khuẩn Klebsiella pneumoniae 80

4.8.2 Sơ đồ phân loài 81

4.9 Ứng dụng chế phẩm keo tụ BF34 82

4.9.1 Nước thải sinh hoạt 82

4.9.2 Nước thải dệt nhuộm 83

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 87

5.1 Kết luận 87

5.2 Kiến nghị 88

TÀI LIỆU THAM KHẢO 89

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

WHO: World Health Organization (Tổ chức Y tế Thế giới)

UNICEF: United Nations Children's Fund (Quỹ Nhi đồng Liên Hiệp Quốc)BOD: Biochemical oxygen Demand (Nhu cầu oxy sinh hóa)

COD: Chemical Oxygen Demand (Nhu cầu oxy hóa học)

DO: Dissolved oxygen (Oxy hòa tan)

TSS: Turbidity & suspendid solids (Tổng chất rắn lơ lửng)

VSS: Volatile Suspended Solid (Chất rắn lơ lửng dễ bay hơi)

TDS: Total Dissolved Solid (Tổng chất rắn hòa tan)

UV – Vis: Ultraviolet – Visible (Vùng tử ngoại – khả kiến)

FA: Flocculating active (Hoạt tính keo tụ)

OD: Optical density

EBFs: Extracellular biopolymeric flocculants

BBSM: Basal Bioflocculant Selection Medium

FTIR : Flourier transform infrared spectroscopy

RSM: Response surface methodology

ANOVA: Analysis of Variance

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Thành hóa học trong nước tự nhiên 4

Bảng 2.2 Thành phần hợp chất mùi có trong nước thải 8

Bảng 2.3 Ứng dụng chất kết tụ sinh học từ vi khuẩn 23

Bảng 2.4 Điều kiện nuôi cấy tối ưu, thành phần hóa học và hoạt tính tạo tụ của chất kết tụ sinh học 29

Bảng 2.5 Ưu nhược điểm các loại chất kết tụ 31

Bảng 3.1 Các bước thực hiện khảo sát đường cong tăng trưởng 38

Bảng 3.2 Các bước dựng đường chuẩn D-glucose 41

Bảng 3.3 Các bước dựng đường chuẩn BSA 42

Bảng 4.1 Kết quả khảo sát nguồn carbon 49

Bảng 4.2 Kết quả khảo sát nguồn Nito 51

Bảng 4.3 Kết quả khảo sát nồng độ glucose 53

Bảng 4.4 Kết quả khảo sát nồng độ ure 55

Bảng 4.5 Khảo sát sự ảnh hưởng nồng độ chất keo tụ sinh học lên hoạt tính keo tụ 58

Bảng 4.6 Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ theo thời gian lên hoạt tính tạo tụ 59

Bảng 4.7 Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ sau 20 phút 61

Bảng 4.8 Khảo sát ảnh hưởng của pH đến hoạt tính tạo tụ 62

Bảng 4.9 Khảo sát ảnh hưởng của ion kim loại đến hoạt tính tạo tụ 64

Bảng 4.10 Khảo sát ảnh hưởng nồng độ Ca2+ đến hoạt tính tạo tụ 66

Bảng 4.11 Tối ưu hóa các điều kiện ảnh hưởng hoạt tính keo tụ 68

Bảng 4.12 Khảo sát các liên kết trong chất keo tụ sinh học BF34 72

Bảng 4.13 Kết quả định lượng polysaccharide 78

Bảng 4.14 Kết quả định lượng protein tổng 79

Bảng 4.15 Kết quả định lượng acid nucleic 79

Bảng 4.16 Kết quả xử lý nước thải 82

Bảng 4.17 Kết quả xử lý mẫu kaolin và nước thải dệt nhuộm 83

Bảng 4.18 Các nhóm chức năng trong công thức cấu tạo thuốc nhuộm 85

DANH MỤC HÌNH, ĐỒ THỊ Hình 2.1 Phân loại chất keo tụ 13

Hình 2.2 Keo tụ bằng cơ chế cầu nối 19

Hình 2.3 Keo tụ theo cơ chế trung hòa điện tích 20

Hình 3.1 Sơ đồ khảo sát hoạt tính keo tụ của chủng vi sinh vật sông Chà Và 35

Hình 3.2 Sơ đồ thu chế phẩm EBFs tinh khiết 40

Hình 4.1 Hình ảnh chủng vi khuẩn BF34 49

Hình 4.2 Ảnh hưởng nguồn carbon đến hoạt tính keo tụ và sinh trưởng vi sinh vật 50

Hình 4.3 Ảnh hưởng nguồn nito đến hoạt tính keo tụ và sinh trưởng vi sinh vật 52

Hình 4.4 Ảnh hưởng nồng độ glucose đến hoạt tính keo tụ và sinh trưởng vi sinh vật.54 Hình 4.5 Ảnh hưởng nồng độ ure đến hoạt tính keo tụ và sinh trưởng vi sinh vật 55

Hình 4.6 Đường cong tăng trưởng và đường cong hoạt tính tạo tụ 56

Hình 4.7 Khảo sát ảnh hưởng nồng độ chất keo tụ 58

Hình 4.8 Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ và độ bền của chế phẩm lên hoạt tính tạo tụ 61

Hình 4.9 Khảo sát ảnh hưởng của pH đến hoạt tính tạo tụ 63

Hình 4.10 Khảo sát ảnh hưởng của ion kim loại đến hoạt tính tạo tụ 65

Hình 4.11 Khảo sát ảnh hưởng nồng độ Ca2+ đến hoạt tính tạo tụ 67

Hình 4.12 Biểu đồ thể hiện ảnh hưởng của pH và Ca2+ lên hoạt tính keo tụ 69

Hình 4.13 Biểu đồ thể hiện ảnh hưởng của pH và nồng độ mẫu lên hoạt tính keo tụ 70 Hình 4.14 Biểu đồ thể hiện ảnh hưởng của nồng độ mẫu và Ca2+ lên hoạt tính keo tụ 70

