Nghiên cứu tuyển chọn một số chủng vi sinh vật có khả năng xử lý tinh bột và ứng dụng xử lý nước thải sản xuất nui

hẳng ra các nguồn tiếp nhận mà khơng qua xử lý, gây ơ nhiễm nghiêm trọng mơi trường nước mặt. Hậu quả của tình trạng ơ nhiễm gây này ảnh hưởng trực tiếp đến hệ sinh thái và sức khỏe của người dân trong khu vực, tỉ lệ mắc các bệnh liên quan như viêm màng kết, tiêu chảy, ung thư … ngày càng tăng. Trong các mặt hàng nơng nghiệp xuất khẩu chủ lực của Việt Nam, khoai mì lát khơ và tinh bột mì chiếm một tỷ lệ đáng kể. Hiện nay cả nước cĩ trên 500.000 ha trồng khoai mì với sản lượng trên 8 triệu tấn/năm. Tồn quốc cĩ 60 nhà máy chế biến tinh bột mì cĩ quy mơ cơng nghiệp với tổng cơng suất chế biến mỗi năm hơn nửa triệu tấn tinh bột mì đồng thời cũng thải ra lượng nước thải rất lớn. Bên cạnh đĩ, các nhà máy sản xuất thực phẩm được chế biến từ tinh bột như bún, bánh phở, nui, hủ tiếu… cũng thải ra mơi trường một lượng khơng nhỏ nước thải chưa qua xử lý hoặc xử lý chưa đạt yêu cầu cho phép. Nước thải từ các nhà máy sản xuất tinh bột cĩ hàm lượng chất hữu cơ cao, nếu khơng được xử lý trước, thì khi xả ra các ao hồ, sơng suối sẽ gây ơ nhiễm mơi trường nước, đất và cả khơng khí, ảnh hưởng đến con người và sinh giới xung quanh. Cụ thể là việc rất nhiều nhà máy sản xuất tinh bột mì như Vedan - ðồng Nai, Thanh Chương – Nghệ An, nhà máy tinh bột mì Pococev - Thừa Thiên Huế, cơ sở chế biến tinh bột mì Ngọc Thạch - Bình Thuận … đã bị đình chỉ hoạt động do những ảnh hưởng nghiêm trọng từ việc xả nguồn nước thải trực tiếp ra mơi trường sống của người dân trong khu vực. Cơng nghệ xử lý nước thải nĩi chung và nước thải sản xuất tinh bột nĩi riêng ngày càng đi sâu vào áp dụng cơng nghệ sinh học. Các biện pháp sinh học cũng đã - 2 - chứng minh hiệu quả xử lý triệt để hơn hẳn những biện pháp xử lý hĩa lý khác. Hơn nữa, đối với đặc trưng của nước thải sản xuất tinh bột là hàm lượng chất hữu cơ cao, dễ phân hủy, giá trị BOD, COD cao thì việc xử lý bằng phương pháp sinh học là một giai đoạn khơng thể thiếu trong hệ thống xử lý. Cơ sở của quá trình xử lý sinh học là dựa trên hoạt động phân hủy các chất hữu cơ gây ơ nhiễm của vi sinh vật. Nhằm tìm hiểu về khả năng chuyển hĩa các chất hữu cơ của vi sinh vật trong nước thải sản xuất tinh bột và tuyển chọn một số chủng vi sinh vật cĩ tiềm năng ứng dụng trong các phương pháp xử lý sinh học nước thải sản xuất tinh bột, chúng tơi tiến hành đề tài: “Nghiên cứu tuyển chọn một số chủng vi sinh vật cĩ khả năng phân hủy tinh bột và ứng dụng trong xử lý nước thải sản xuất nui”. 1.2 MỤC TIÊU CỦA ðỀ TÀI Thử nghiệm khả năng xử lý tinh bột của một số chủng vi sinh vật phân lập được từ nguồn nước thải của nhà máy chế biến tinh bột và ứng dụng chúng vào phương pháp xử lý hiếu khí nước thải nhà máy sản xuất nui. 1.3 Ý NGHĨA CỦA ðỀ TÀI Xử lý nước thải bằng cơng nghệ sinh học đáp ứng được mục đích đưa dịng thải vào vịng tuần hồn tự nhiên của vật chất, chất thải được xử lý và phân hủy theo chu trình sinh học tự nhiên. Kết quả của quá trình xử lý là các chất thải được chuyển hĩa hồn tồn thành dịng thải