STT VI SINH VẬT HỆ ENZYME 1 Asp. Awamori α- amylase β-amylase glucoamylase 2 Asp.niger α- amylase glucoamylase 3 Asp.usami α- amylase β-amylase glucoamylase 4 Asp.oryzae β-amylase glucoamylase 5 Bacillus.spp α- amylase β-amylase 6 Endomyces.spp glucoamylase
7 Phizopus delemar 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 cơng trình xử lý
Trong các cơng 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 cơng trình xử lý để hiệu quả xử lý ln 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 khơng 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, khơng 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 ơ nhiễm của mơi 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 ln được ưu tiên trong q trình xử lý vì:
- Vi sinh vật có kích thước vơ 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 A B C D E F t
- 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 mơi 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 tồn cho con người, khơng gây ơ 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 dịng 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 ngồi 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 q 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 q trình các bơng 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
trơi ra ngồi. Độ xáo trộn cao tạo điều kiện va chạm tốt và tác động xốy hình elip làm các hạt được vo trịn, 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 khơng 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 mơi 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
Bùn hạt Bùn hoạt tính truyền thống
o Bề mặt ngồi 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 Khơng có hình dạng cố định
- Chịu được tải trọng cao
- Kích thước hạt bùn lớn nên có khả năng lắng nhanh - Ít bị rửa trơi
- Chịu được xốc tải
- Giảm thể tích cơng trình
- Q 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 nƣớc 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 cơng 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 cơng trình thực tế chứ khơng 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 cơng 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 thơng thường. Một số lý do mà các cơng 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 thơng 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 q 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 thơng qua q 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 ơ 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.
* Ưu điểm và nhược điểm của công nghệ SBR:
+ Ưu điểm:
– Khơng cần bể lắng và tuần hồn bùn.
– Trong pha làm đầy bể SBR đóng vai trị 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 q trình làm đầy.
– Ít tốn diện tích đất xây dựng do các q 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 khơng 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 khơng có bể lắng 2 và q trình tuần hồn bùn.
+ Nhược điểm:
– Nếu như quá trình lắng bùn xảy ra sự cố thì sẽ dẫn đến bùn bị trơi theo ống đầu ra.
– Khi xả tốc độ dòng chảy rất lớn sẽ làm ảnh hưởng đến các hệ thống xử lý phía sau.
– Có thể xảy ra q trình khử nitrat trong pha lắng nếu như thời gian lưu bùn dài. Điều này sẽ dẫn đến hiện tượng bùn nổi do bị khí nitơ đẩy lên. Hiện tượng này càng nghiêm trọng vào những ngày nhiệt độ cao.
CHƢƠNG 2. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Đối tƣợng nghiên cứu 2.1. Đối tƣợng 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 vơ trùng (Singapo)
- Kính hiển vi quang học Olympus (Nhật) - Máy đo mật độ quang (Shimazu)
- Cân phân tích (Nhật) - Lị 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….
2.1.2.2. Hóa chất
- Thạch (Agar) (Merck- Đức) - Cao thịt (Merck-Đức) - Pepton (Merck-Đức ) - Cao nấm men (Merck-Đức) - Bột xenluloza (Nhật)
- Các hố chất vơ 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 hố lý của các chủng vi sinh vật sử dụng trong nghiên cứu: MPA, tinh bột sống, tinh bột chín,…
2.2. Phƣơng 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 phịng 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
Bƣớc 1: Chuẩn bị môi trường và dụng cụ
+ Môi trường: Môi trường tinh bột sống và mơi trường tinh bột chín. + Bình pha lỗng: Bình tam giác 250 ml, mỗi bình chứa 90 ml nước máy. + Ống pha loãng: Mỗi ống chứa 9 ml nước muối sinh lý.
Mơi trường, bình và ống pha lỗng 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.
Bƣớc 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.
+ Sử dụng pipet hút 1ml mẫu đã pha loãng ở nồng độ 10-1 vào ống nghiệm chứa 9ml nước thanh trùng, ta được độ pha loãng 10-2. Tiếp tục cho tới khi dịch mẫu được pha loãng tới nồng độ 10-8.
+ Dùng pipet vơ trùng lấy 100µl dịch pha lỗng ở các nồng độ 10-5
, 10-6, 10-7 lên trên bề mặt môi trường thạch đặc hiệu cho từng loại vi sinh vật trong đĩa petri vô trùng. Dùng que gạt thủy tinh vô trùng dàn đều giọt dịch đó trên bề mặt thạch. Ni cấy ở 300C trong tủ ấm. Sau 1-2 ngày lấy ra quan sát và đếm các khuẩn lạc