Hình 4.15 Biểu đồ thể hiện kết quả sau khi tối ưu hóa trên lý thuyết 71

Hình 4.16 Kết quả keo tụ sau khi tối ưu hóa 71

Hình 4.17 Khảo sát các liên kết trong chất keo tụ sinh học BF34 73

Hình 4.18 Hình ảnh quan sát dưới kính hiển vi ở các điều kiện khảo sát 73

Hình 4.19 Kết quả chụp FTIR của chất kết tụ BF34 76

Hình 4.20 Đường chuẩn định lượng protein theo phương pháp phenol – sulfuric 77

Hình 4.21 Đường chuẩn định lượng protein theo phương pháp Bradford 78

Hình 4.22 Sơ đồ phân loài vi khuẩn BF34 81

Hình 4.23 Hình ảnh quan sát mẫu thuốc nhuộm chưa xử lý 83

Hình 4.24 Hình ảnh quan sát mẫu thuốc nhuộm đã xử lý chất kết tụ BF34 84

Hình 4.25 Hình ảnh mẫu nước thải dệt nhuộm trước và sau xử lý với BF34 84

Hình 4.26 Công thức cấu tạo thuốc nhuộm Procien Green 85

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề

Nước là một trong những thành phần quan trọng cần thiết cho sự sống Lượngnước dồi dào trên trái đất là một yếu tố duy nhất phân biệt hành tinh này với nhữnghành tinh khác Tuy nhiên, sự đô thị hóa không theo quy hoạch và xuất hiện các khucông nghiệp và nhà máy đã làm gia tăng tình trạng ô nhiễm nước và môi trường trầmtrọng Theo WHO / UNICEF (2000), khoảng 70 – 80% bệnh tật ở các nước đang pháttriển có liên quan đến việc tiêu thụ nguồn nước bị ô nhiễm, bên cạnh đó còn gây nguyhại đối với động vật thủy sinh Từ đó việc nghiên cứu tìm ra các phương pháp xử lýnước an toàn và hiệu quả đang là một vấn đề thách thức và cấp bách nhất hiện nay Ngày nay đa số quy trình xử lý nước của các khu công nghiệp điều áp dụngphương pháp đông tụ/ keo tụ để xử lý các chất rắn lơ lửng trong như chất kết tụ vô cơ(aluminium chloride, ferric chloride) và chất kết tụ hữu cơ (polyacrylamide,polyethylene amin) Hiệu quả chúng mang lại rất cao, loại bỏ gần như hoàn toàn cácchất gây ô nhiễm trong nước nhưng lại gây hại đối với môi trường do khó phân hủy,nguy hiểm hơn là gây ung thư và là chất độc đối với hệ thần kinh cụ thể là bệnhAlzheimer do thành phần có chứa nhôm Việc sản xuất của chất kết tụ tự nhiên nhưchitosan, cellulose, tannin, … an toàn, hiệu quả nhưng chi phí cao không có tính kinh

tế Khắc phục những nhược điểm trên việc ra đời của chất kết tụ sinh học EBFs(extracellular biopolymeric flocculants) từ vi sinh vật mang lại hiệu quả keo tụ rất cao,

an toàn thân thiện với môi trường với đặc tính rất dễ phân hủy, không gây ô nhiễm thứcấp Điều này mang đến triển vọng lớn và được nghiên cứu trong những năm gần đây

Từ đó việc thực hiện đề tài “Khả năng sinh chất kết tụ sinh học của chủng vi

khuẩn Klebsiella sp.BF2 phân lập từ mẫu nước sông Chà Và” nhằm tối ưu hóa các

điều kiện sinh chất kết tụ sinh học, từ đó làm tăng hoạt tính keo tụ ứng dụng vào thựctế.

1.2 Mục tiêu

• Khảo sát điều kiện nuôi cấy ảnh hưởng đến khả năng sinh chất kết tụ sinh học xácđịnh thông qua hoạt tính keo tụ của chủng vi khuẩn khảo sát

• Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính keo tụ

• Định danh chủng vi khuẩn khảo sát

• Thử nghiệm khả năng keo tụ và COD trong thực tế với mẫu là nước thải sinh hoạt

từ các khu dân cư, và nước thải dệt nhuộm từ phòng thí nghiệm Đại học Tôn ĐứcThắng

1.3 Ý nghĩa

Đưa ra giải pháp hiệu quả trong việc xử lý nước so với các phương pháp xử lýtrước đây, bên cạnh đó chất keo tụ sinh học được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khácnhư mỹ phẩm, phụ gia thực phẩm, chất tẩy rửa, về mặt y tế ứng dụng tiêu biểu như cácđặc tính kháng virus, kháng viêm, chống ung thư

Nước là nguồn tài nguyên vô cùng quan trọng cho tất cả các sinh vật trên trái đất,nếu thiếu nước thì chắc chắn không có sự sống xuất hiện Từ xưa, con người đã biếtđến vai trò quan trọng của nước, các nhà khoa học cổ đại đã xem nước là thành phần

cơ bản của vật chất và quá trình phát triển của xã hội loài người Nước bao phủ 71%diện tích trái đất, trong đó có 97% là nước mặn, còn lại là nước ngọt, giữ vai trò chokhí hậu tương đối ổn định và pha loãng các yếu tố gây ô nhiễm môi trường, là thànhphần cấu tạo chính trong tế bào cơ thể sinh vật, chiếm từ 50% - 97% trọng lượng cơthể Đây là một khoáng sản đặc biệt vì nó tàng trữ một nguồn năng lượng và hòa tannhiều vật chất có thể khai thác và phục vụ nhiều mặt cho con người [8]

2.1.1 Nước tự nhiên

Nước tự nhiên là nước mà chất lượng và số lượng của nó được hình thành dướiảnh hưởng của quá trình tự nhiên, không có sự tác động của con người Nước tự nhiênbao gồm: nước ngầm, nước mặt và nước biển

dạng động (chảy) như sông, suối, kênh, rạch và dạng tĩnh chảy chậm như ao, hồ,đầm, … Nước mặt có nguồn gốc chính là nước chảy tràn do mưa hoặc có thể từnước ngầm chảy ra do áp suất cao hay dư thừa độ ẩm trong đất như dư thừa trongcác tầng nước ngầm

• Nước ngầm: tồn tại ở các tầng trong lòng đất, chất lượng nước phụ thuộc vào một

loạt yếu tố: chất lượng nước mưa, thời gian tồn tại, bản chất lớp đất đá nước thấmqua

Thông thường nước ngầm chứa ít tạp chất hữu cơ và vi sinh vật, giàu ion vô cơ.Nước ngầm ở các vùng khác có thành phần khác nhau [10] Đây là nguồn tài nguyên

quý giá cung cấp cho vùng đô thị, khu công nghiệp, tưới tiêu thủy lợi, đặc biệt là vùngtrồng cây công nghiệp.