sạch (đù tiêu chuẩn). Trong quá trình xử lý này, con người khơng tác động trực tiếp các biện pháp lý hĩa vào quy trình khép kín, do đĩ lượng nước thải sau khi xử lý được đưa vào tự nhiên sạch hơn mà khơng bị biến đổi thành phần tính chất. Khơng dùng hố chất xử lý nên hồn tồn đảm bảo chất lượng nước đầu ra khơng gây ảnh hưởng đến sức khỏe con người và mơi trường, tiết kiệm chi phí xử lý. - 3 - CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1 TỔNG QUAN VỀ VI SINH VẬT TRONG NƯỚC THẢI CƠNG NGHIỆP 2.1.1 Nguồn gốc vi sinh vật trong nước thải cơng nghiệp Vi sinh vật cĩ trong nước thải cơng nghiệp chủ yếu nhất từ nguồn nước thải đặc trưng cho từng nhà máy, từng loại hình sản xuất. Nước thải nhà máy rượu, nhà máy bia giàu thành phần các loại nấm men; nước thải nhà máy thủy sản, thịt giàu thành phần vi sinh vật phân hủy protein; nước thải nhà máy gỗ giàu thành phần vi sinh vật phân hủy cellulose; nước thải nhà máy tinh bột giàu thành phần vi sinh vật phân hủy tinh bột… Bên cạnh đĩ, vi sinh vật cĩ trong nước thải cơng nghiệp là từ các quá trình sản xuất như rửa nguyên liệu, vệ sinh nhà xưởng, máy mĩc thiết bị, từ nước thải sinh hoạt của cơng nhân nếu nhà máy khơng cĩ hệ thống thu gom, vận chuyển tách hai hệ thống nước thải cơng nghiệp và nước thải sinh hoạt riêng. Ngồi ra, vi sinh vật cĩ trong nước thải cịn từ thiên nhiên, từ nước mưa, nước chảy tràn... hịa chung vào hệ thống nước thải của nhà máy. 2.1.2 Thành phần vi sinh vật trong nước thải cơng nghiệp Nước thải các ngành cơng nghiệp khác nhau sẽ khác nhau về tính chất vật lý, hĩa học và tính chất sinh học, phụ thuộc vào quá trình hoạt động đặc trưng cho từng nhà máy, từng loại hình sản xuất. ðiều này quyết định sự phát triển của vi sinh vật và khả năng chuyển hĩa vật chất của vi sinh vật. Trong nước thải cơng nghiệp, vi khuẩn thường chiếm một số lượng lớn, ngồi ra cịn chứa nhiều nấm men, virus, tảo đơn bào và nguyên sinh động vật... 2.1.2.1 Vi khuẩn Vi khuẩn là nhĩm vi sinh vật cĩ mặt trong hầu hết các loại nước thải. ðối với nước thải cĩ hàm lượng chất hữu cơ cao như nước thải từ các nhà máy chế biến thịt, thủy sản, thực phẩm ... thành phần và số lượng các lồi vi khuẩn là phong phú và đa dạng nhất. Vi khuẩn tham gia vào nhiều quá trình chuyển hĩa, từ các hợp chất hữu - 4 - cơ đến vơ cơ, từ các chất dễ phân hủy đến các chất độc hại. Các quá trình này nhờ hệ enzyme phong phú và chuyên biệt của mỗi nhĩm, mỗi lồi vi khuẩn. So với động vật và thực vật thì vi khuẩn cĩ tính thích nghi cao hơn, nhiều lồi cĩ khả năng tự điều chỉnh quá trình trao đổi chất trong những điều kiện sống khơng thuận lợi. Bên cạnh đĩ, vi khuẩn cĩ tốc độ trao đổi chất nhanh. Trong một ngày đêm chúng cĩ thể chuyển hĩa một khối lượng vật chất gấp hàng ngàn lần khối lượng của chúng. Chính vì thế, vi khuẩn là nhĩm vi sinh vật cĩ nhiều tiềm năng nhất trong cơng nghệ xử lý nước thải. 2.1.2.2 Nấm men Nấm men chủ yếu cĩ trong các lại nước thải chứa đường như nước thải nhà máy rượu, bia, nhà máy đường … Nấm men cĩ thể phát triển trong mơi trường chỉ chứa 1% hàm lượng đường. Tuy nhiên, khả năng chuyển hĩa