• Nước biển: nước biển tương đối đồng đều về thành phần, đặc biệt là chứa rất nhiều

NaCl, vì vậy được gọi là nước mặn Khoảng ¾ bề mặt Trái Đất được che phủ bởinước biển Thành phần chủ yếu của biển là các ion Cl-, SO42-, CO32-, SiO32-, Na+,

Ca2+, Mg2+ Biển đóng vai trò quan trọng trong chu trình tuần hoàn nước toàn cầu[11]

Bảng 2.1 Thành hóa học trong nước tự nhiên [10]

123456789

8611415258

4536271

Các nguyên tố vi lượng Nồng độ L μg/ Nồng độ L μg/

Bo (B)

Silic (Si)

45005000

21

1013100

153

100230201206707

1211131814916

2.1.2 Nước thải

Nước thải là nước đã dùng trong sản xuất, sinh hoạt hoặc chảy qua khu vực đất ônhiễm Phụ thuộc vào điều kiện tác động, nước thải được chia thành nước thải sinhhoạt, nước thải công nghiệp và nước thải khí quyển

Ngày nay, dân số gia tăng nhanh chống quá trình công nghiệp hóa và đô thị hóangày càng mạnh mẽ, dẫn đến nhu cầu sử dụng nước rất lớn, trong khi đó nguồn tàinguyên nước lại không tăng lên, điều này đã làm suy giảm nghiêm trọng chất lượngnước [11]

Thông thường người ta phân loại nước thải theo nguồn gốc phát sinh, đây là cở sở

để lựa chọn biện pháp và công nghệ xử lý nước Theo cách phân loại này có các loạinước thải sau:

 Nước thải sinh hoạt: là nước thải phát sinh từ các hoạt động sinh hoạt của cộng

đồng dân cư như khu vực đô thị, trung tâm thương mại, khu vực vui chơi giảitrí, khu vực công sở Nước thải sinh hoạt hộ gia đình chia làm hai loại chính lànước đen và nước xám [10]

Nước đen là nước thải từ nhà vệ sinh chứa phần lớn các chất ô nhiễm, chủ yếu làchất hữu cơ các vi sinh vật gây bệnh và cặn lơ lửng

Nước xám là nước phát sinh từ quá trình rửa, tắm, giặt với các thành phần cácchất ô nhiễm không đáng kể Các thành phần ô nhiễm chính đặc trưng thường thấynước thải sinh hoạt là BOD, COD, nito, phospho.

• Nước thải khí quyển: được hình thành do mưa và chảy ra từ đồng ruộng Chúng bị

nhiễm bởi các chất hữu cơ và vô cơ khác nhau Nước trôi qua khu vực dân cư, khusản xuất công nghiệp có thể cuốn theo chất rắn, dầu mỡ, vi khuẩn, … Còn nướcchảy ra từ đồng ruộng mang theo chất rắn, thuốc sát trùng, phân bón Nước mưachảy qua các khu vực rừng mang theo các chất hữu cơ động vật, chất rắn lơ lửng doxối mòn đất [4]

• Nước thải công nghiệp: xuất hiện khi khai thác và chế biến nguồn nguyên liệu hữu

cơ và vô cơ Trong sản xuất công nghiệp, nước được sử dụng như nguyên liệu,phương tiện sản xuất, được sử dụng để gia nhiệt hoặc làm nguội thiết bị, làm sạchbụi và khí độc hại Ngoài ra còn được sử dụng để vệ sinh công nghiệp cho nhu cầutắm rửa, ăn uống của công nhân Nhu cầu về cấp nước và lượng nước thải phụthuộc vào nhiều yếu tố: loại hình, công nghệ sản xuất và thành phần nguyên vật liệu

… [4]

• Nước thải đô thị: là một thuật ngữ chung chỉ chất lỏng trong hệ thống cống thoát

nước của thành phố, đó là hỗn hợp các loại nước thải trên [10]

2.2 Các tính chất của nước thải

Nước thải chứa rất nhiều loại hợp chất khác nhau, với số lượng và nồng độ cũngthay đổi rất khác nhau Có thể phân loại tính chất nước thải như sau:

2.2.1 Tính chất vật lý

Tính chất vật lý của nước thải được xác định dựa trên các chỉ tiêu: các chất rắn,

độ đục, màu sắc, mùi vị, nhiệt độ [118]

• Các chất rắn: hầu hết các chất ô nhiễm trong nước thải có thể xem là chất rắn Mục

đích của công việc xử lý nước thải là nhằm loại bỏ các chất rắn hoặc chuyển chúngsang dạng ổn định hơn và dễ xử lý Các chất rắn có thể được phân loại dựa vàothành phần hóa học của chúng (hữu cơ hay vô cơ), hoặc bởi các đặc tính vật lý (cóthể lắng đọng, nổi trên mặt nước, hay ở dạng keo)

Các chất rắn hữu cơ: bao gồm C, H, O, N và có thể được chuyển thành CO2 và

Các chất rắn tan: loại chất rắn này sẽ đi qua được các bể lọc và cũng được phânloại thành: tổng hàm lượng các chất rắn tan được (TDS), các chất rắn tan dễ bay hơi vàchất tan cố định

thường không có màu, nước thải mới có màu hơi nâu sáng, tuy nhiên nhìn chungmàu nước thải thường là màu xám có vẩn đục Màu sắc của nước thải sẽ bị thay đổiđáng kể nếu như nó bị nhiễm khuẩn, khi đó nước thải sẽ có màu đen tối

• Độ đục: một trong những đặc điểm dễ nhận biết về sự ô nhiễm của nước, đó chính

là độ trong của nước, được xác định thông qua độ đục Độ đục của nước có được là

do sự tồn tại các chất lơ lửng trong nước, như tảo, các vi sinh vật, đất sét, bọt xàphòng, các chất tẩy rửa,…Phương pháp thường sử dụng để đo độ đục trong xử lýnước thải là phương pháp UV – Vis

• Mùi: dấu hiệu của mùi rất quan trọng trong việc đánh giá và chấp nhận hệ thống

nước thải của xí nghiệp Nước có mùi là do các nguyên nhân: chất hữu cơ từ cốngrãnh khu dân cư, xí nghiệp chế biến thực phẩm, công nghiệp hóa chất, chế biến dầu

mỡ, các sản phẩm phân hủy cây cỏ, rong tảo, động vật, …Mặc dù tương đối vô hại(khi hàm lượng nhỏ), nhưng mùi có thể gây cảm giác khó chịu, buồn nôn Thôngthường mùi có được là tổng hợp nhiều loại chất khác nhau Khi độ nhiễm bẩn chấthữu cơ không quá lớn, quá trình phân hủy hiếu khí xảy ra chủ yếu và mạnh (khinước có đầy đủ oxy thì cường độ mùi thấp) Ngược lại khi trong nước không có oxycác chất hữu cơ trung gian được tạo ra do quá trình phân hủy kỵ khí tạo thành cácchất có mùi trong nước được giới thiệu trong bảng sau:

Bảng 2.2 Thành phần hợp chất mùi có trong nước thải [1]

Thịt thốiHăng nồngCay xé

• Nhiệt độ: nhiệt độ của nước thải thường cao hơn so với nhiệt độ của nguồn nước

sạch ban đầu, bởi vì có sự gia nhiệt vào nước từ các đồ dùng trong gia đình các máymóc thiết bị công nghiệp Tuy nhiên, chính những dòng nước thấm qua đất vàlượng nước mưa đổ xuống mới là nhân tố làm thay đổi một cách đáng kể nhiệt độcủa nước Khi nhiệt độ của nước tăng lên sẽ ảnh hưởng đến khả năng hòa tan oxytrong nước, tốc độ hoạt động của các vi khuẩn trong nước thải, …

2.2.2 Tính chất hóa học

Tính chất hóa học của nước thải thường bao gồm tính chất của: các hợp chất hữu

cơ và các hợp chất vô cơ

Các hợp chất hữu cơ: protein, dầu mỡ, carbohydrat và các chất tẩy rửa, chất bảo

vệ thực vật [3]:

• Protein: thực chất là các hợp chất hữu cơ chứa nito với khối lượng phân tử lớn,

protein tồn tại dạng chủ yếu là proline, được cấu thành từ các amino acid, ngoài rathành phần của nó còn chứa các nguyên tố: carbon, hydro, oxy, lưu huỳnh, phospho

và nito Protein được xác định là thành phần chủ yếu có trong nước thải chăn nuôi.Khi protein hiện diện trong nước thải sẽ xảy ra mạnh mẽ và gây mùi khó chịu

như: dầu hỏa, chloroform, ete Chất béo và dầu trong nước thải đô thị có nguồn gốc

từ bơ, mỡ lợn, các thức ăn làm từ mỡ động vật, dầu thực vật Chúng là một trongnhững chất hữu cơ ổn định nhất và không dễ bị phân hủy bởi các vi sinh vật Nướcthải chứa thành phần dầu mỡ cao có thể gây ảnh hưởng cho quá trình xử lý

• Carbohydrat: đây là hợp chất tồn tại phổ biến trong tự nhiên và cũng được phát hiện

là có nhiều trong nước thải Chúng gồm các chất hữu cơ như: tinh bột, cellulose,đường, và chất xơ với thành phần chính là C, H, O Đường có thể tan trong nướctrong khi tinh bột không thể hòa tan được Sản phẩm cuối của quá trình phân hủycarbohydrat trong điều kiện không có oxy là các acid hữu cơ, rượu và các chất khí(CO2, H2S, …) Sự hình thành một lượng lớn các acid hữu cơ có thể ảnh hưởng đếnquá trình xử lý nước thải (làm giảm pH, giảm hoạt tính hoạt động của các vi sinhvật, …)

• Các chất tẩy rửa: ít tan trong nước và có thể gây ra hiện tượng nổi bọt trong các

nhà máy xử lý nước thải Các chất tẩy rửa còn làm giảm khả năng hòa tan oxy trongcác quá trinh xử lý sinh học

• Các chất bảo vệ thực vật: là các hợp chất hữu cơ thường độc với sâu hại, cây trồng

và khá bền trong môi trường Chúng tích lũy và tồn lưu gây ô nhiễm, gây độc cảcho người và động vật Các chất đó là các hợp chất phosphor hữu cơ, clo hữu cơ,cacbamat, phenoxy acetic Chúng tích tụ khó phân hủy và gây ô nhiễm nước [16]

Các hợp chất vô cơ: độ pH, độ kiềm, clo, nito, phospho, lưu huỳnh, các hợp chất

vô cơ độc và kim loại nặng [10]

• Độ pH: của nước hay nước thải được xác định thông qua nồng độ ion H+ pH = 7cho biết môi trường trung tính, pH thấp (<5) cho biết môi trường ở điều kiện acid

và pH cao (>9) là môi trường base Tính acid của nước là một trong những nguyênnhân gây nhiễm bẩn môi trường nước, do các trầm tích thường giải phóng độc chấttrong môi trường acid

• Độ kiềm: đặc trưng cho khả năng trung hòa acid, thường là độ kiềm bicarbonat,

carbonat, hydroxyd Độ kiềm thực chất là môi trường đệm (để giữ pH trung tính)của nước thải thường trong suốt quá trình xử lý sinh hóa

• Clo: tồn tại trong nước và nước thải chủ yếu dạng ion Cl- Nồng độ Clo trong nướcthải thường cao hơn trong nước nguyên chất.

• Nito: trong nước thải đô thị, các hợp chất chứa nito là sản phẩm của quá trình phân

hủy sinh học của protein Nito thường tồn tại các dạng: N hữu cơ, N-NH3, N-NO2,N-NO3, N hữu cơ thường gồm các thành phần tự nhiên như peptide, protein, acidnucleic và một lượng lớn chất hữu cơ tổng hợp N-NH3 là thành phần tự nhiên cótrong nước thải, nó là sản phẩm đầu tiên của quá trình phân hủy của các hợp chấthữu cơ chứa N và quá trình thủy phân của ure N-NO2 là sản phẩm trung gian củaquá trình oxy hóa nito, có thể thâm nhập vào môi trường nước do việc sử dụng cácchất ức chế sự ăn mòn dùng trong nông nghiệp N-NO3 là kết quả của quá trình oxyhóa amoni Sự hiện diện của nito trong nước thải là cần thiết để đánh giá hiệu quả

xử lý nước thải bằng quá trình sinh học

• Phospho: là chất dinh dưỡng cần thiết cho tất cả tế bào sống và là thành phần tự

nhiên của nước thải Dạng tồn tại chính của nó là phosphate – muối của acidphosphoric

• Lưu huỳnh: là nguyên tố cần thiết cho tổng hợp protein Các ion SO4-2 thường hiệndiện trong nước cấp và cả nước thải Sulfate bị biến đổi sinh học thành sulfite, sau

đó có thể kết hợp với hydro tạo thành H2S là độc chất đối với động thực vật

• Các hợp chất gây độc: các chất này độc với hệ vi sinh vật và ảnh hưởng đến quá

trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học

chúng cũng ảnh hưởng không tốt cho quá trình xử lý nước thải bằng phương phápsinh học

2.2.3 Tính chất sinh học

Nói đến tính chất sinh học của nước và nước thải nghĩa là đề cập đến các loài sinhvật hiện diện trong nước và nước thải, bởi vì chính sự có hay vắng mặt và phát triểnquá mức của chúng sẽ chỉ ra được nguồn nước ở tình trạng như thế nào, có thể nhiễmbẩn hay không Các thành phần sinh học chính bao gồm:

• Các động vật nước

• Các thực vật nước

• Động vật nguyên sinh, vi khuẩn, virus, …

2.3 Phương pháp kết tụ xử lý nước thải

Hiện nay ô nhiễm nước thải đang là vấn đề cấp thiết cho toàn xã hội, một trongnhững tác nhân chính là chất rắn lơ lửng Chất rắn lơ lửng là các hạt nhỏ, hạt có bảnchất hữu cơ thường là sợi thực vật, tảo, vi khuẩn, … các hạt vô cơ có thể là các hạt đấtsét, bùn, phù sa Các hạt lơ lửng này sẽ lắng xuống đáy tiêu thụ oxy để phân hủy từ đólàm giảm DO của nguồn nước Khi nguồn oxy trong nước cạn kiệt quá trình phân hủyyếm khí sẽ xảy ra tạo ra hàng loạt các khí H2S, CO2, CH4, …làm ô nhiễm nước vàkhông khí xung quanh [7] Phần còn lại là những hạt không lắng sẽ làm đục nước làmcản trở quá trình quang hợp và hoạt động sống của động vật thủy sinh Bên cạnh đótrong các chất lơ lửng còn tồn tại một số độc chất như sulfate đồng, oxid đồng, oxidnhôm, oxid sắt, những chất độc thuộc clo và các chất hữu cơ từ các nguồn nước thảicông nghiệp