các hợp chất như protein, tinh bột lại rất kém, thậm chí cĩ nhiều lồi khơng cĩ khả năng chuyển hĩa các hợp chất như protein, hydratcarbon cĩ trong nước thải. ðặc điểm quan trọng là khi nấm men phát triển trong mơi trường nước thải cĩ chứa đường bao giờ cũng cĩ mặt các vi khuẩn tạo ra các sản phẩm acid như acid lactic và acid acetic. Mặt khác nấm men thường tạo ra những sản phẩm độc hại với các vi sinh vật khác, khi tế bào nấm men chết đi sẽ làm trầm trọng thêm quá trình ơ nhiễm, nước thải sẽ cĩ mùi hơi thối khĩ chịu. 2.1.2.3 Tảo đơn bào Tảo đơn bào cũng là vi sinh vật phổ biến trong nước ơ nhiễm và nước thải. Tảo thuộc nhĩm tự dưỡng quang năng, ưa mơi trường nước cĩ tính kiềm yếu, phát triển mạnh trong mơi trường cĩ CO2 hịa tan. Trong quá trình phát triển, tảo cung cấp oxi cho mơi trường, các chất kháng sinh tiêu diệt mầm bệnh, cạnh tranh nguồn thức ăn của vi sinh vật gây bệnh và là mắt xích rất quan trọng trong chuỗi và lưới thức ăn cho nhiều lồi khác. Cùng với vi khuẩn và nấm men, tảo cũng được sử dụng như một tác nhân xử lý mơi trường. - 5 - 2.1.2.4 Những vi sinh vật khác Virus: là lồi sinh vật nhỏ bé nhất trong giới vi sinh vật và hầu như bị tiêu diệt trong mơi trường nước ơ nhiễm hoặc nước thải. Virus chỉ tồn tại khi xâm nhập được vào tế bào sống như tế bào vi khuẩn. Trong chu trình phát triển, chúng sẽ phá hủy tế bào vi khuẩn để nhân lên và phát tán ra mơi trường xung quanh. Nếu quá trình làm tan tế bào này xảy ra trên những vi khuẩn cĩ lợi thì quá trình tự làm sạch nước ơ nhiễm và nước thải sẽ bị chậm lại. Nguyên sinh động vật: thường phát triển ở vùng đáy của nguồn nước, trong đĩ thấy nhiều nhất là amip, trùng đế giày, thủy tức và trùng roi. Các lồi nguyên sinh động vật thường chịu được các loại độc tố rất cao. Do đĩ việc loại bỏ chúng cũng gặp rất nhiều khĩ khăn. 2.1.3 Chuyển hĩa vật chất của vi sinh vật trong nước thải cơng nghiệp Khi nước thải mới ra khỏi nhà máy, hàm lượng vi sinh vật thường khơng nhiều. Sau một thời gian, những nhĩm vi sinh vật thích nghi được với đặc trưng của nước thải sẽ phát triển mạnh, số lượng và số lồi dần phong phú hơn. Quá trình trao đổi chất ở vi sinh vật trong nước thải gồm hai quá trình cơ bản là quá trình đồng hĩa và quá trình dị hĩa. Quá trình đồng hĩa xảy ra bên trong tế bào vi sinh vật, là quá trình cần năng lượng để tổng hợp những sản phẩm cấu thành sinh khối tế bào. Năng lượng cho quá trình đồng hĩa được lấy từ các phân tử cao năng như ATP, ADP ... , từ quá trình dị hĩa hoặc từ các chất dự trữ khác trong tế bào. Quá trình dị hĩa cĩ thể xảy ra bên trong và bên ngồi tế bào vi sinh vật, là quá trình phân hủy các chất nhằm cung cấp năng lượng, nguyên vật liệu cho quá trình đồng hĩa. Mặt khác, tế bào vi sinh vật thường khơng chứa nhiều hợp chất hĩa học giàu năng lượng. Do đĩ, vi sinh vật cần phải nhận thêm các nguồn năng lượng từ bên ngồi như năng lượng của ánh sáng mặt trời ở nhĩm vi sinh vật tự dưỡng quang năng, năng lượng sinh ra từ quá trình oxy hĩa các chất ở nhĩm vi sinh vật tự dưỡng hĩa năng. ðối với các nhĩm vi sinh vật dị dưỡng carbon, chúng sử dụng năng lượng