Trong hầu hết các nhà máy xử lý nước, quá trình kết tụ được sử dụng phổ biếnnhất để loại bỏ các thành phần lơ lửng Nước thải được thu gom trong các bể sau đó dichuyển đến bể lắng, nơi quá trình keo tụ xảy ra và các hạt lơ lửng lắng xuống ở đáy[54], [107] Phương pháp này đơn giản, hiệu quả ứng dụng rộng rãi trong xử lý cácnguồn nước thải như nước thải dệt nhuộm, nước thải bột giấy, nước thải dầu cọ, nướcthải sinh hoạt [16], [123], [134], [115] Khi bổ sung các chất đông tụ/ keo tụ, các hạtphân tán hay các hạt lơ lửng trong nước thải sẽ tập hợp lại keo tụ tạo thành các hạt có

kích thước lớn lắng xuống đáy và làm trong hệ thống [111] Dựa vào cấu tạo thànhphần khác nhau mà chất kết tụ thường được phân loại thành các dạng chất kết tụ vô cơ,chất kết tụ hữu cơ và các chất kết tụ tự nhiên [109].

Phân loại chất keo tụ

Chất keo tụ tự nhiên Chất keo tụ hữu cơ

Chất keo tụ vô cơ

Cellulose Polyacrylamide

TanninFerrous sulfate

MicrobialflocculantAlum

2.4 Chất kết tụ vô cơ

Các chất kết tụ vô cơ bao gồm alum, polyaluminium choride (PAC), aluminiumchloride, aluminium sulfate, ferric chloride và ferric sulfate Vì hầu hết các hạt lơ lửngtrong nước thải thường biểu hiện một điện tích âm [62] Muối của các kim loại này sẽ

bị ion hóa khi chúng được thêm vào nước thải để tạo thành các điện tích cation có thểliên kết với các hạt lơ lửng Sự tương tác này dẫn đến giảm điện tích bề mặt và sự hìnhthành khối kết tụ lớn có thể dễ dàng loại bỏ khỏi nước [120]

Trong số các chất kết tụ vô cơ này, PAC được sử dụng rộng rãi trong xử lý nước

và nước thải Tuy nhiên, chúng rất nhạy cảm với pH, không hiệu quả ở nhiệt độ thấp,chỉ giới hạn ở một vài hệ thống phân tán và cần một số lượng lớn để kết tụ hiệu quả, do

đó tạo ra lượng lớn bùn gây khó khăn cho các hệ thống xử lý nước thải [131], [23],[111] Hơn nữa, một số nghiên cứu đã báo cáo rằng PAC chứa nhôm có thể gây ônhiễm nước uống và dẫn đến các vấn đề sức khỏe nghiêm trọng cho người tiêu dùng,các nghiên cứu dịch tễ học và thần kinh học gần đây cho thấy rằng mối liên hệ giữatính gây độc thần kinh của nhôm và sự phát triển của bệnh Alzheimer [19] Bên cạnh

đó các muối vô cơ như aluminium chloride, aluminium sulfate, ferric chloride và ferricsulfate được sử dụng nhiều trong giai đoạn kết tụ xử lý nước thải vì chi phí thấp nhưng

nó mang lại hậu quả nghiêm trọng cho môi trường là việc sản xuất lượng lớn bùnhydroxide kim loại và sự gia tăng ion kim loại trong nước [36]

2.5 Chất kết tụ hữu cơ

Chất kết tụ hữu cơ thường được sử dụng trong các quy trình công nghiệp khácnhau Chúng bao gồm polyacrylamide (PAA), polyethylene amin, và poly diallyldimethyl amoni clorua (DADMAC) Các nghiên cứu trước đây ghi nhận rằng các dẫnxuất acrylamide là nhóm chính của các polyme tổng hợp hữu cơ, nó được sử dụng rộng

Hình 2.1 Phân loại chất keo tụ [112]

rãi trong các tác nhân kết tụ vì hiệu quả và giá thành của chúng [90] Các polyme hữu

cơ này thường có nguồn gốc từ dầu thô hoặc nguyên liệu thô Chúng thường có trọnglượng phân tử cao và có nhiều polyelectrolytes trong chuỗi phân tử, giúp tăng cườnghiệu quả kết tụ của chúng [120], [62] Lượng bùn được tạo ra trong xử lý nước thải cóthể được giảm bằng cách sử dụng các polymer tổng hợp như PAA và chúng khôngnhạy cảm với pH đây là một ưu điểm lớn của chất kết tụ hữu cơ Hơn nữa, việc sửdụng các polymer hữu cơ không ion như PAA có thể khắc phục một số tác hại đã được

đề cặp trước đây của chất kết tụ vô cơ Sự kết hợp của PAA và sulfate polyferric (PFS)

sẽ làm tăng polyme trọng lượng phân tử mang lại một hiệu quả kết tụ tăng đáng kể khi

so sánh với một chất kết tủa vô cơ

Acrylamide có dạng tinh thể trong tự nhiên và là một phân tử đa chức năng baogồm cả liên kết đôi carbon-carbon vinylic và một nhóm amit có liên kết đôi Đây làmột monomer ổn định vừa phải, hòa tan trong nước và nhiều dung môi hữu cơ[134] Tuy nhiên, các monomer của PAA không dễ bị phân hủy, do đó là một chất độcđối với môi trường Bên cạnh đó, các monome này đã được báo cáo là có cả hai đặctính gây độc thần kinh và gây ung thư [69] Đây là nhược điểm rất lớn dẫn đến chất kết

tụ hữu cơ bị hạn chế sử dụng ở hầu hết các quốc gia

2.6 Chất kết tụ tự nhiên

Do những tác hại mà chất kết tụ vô cơ và hữu cơ mang lại, những năm gần đâychất kết tụ tự nhiên ngày càng được ưa chuộng, do chúng thân thiện với môi trường vàtạo ra ít bùn hơn, độc lập với pH Chất kết tụ sinh học có bản chất là polysacharide nênbùn tạo nên rất dễ phân hủy bởi vi sinh vật Cơ chế kết tụ của polymer này là do nó cóthể làm mất ổn định các hạt keo bằng cách tăng cường độ ion và giảm điện thế zeta,làm giảm độ dày của phần khuyếch tán của lớp điện kép [99] Hoặc biến đổi để tạothành một polyme cation trung hòa hoặc giảm điện tích trên bề mặt của các hạt lơ lửngthúc đẩy sự va chạm giữa các hạt và cation, dẫn đến sự gắn kết và kết tụ nhờ các nhóm

chức như hydroxyl hay carboxyl [59] Các chất kết tụ tự nhiên thường gặp nhưchitosan, tannin, cellulose, sodium alginate, chất kết tụ sinh học từ vi sinh vật

2.6.1 Chitosan

Chitosan là một polymer deacetyl hóa một phần có nguồn gốc từ deacetyl hóakiềm của chitin, một chất sinh học thu được từ các nguồn động vật có vỏ [62] Nó làmột polysaccharide cation có chức năng như một chất kết dính polyme tổng hợp có thểđược áp dụng trong quá trình kết tụ các hạt lơ lửng trong quá trình xử lý nước vì tính

an toàn, không ăn mòn và khả năng phân hủy sinh học của chúng [29] Đây là mộtpolysaccharide amino hydrophilic tuyến tính có một số nhóm amin (–NH2) và nhómhydroxyl (–OH) trên cấu trúc Ở pH thấp, chitosan tồn tại như một polyme cation hòatan có mật độ điện tích cao, khi hòa tan trong acid nó tạo ra các nhóm amin proton cóthể loại bỏ các ion kim loại không mong muốn khác nhau như Ag+, Pb2+, Ca2+ , Cu2+,

Al3+ , Zn2+ , Cr2+ , Hg2+ và Cd2+ có mặt trong nước thải thông qua sự hấp dẫn tĩnh điện[29], [106]

Chitosan đã được báo cáo là có hiệu quả trong việc loại bỏ nhu cầu oxy hóa học(COD) của nước bị ô nhiễm chất hữu cơ và chất rắn lơ lửng (SS) trong xử lý nước [22],[52] Ngoài ra, nó được sử dụng để giảm lượng một lượng lớn bùn được tạo ra bởi cácchất kết tụ vô cơ và không gây ra bất kỳ ô nhiễm thứ cấp nào Mặc dù chitosan có hiệuquả trong xử lý nước nhưng giá thành lại cao làm tăng chi phí xử lý nên không khảquan khi áp dụng trong quy mô lớn

2.6.2 Sodium alginate

Sodium alginate là một polymer anion hòa tan trong nước tuyến tính có nguồngốc từ muối sodium của acid alginic và có trọng lượng phân tử khoảng 500.000dalton Khả năng kết tụ của nó khi kết hợp với aluminium sulfate trong xử lý nước thảicông nghiệp bị ô nhiễm với thuốc nhuộm tổng hợp cho thấy rằng nó thể hiện tỷ lệ keo

tụ mạnh mẽ khoảng 90% và 80% để loại bỏ màu và giảm COD [135]

2.6.3 Tannin

Tannin là một polyme anion được coi là chất kết dính an toàn hơn, có thể được sửdụng thay thế cho các polyme thường được sử dụng trong xử lý nước do khả năng phânhủy sinh học và an toàn cho con người và môi trường [99] Đây là chất chuyển hóa thứcấp của các loại rau như trái cây, lá và các loại khác [21] Gần đây, một số nhà nghiêncứu đã xác nhận thực nghiệm khả năng flocculating của tanin trong việc loại bỏ các hạt

lơ lửng và keo được tìm thấy trong nước uống sau khi xử lý, cũng như trong việc loại

bỏ các hạt lơ lửng khỏi nước thô tổng hợp và loại bỏ thuốc nhuộm, bột màu và mực[99], [108] Trong các nghiên cứu tannin là anion trong tự nhiên, một chất làm đông tụnhư alumium sunfat được thêm vào để ổn định các hạt keo tích điện âm trước khi bổsung tannin [62]

2.6.4 Cellulose

Cellulose là một trong những polysaccharide tự nhiên phong phú nhất thu được từchất thải nông nghiệp Anion sodium carboxymethyl cellulose (CMC-Na) là một ví dụđiển hình của chất tạo kết tụ có bản chất từ cellulose khi kết với aluminium sulfate tạonên một chất kết dính loại bỏ độ đục trong nước uống Các nghiên cứu trước đây đãbáo cáo rằng chất kết dính dicarboxylic acid nanocellulose (DCC) anionized có nguồngốc từ cellulose có một tính chất kết tụ mạnh khi có sự hiện diện của ferric sulfatetrong xử lý nước thải đô thị [57], [120]

2.7 Chất kết tụ sinh học từ vi sinh vật

Chất kết tụ sinh học vi sinh vật được Louis Pasteur (1876) báo cáo lần đầu tiên vềnấm men Levure casseeuse Tiếp đến là Bordet (1899) phát hiện chất kết tụ có trongmôi trường nuôi cấy vi khuẩn Sau đó, chất kết tụ này đã được nghiên cứu rộng rãi vàmột mối tương quan đã được thiết lập giữa sự tích tụ extracellular biopolymericflocculants (EBFs) và tổng hợp tế bào [85], [124] Nhiều vi sinh vật sản xuất EBFs kể

cả vi khuẩn, nấm men, nấm mốc và tảo đã được phân lập từ đất và nước thải, chúngthường là các hỗn hợp có khối lượng phân tử cao, phân tử của các polymer bao gồmcác đơn vị lặp lại đường hoặc các dẫn xuất đường như fructose, galactose, glucose vàmannose được sản xuất và giải phóng trong quá trình sinh trưởng của vi sinh vật [53],[113]

Do những hạn chế của các chất kết tủa vô cơ và hữu cơ mà gần đây nhu cầu vềbiopolymers cho các ứng dụng công nghiệp ngày càng cao, dẫn đến sự quan tâm đặcbiệt của các nhà khoa học về việc nghiên cứu và sản xuất EBSs (extracellularbiopolymeric flocculants ), vì có khả năng tự phân hủy sinh học, không gây ô nhiễmthứ cấp và tạo ra các sản phẩm trung gian an toàn cho con người và môi trường, độclập với sự thay đổi pH và tạo ra ít bùn hơn, dễ bị phân hủy bởi vi sinh vật [24], [83]

2.7.1 Cơ chế keo tụ

Cơ chế của sự keo tụ được nghiên cứu chủ yếu vì tầm quan trọng của nó trongviệc ứng dụng trong xử lý các loại nước thải [63] Sự kết tụ xảy ra thông qua cầu nối vàtrung hòa điện tích và thậm chí là bằng sự kết hợp của hai cơ chế này [109], [105]