từ quá trình chuyển hĩa các hợp chất carbon hữu cơ trong điều kiện hiếu khí hoặc kỵ khí. - 6 - Trong quá trình chuyển hĩa vật chất, vi sinh vật luơn luơn ưu tiên sử dụng các vật chất dễ chuyển hĩa trước, sau đĩ mới sử dụng đến các vật chất khĩ chuyển hĩa hơn. Do đĩ, đường cong sinh trưởng của vi sinh vật trong nước thải là đường cong sinh trưởng kép. Hình 2.1 ðường cong sinh trưởng kép của vi sinh vật trong nước thải (Nguồn: Nguyễn ðức Lượng (2003), Cơng nghệ xử lý nước thải) Ghi chú : 1 : giai đoạn thích nghi ban đầu 1’: giai đoạn thích nghi với saccharose 1’’ giai đoạn thích nghi với tinh bột 2 : giai đoạn tăng trưởng ban đầu 2’: giai đoạn tăng trưởng khi sử dụng saccharose 2’’ giai đoạn tăng trưởng khi sử dụng tinh bột 3 : giai đoạn cân bằng 4 : giai đoạn suy vong. A : đường cong sinh trưởng kép B : đường cong sin trưởng đơn Thời gian - 7 - Hình 2.2 Quá trình chuyển hĩa vật chất của vi sinh vật (Nguồn: Nguyễn ðức Lượng (2003), Cơng nghệ xử lý nước thải) 2.2. XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC 2.2.1 Mục đích của quá trình xử lý nước thải Mục đích quan trọng nhất của quá trình xử lý nước thải là làm giảm hàm lượng chất hữu cơ, giảm bớt hoặc loại bỏ những chất ơ nhiễm vi lượng khĩ phân hủy sinh học và cĩ thể gây độc. Mục đích thứ hai là loại bỏ hoặc giảm bớt chất dinh dưỡng N và P để giảm bớt ơ nhiễm cho nguồn nước nhận và nước ngầm nếu nước thải được đổ ra đất. Mục đích thứ ba là loại bỏ hay bất hoạt những vi sinh vật gây bệnh, virus và các ký sinh trùng cĩ trong nước thải. Một cách tổng quát, xử lý sinh học cĩ thể chia thành hai nhĩm phương pháp lớn: - Nhĩm các phương pháp hiếu khí: sử dụng những vi sinh vật hiếu khí hoạt động trong điều kiện cung cấp oxy. - Nhĩm các phương pháp kỵ khí: sử dụng những vi sinh vật kỵ khí hoạt động trong điều kiện khơng cĩ oxy. - 8 - Bảng 2.1 Các quá trình xử lý sinh học chủ yếu (ðỗ Hồng Lan Chi - Lâm Minh Triết (2005), Vi sinh vật mơi trường) Loại Tên Mục đích Xử lý hiếu khí Tăng trưởng lơ lửng Tăng trưởng dính bám Quá trình bùn hoạt tính Hồ/mương oxy hĩa Bể lọc sinh học cĩ lớp vật liệu lọc ngập nước Bể lọc sinh học cĩ lớp vật liệu khơng ngập nước Loại bỏ BOD carbon, nitrat hĩa Loại bỏ BOD carbon, nitrat hĩa Loại bỏ BOD carbon, nitrat hĩa Loại bỏ BOD carbon, nitrat hĩa Xử lý kỵ khí Tăng trưởng lơ lửng Tăng trưởng dính bám Bể phân hủy kỵ khí UASB Lọc kỵ khí Ổn định, loại bỏ BOD Ổn định, loại bỏ BOD Ổn định chất thải, loại bỏ BOD Hồ sinh học Hồ hiếu khí Hồ kỵ khí Hồ tùy tiện Hồ bậc ba Loại bỏ BOD Loại bỏ BOD, ổn định chất thải Loại bỏ BOD Loại bỏ BOD, nitrat hĩa 2.2.2 Cơ sở lý thuyết của quá trình xử lý sinh học Cơ sở lý thuyết của các phương pháp xử lý sinh học là quá trình chuyển hĩa vật chất, quá trình tạo cặn lắng và quá trình tự làm sạch nguồn nước của các vi sinh vật cĩ trong tự nhiên nhờ khả năng chuyển hĩa được rất nhiều nguồn cơ chất khác nhau cĩ trong nước thải. Các chất hữu cơ hịa tan, các chất keo và các chất phân tán nhỏ trong nước thải tiếp xúc với tế bào vi sinh vật, sau đĩ các quá trình chuyển hĩa vật chất diễn ra - 9 - với ba giai đoạn chính: (i) chuyển các vật chất ơ nhiễm từ pha lỏng tới bề mặt tế bào vi sinh vật, (ii) khuếch tán từ bề mặt tế bào qua màng bán thấm do sự chênh lệch nồng độ bên trong và bên ngồi tế bào, (iii) chuyển hĩa các chất trong tế bào vi sinh vật, sản sinh năng lượng và tổng hợp tế bào mới. Trong các nguồn nước luơn xảy ra quá trình amon hĩa chất hữu cơ nhờ các vi khuẩn amon hĩa cĩ enzyme protease ngoại bào phân hủy protein thành các hợp chất đơn giản hơn là polypeptide, oligopeptide. Các chất này hoặc tiếp tục phân hủy thành các acid amin nhờ enzyme peptidase ngoại bào hoặc được tế bào vi khuẩn hấp thụ rồi sau đĩ được phân hủy tiếp thành các acid amin trong tế bào. Một phần các acid amin được tế bào vi khuẩn sử dụng để tổng hợp protein tạo sinh khối. Một phần các acid amin theo các con đường phân giải khác nhau để tạo ra NH3, CO2 và các sản phẩm trung gian khác. Với các protein cĩ chứa sulfure, nhờ enzyme desulfurase của nhĩm vi khuẩn lưu huỳnh và các nhĩm dị dưỡng hiếu khí khác, sẽ bị phân hủy tạo thành H2S. Theo con đuờng thủy phân trong điều kiện hiếu khí, các vi khuẩn Pseudomonas, Bacillus, Actinomyces … và các lồi nấm men chuyển hĩa nhanh tinh bột thành đường. Sản phẩm đường này một phần bị phân hủy thành CO2 cùng các sản phẩm khác, một phần được chuyển hĩa tiếp tục theo các quá trình trao đổi chất khác trong tế bào. ðối với cellulose, Cytophase và Sporocytophaga là hai lồi cĩ khả năng phân hủy trong điều kiện hiếu khí mạnh nhất, tiếp theo là các lồi Pseudomonas, Vibrio, Myxobacterium, Actinomyces… Sản phẩm của quá trình phân hủy này là các loại đường. Trong bùn lắng, quá trình phân hủy cellulose kỵ khí chủ yếu bởi Clostridium tạo thành các sản phẩm etanol, acid formic, acid lactic và CO2. Cĩ rất nhiều lồi phân hủy chất béo. Quan trọng nhất là các lồi Pseudomonas, Vibrio, Sarcine, Bacillus… Sản phẩm thủy phân là glycerin và acid béo nhờ enzyme lipase nội bào và ngoại bào. Sau đĩ, glycerin và acid béo lại được chuyển hĩa thành nhiều sản phẩm khác. Cùng với vai trị chuyển hĩa vật chất, vi sinh vật cịn tham gia tạo cặn lắng. Nhờ quá trình sinh trưởng lơ lửng hoặc bám dính của vi sinh vật, các hạt chất bẩn nhỏ liên kết lại thành các hạt chất bẩn lớn hơn và tăng cường quá trình sa lắng. Nấm sợi và vi khuẩn cĩ tiên mao là các lồi đĩng vai trị tạo cặn lắng nhiều nhất. - 10 - Trong nước thải, vi sinh vật luơn cĩ mối quan hệ rất phức tạp. Quan hệ cạnh tranh quyết định thành phần vi sinh vật. Quan hệ con mồi – săn mồi ảnh hưởng số lượng vi sinh vật. Quan hệ cộng sinh, hỗ trợ lẫn nhau trong quá trình chuyển hĩa vật chất làm phong phú và đa dạng cho hệ vi sinh vật trong nước thải. Các mối quan hệ này quyết định khả năng, tốc độ và hiệu quả xử lý chất ơ nhiễm của vi sinh vật. 2.2.3 ðiều kiện áp dụng xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học ðiều kiện đầu tiên để áp dụng phương pháp xử lý sinh học là nước thải phải chứa một lượng chất hữu cơ dễ phân hủy nhằm tăng nguồn cacbon và năng lượng cho vi sinh vật. ðiều kiện thứ hai là nước thải khơng cĩ chất độc làm chết hoặc ức chế sự phát triển của vi sinh vật. ðối với phương