2.7.1.1 Cơ chế cầu nối

Cầu nối xảy ra khi bioflocculant mở rộng bề mặt của các hạt vào dung dịch chomột khoảng cách lớn hơn khoảng cách mà tác động của lực liên hạt và biofloccculant

sẽ hấp phụ các hạt khác để tạo thành khối keo tụ [109] Việc bổ sung cation cho hoạttính keo tụ cao và tăng cường tính chất lắng đọng, những kết quả nghiên cứu cho thấyrằng các tương tác cụ thể của bioflocculant và cation với các hạt có thể được hỗ trợ bởiquá trình hấp phụ, cơ chế cầu nối và trung hòa điện tích [88] Quá trình này diễn ragồm 2 bước [45]:

Bước 1: quá trình đông tụ, trong đó cation kim loại tiến gần hơn đến các hạt tíchđiện âm thông qua lực hút tĩnh điện tạo nên phức hợp hạt-cation (Hình 2.2)

Bước 2: quá trình kết tụ, trong đó bioflocculant hoạt động như một tác nhân bắccầu hai hay nhiều phức hợp cation-hạt và làm giảm khoảng cách giữa các hạt thông qua

cơ chế liên kết ion (Hình 2.2) Các hạt được hấp phụ vào chuỗi phân tử bioflocculanthay được hấp phụ đồng thời vào các chuỗi khác, hình thành các khối ba chiều, làm đẩynhanh tốc độ keo tụ và lắng xuống đáy

Hình 2.2 Keo tụ bằng cơ chế cầu nối Các chất sinh học có điện tích bề mặt âm cho thấy kỵ nước cao hơn và các thànhphần kỵ nước này tạo thành các liên kết với các hạt vô cơ tích điện dương như ion kimloại [87] Các cation đa hóa trị có thể bắc cầu giữa các nhóm carboxyl tích điện âm(của các acid uronic trong chuỗi polysaccharide) [119] Hiệu quả của cơ chế cầu nốiphụ thuộc vào trọng lượng phân tử và điện tích mạng của bioflocculant ảnh hưởng đếncác điểm hấp phụ, và ngoài ra hiệu quả quá trình cầu nối còn do điện tích hạt lơ lửng,cường độ ion của dịch huyền phù [126], [141], [149]

2.7.1.2 Cơ chế trung hòa

Hình 2.3 Keo tụ theo cơ chế trung hòa điện tích [122]

Khi các hạt tích điện âm ở trong dung dịch nước, chúng di chuyển liên tục thểhiện chuyển động Brown Vì các hạt tích điện thể hiện các lực đẩy tĩnh điện lớn hơnlực van der Waals của lực hút giữa chúng, chúng ức chế sự hình thành lắng và keo tụ[61] Khi một hợp chất tích điện ngược lại là một chất kết tụ tích điện dương đượcthêm vào để trung hòa và ổn định điện tích âm của các hạt lơ lửng [109] Bioflocculantlàm giảm điện tích bề mặt của các hạt gây ra bởi sự hấp phụ của nó vào bioflocculantkhiến các hạt tiếp cận đủ gần tăng lực hấp dẫn, lúc này lực đẩy của hạt bị loại bỏ Banđầu quá trình keo tụ là sự hình thành các khối keo tụ nhỏ sau đó tổng hợp để tạo thànhmột mạng lưới keo tụ lớn hơn như bắt các hạt tự do còn lại do đó đẩy nhanh tốc độlắng đọng [61], [147] Ngoài ra sự hấp phụ của các hạt bởi các polyme xảy ra do sựphân bố không đồng đều của các điện tích phân bố trên bioflocculant [109] Quá trình

mà vùng tích điện dương bị hút bởi các vùng tích điện âm trên các hạt khác, được gọi

là quá trình đông tụ trái dấu (heterocoagulation) [84]

2.7.2 Các tính chất quan trọng của chất kết tụ sinh học

2.7.2.1 Tính hấp phụ

Sự hiện diện của các nhóm carboxyl, amin và hydroxyl trong chất sinh học lànhóm chức ưu tiên cần thiết cho quá trình keo tụ, các nhóm chức này thường được sửdụng cho quá trình hấp phụ và có thể đóng vai trò là vị trí liên kết của các ion kim loại

và các hạt lơ lửng bằng cách trung hòa và ổn định điện tích [139], [126], [32], [49],[142] Sự hiện diện của các nhóm carboxyl trên chuỗi phân tử của biopolymer chophép chuỗi lan rộng ra do lực đẩy tĩnh điện và chuỗi phân tử kéo dài cung cấp nhiều vịtrí hiệu quả hơn cho việc gắn hạt lơ lửng [100]

Khả năng hấp phụ của chất sinh học phụ thuộc vào số lượng của các nhómcarboxyl và hydroxyl [113] Sự hiện diện của nhiều nhóm chức, ví dụ trong trườnghợp glycoprotein có chứa cả nhóm chức carbohydrate và protein có khả năng liên kếtcao [44] Các chất sinh học có thành phần chủ yếu là protein có khả năng hấp phụ thấphơn so với các chất sinh học carbohydrate Khả năng tích điện âm của chất kết tụ sinhhọc với tính năng này thuận lợi trong việc liên kết các chất ô nhiễm hữu cơ tích điệndương vì chúng mang lại tiềm năng trao đổi cation thông qua tương tác tĩnh điện [33]

Sự hấp phụ sinh học bao gồm một số cơ chế: hấp phụ vật lý, tạo phức, trao đổi ion vàkết tụ [133] Hiệu quả của hấp phụ còn phụ thuộc vào độ pH, nhiệt độ, diện tích tiếpxúc hiệu quả giữa chất sinh học và chất hấp phụ, thời gian tiếp xúc, cường độ ion vànồng độ của chất hấp phụ, cấu trúc hấp phụ của loại vi sinh vật [117]

2.7.2.2 Khả năng phân hủy sinh học

Trong quá trình nuôi cấy, số lượng tế bào vi khuẩn tăng lên do nguồn chất dinhdưỡng dồi dào và chất chuyển hóa thứ cấp (bioflocculant) được vi khuẩn giải phóngvào môi trường, với thành phần chủ yếu bao gồm carbohydrate và protein [24] Khinguồn dinh dưỡng cạn kiệt vi khuẩn sử dụng chất kết tụ sinh học được tạo ra bên trongmôi trường để tiếp tục phát triển, từ đó làm giảm lượng chất kết tụ, đây là đặc tính

phân hủy sinh học của chúng [89] Do tính chất phân hủy sinh học của chất kết tụ nênchúng không thể gây ô nhiễm môi trường không giống như PAA không thể phân hủysinh học và do đó gây ra phiền toái sau khi sử dụng.