pháp xử lý hiếu khí cần thêm một điều kiện là hai thơng số đặc trưng COD và BOD5 của nước thải phải cĩ tỷ lệ BOD5/COD ≥ 0,5. Nếu COD lớn hơn BOD nhiều lần, trong đĩ cĩ chứa cellulose, hemicellulose, protein, tinh bột chưa tan thì phải qua xử lý sinh học kỵ khí trước. Ngồi ra, các điều kiện khác như hàm lượng oxy, pH, nhiệt độ của nước thải … cũng phải nằm trong khoảng giới hạn nhất định để đảm bảo cho sự sinh trưởng và phát triển bình thường của vi sinh vật tham gia vào quá trình xử lý. Bảng 2.2 Nồng độ giới hạn cho phép của một số chất cĩ trong nước thải áp dụng xử lý bằng phương pháp sinh học (Ccp* - g/m3 nước thải) - 11 - 2.2.4 Một số quá trình xử lý sinh học hiếu khí Quá trình xử lý sinh học hiếu khí nước thải gồm ba giai đoạn: - Giai đoạn 1: oxy hĩa các chất hữu cơ CxHyOz + O2
CO2 + H2O +
H - Giai đoạn 2: tổng hợp tế bào mới CxHyOz + NH3 + O2
CO2 + H2O + C5H7NO2 +
H - Giai đoạn 3: phân hủy nội bào C5H7NO2 + 5O2
5CO2 + 2H2O + NH3 +
H Quá trình xử lý sinh học bằng phương pháp hiếu khí cĩ thể xảy ra trong điều kiện tự nhiên hoặc nhân tạo. Trong các cơng trình xử lý nhân tạo, hệ thống cĩ những điều kiện tối ưu cho quá trình oxy hĩa sinh hĩa nên quá trình xử lý cĩ tốc độ và hiệu suất cao hơn. Tùy theo trạng thái tồn tại của vi sinh vật, phương pháp xử lý sinh học hiếu khí cĩ thể chia thành hai nhĩm. Thứ nhất là nhĩm các phương pháp xử lý sinh học hiếu khí với vi sinh vật dạng lơ lửng như bùn hoạt tính, hồ, mương oxy hĩa… Trong đĩ, quá trình bùn hoạt tính được sử dụng phổ biến nhất. Thứ hai là nhĩm các phương pháp xử lý sinh học hiếu khí với vi sinh vật dạng bám dính như bể lọc sinh học cĩ lớp vật liệu lọc ngập nước, bể lọc sinh học cĩ lớp vật liệu lọc khơng ngập nước… 2.2.4.1 Quá trình sinh học tăng trường lơ lửng – bùn hoạt tính Trong bể bùn hoạt tính, quá trình phân hủy xảy ra khi nước thải tiếp xúc với bùn cĩ chứa vi sinh vật dạng lơ lửng trong điều kiện sục khí liên tục. Việc sục khí nhằm cung cấp đủ lượng oxy và duy trì bùn hoạt tính ở dạng lơ lửng. Một số chủng vi sinh vật cĩ trong bùn hoạt tính và chức năng của chúng khi tham gia xử lý nước thải được trình bày ở bảng 2.3. - 12 - Bảng 2.3 Các vi sinh vật trong bùn hoạt tính lơ lửng (ðỗ Hồng Lan Chi – Lâm Minh Triết (2005), Vi sinh vật mơi trường ) STT Vi sinh vật Chức năng 1 Pseudomonas Phân hủy hydratcarbon, protein…và khử nitrat 2 Anthrobacter Phân hủy hydratcarbon 3 Bacillus Phân hủy hydratcarbon, protein 4 Cytophaga Phân hủy polyme 5 Zooglea Tạo thành chất nhầy (polysaccharide), chất keo tụ 6 Acinetobacter Tích lũy poliphosphat, khử nitrat 7 Nitrosomonas Nitrat hĩa 8 Nitrobacter Nitrat hĩa 9 Sphaeroilus Phân hủy chất hữu cơ 10 Alkaligenes Phân hủy protein, khử nitrat 11 Flavobacterium Phân hủy protein 12 Nitrococus denitrificans Khử nitrat thành N2 13 Thiobacillus denitrificans Khử nitrat thành N2 14 Acinebacter Khử nitrat thành N2 15 Hyphomicrobium Khử nitrat thành N2 16 Desulfovibrio Khử sunfat, khử nitrat 17 Nocardia Gây sự cố bung bùn 18 Thiothrix Gây sự cố bung bùn 19 Begiatca Gây sự cố bung bùn 20 Haliscomenobacter hydrosis Gây sự cố bung bùn 