2.7.2.3 Tính kỵ nước/ ưa nước

Tính kỵ nước là tính chất rất quan trọng của chất kết tụ sinh học Tính kỵ nước làkết quả của các hạt hoặc phân tử bioflocculant, không có khả năng tương tác tĩnh điệnhoặc thiết lập liên kết hydro với nước, tạo ra tính chất kỵ nước với bioflocculant[87] Bioflocculant bao gồm nhiều nhóm chức tích điện như carboxyl, phosphoric,sulfhydryl, phenolic, và hydroxyl và các nhóm không phân cực như aromatics,aliphatics trong protein và kỵ nước trong carbohydrate [106] Sự hình thành các vùng

kỵ nước trong chất sinh học sẽ có lợi cho sự hấp phụ chất ô nhiễm hữu cơ Sự hiện diệncủa các nhóm ưa nước và kỵ nước trong các phân tử bioflocculant cho thấy các chấtsinh học là chất lưỡng tính trong tự nhiên Nó cũng cho thấy tầm quan trọng của chấtsinh học trong việc hấp phụ các chất ô nhiễm hữu cơ [37]

2.7.3 Các ứng dụng khác của chất kết tụ sinh học từ vi sinh vật

Việc nghiên cứu chế phẩm bioflocculant ngày càng nhiều vì có tính chất độc đáocho thấy các ứng dụng tiềm năng của nó trong các quy trình công nghiệp khác nhau[125], [31] Do đặc tính sinh lý sinh học độc đáo của chúng, EBFs được sử dụng trongcác quy trình công nghiệp khác nhau, ví dụ trong sản xuất mỹ phẩm, dệt, chất kết dính,chất tẩy rửa, dược phẩm, phụ gia thực phẩm, cũng như sản xuất bia [91] Hơn nữa,EBFs có thể ứng dụng như chất tẩy rửa sinh học, chất chống oxy hóa, loại bỏ kim loạinặng, chất điều hòa tự nhiên, xử lý nước thải, thu hồi dầu, nạo vét bùn [129] Một sốcác chất sinh học này cũng đã được báo cáo là có các đặc tính kháng virus, khángviêm, chống ung thư, dùng làm chất kích thích cho interferon [72] Trong số cácpolyme sinh học được xác định, polysaccharides thu hút sự chú ý của các nhà nghiêncứu trong lĩnh vực keo tụ chủ yếu trong xử lý nước thải [28], [104], ví dụ trong xử lý

các dung dịch thuốc nhuộm [145], [30], chất rắn vô cơ (bentonit, đất sét rắn, oxidalumimum, Ca(OH)2 , và than hoạt tính) [63], [114].

Nước thải in ấn indigotin

Lọc nước Paenibacillus elgii B69 Xử lý nước thải sinh

hoạt, nhà máy bia và dược phẩm

Micratinium sp.

Loại bỏ kim

loại nặng

Herbaspirillus sp CH7 Paenibacillus sp CH11 Bacillus sp CH15 Halomonas sp.

2.7.4.1 Nguồn carbon

Carbon chiếm hớn 50% vật chất khô của vi sinh vật Đây là yếu tố đặc biệt quantrọng trong cấu trúc tất cả các hợp chất trong tế bào vi sinh vật, cũng là nguồn nănglượng trong hoạt động sống [5] Đóng góp vai trò trong việc tăng cường sản xuất chất

kết tụ sinh học từ vi khuẩn [43] Nguồn carbon có thể là glucose, fructose, maltose,sucrose, ethanol, glycerol, tinh bột, acid hữu cơ và còn nhiều nguồn khác nữa.

Bioflocculant sản xuất bởi Penicillium sp HHE‐P7 trong môi trường có chứa glucose

và chiết xuất men cho hoạt tính tạo tụ 95%, nhưng sử dụng glucose làm tăng chi phísản xuất thay vào đó là sử dụng nguồn mật rỉ đường cho hoạt tính tạo tụ khi thửnghiệm với kaolin là hơn 90%, một dấu hiệu rõ ràng về tiết kiệm chi phí khi sử dụngchất nền rẻ hơn [74] Trong một nghiên cứu khác được báo cáo rằng glucose, fructose

và lactose không thích hợp cho sản xuất bioflocculant bởi B.licheniformis, trong khi sự

hiện diện đồng thời của nhiều nguồn carbon (glycerol, acid citric và acid glutamic)trong môi trường nuôi cấy cải thiện sự tăng trưởng tế bào và sản xuất bioflocculants[114]

và khử N2 thành NH3 Cùng với nguồn nito vô cơ, vi sinh vật có khả năng sử dụng nitotrong các hợp chất hữu cơ như pepton, yeast extract, beef extract, tryptone, bột đậunành, casein Đây cũng là nguồn quan trọng trong việc sản xuất chất kết tụ sinh học,tùy theo từng loài vi sinh vật mà sử dụng nguồn nito khác nhau cho kết quả keo tụ caonhất

Các nguồn nitơ hữu cơ cải thiện sản xuất bioflocculant trong một số vi sinh vậtnhư peptone kết hợp với NaNO3 là nguồn nitơ thích hợp nhất cho Aspergillus

parasiticus cho sản xuất bioflocculant Mặt khác, khi kết hợp với (NH4)2SO4 thì không

có bioflocculant được sản xuất [30] Hỗn hợp nguồn nito bao gồm ure, cao nấm men,

và (NH4)2SO4 hỗ trợ sản xuất bioflocculant tối ưu bởi Virgibacillus sp với hoạt tính

keo tụ khi khảo sát với kaolin là 91,8%, so với sử dụng riêng rẻ thì hoạt tính tạo tụ của(NH4)2SO4 78,9% và ure 67,9% và cao nấm men 69,8% [26]

Các nguyên tố vi lượng gồm có Mg, Mn, Cu, Co, Zn …

Nguyên tố P chiếm tỉ lệ cao nhất trong các nguyên tố khoáng của tế bào (thườngchiếm 50%), có mặt trong cấu tạo nhiều thành phần quan trọng như acid nucleic,phosphoprotein, phospholipid, một số vitamin và nhiều coenzyme

Nguyên tố S cũng là một chất khoáng quan trọng trong tế bào vi sinh vật, thamgia vào thành phần một số acid amin (cysteine, methionine), vitamin B1, B7 và một sốcoenzyme có vai trò quan trọng trong quá trình oxy hóa khử [5], [67]

Các nguyên tố như Mg, Mn, Cu, Co, Zn, Na, đóng vai trò là cofactor trong phảnứng enzyme, cần thiết cho việc kích hoạt các enzyme và là thành phần quan trọng trongviệc tổng hợp chất kết tụ sinh học [86]

2.7.4.4 Vitamin

Vitamin là thành phần thiết yếu, với lượng rất nhỏ vitamin sẽ giúp cho vi sinh vậtphát triển bình thường, là chất xúc tác sinh học có vai trò quan trọng trong các quátrình oxy hóa khử và hoạt hóa acid amin Nhiều vitamin tham gia vào các coenzymeđóng góp vai trò quan trọng trong quá trình chuyển hóa vật chất ( như trong chu trìnhKreb, quang hợp, …) [5]