2.2.4.2 Quá trình sinh học tăng trưởng dính bám – màng sinh học Màng sinh học là một quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học sử dụng các vi sinh vật khơng di động và bám dính lên trên bề mặt các vật liệu rắn để tiếp xúc liên tục hay gián đoạn với nước thải tạo thành lớp màng sinh học (biofilm). Phương pháp màng sinh học gồm các cơng trình xử lý như: lọc sinh học với vật liệu lọc khơng ngập trong nước hay cịn gọi là lọc nhỏ giọt - đĩa quay sinh học - 13 - tiếp xúc; lọc sinh học với vật liệu tiếp xúc ngập trong nước - lọc sinh học ngập nước bể ổn định hay lọc hiếu khí ngập nước. Nguyên lý hoạt động của quá trình sinh học bám dính tương tự như ở dạng lơ lửng, nhưng ở đây vi sinh vật phát triển dính bám cố định trên lớp vật liệu tiếp xúc tạo thành lớp màng nhầy, nước thải được dẫn qua lớp vật liệu này để tiếp xúc với vi sinh vật. Các chất hữu cơ cĩ trong nước thải sẽ hấp phụ vào màng và bị phân hủy bởi vi sinh vật hiếu khí. Khi vi sinh vật sinh trưởng và phát triển, bề dày lớp màng tăng lên, oxy được tiêu thụ trước khi khuếch tán hết chiều dày lớp màng, do đĩ hình thành mơi trường kỵ khí ngay sát bề mặt vật liệu lọc. Quá trình đồng hĩa các chất xảy ra trước khi chúng tiếp xúc với vi sinh vật gần bề mặt, kết quả là sinh vật ở đây bị phân hủy nội bào, khơng cịn khả năng dính bám nên bị rửa trơi. 2.2.5 Một số quá trình sinh học kỵ khi Quá trình phân hủy kỵ khí gồm bốn giai đoạn - Giai đoạn 1: Quá trình thuỷ phân các chất hữu cơ cao phân tử như protein, chất béo, cacbohydrat, cenlulose, lignin … thành các phân tử đơn giản hơn như: acid amin, đường, acid béo mạch dài, rượu, glycerin, H2O. Trong hệ thống xử lý, quá trình thủy phân tương đối chậm, phụ thuộc vào nhiều yếu tố của mơi trường như nhiệt độ, pH, cấu trúc của các chất hữu cơ cần phân giải. - Giai đoạn 2: Quá trình acid hố các sản phẩm của quá trình thủy phân ở giai đoạn một dưới tác động của vi sinh vật lên men acid tạo thành các acid dễ bay hơi như acid acetic, propionic, formic, lactic, butyric, succinic.. Ngồi ra cịn cĩ một số dạng khác như rượu và các xeton (như etanol, metanol, glycerol, aceton), NH3, CO2, và H2… Ở cuối giai đoạn này do sản phẩm tạo thành là acid làm cho pH của mơi trường giảm xuống nên làm chậm quá trình trao đổi chất của vi khuẩn. - Giai đoạn 3: quá trình acetat hĩa tiếp tục các acid là sản phẩm của giai đoạn hai để tạo lượng acid acetic nhiều hơn. Nhĩm vi khuẩn chủ yếu trong giai đoạn này là những vi khuẩn khơng thể sinh trưởng khi nồng độ oxy vượt quá 0,1% như Methalnobacterium, Methalnosacrina, Methalnococcus, Methalnobrevibacter, Methalnothrix. - 14 - - Giai đoạn 4: Quá trình metan hĩa nhờ nhĩm vi sinh vật chuyển hĩa metan sử dụng một số loại cơ chất nhất định để tạo thành sản phẩm là metan và một số khí khác. Nhĩm vi khuẩn metan sử dụng cơ chất là acetate cĩ tốc độ phát triển chậm và cần thời gian lưu nước tương đối dài. Nhĩm vi khuẩn metan sử dụng cơ chất hydrogen cĩ tốc độ phát triển nhanh hơn, đĩng vai trị quan trọng trong quần thể vi sinh vật sinh metan tổng thể. 2.2.5.1 Bể tự hoại Bể tự hoại là phương pháp xử lý kỵ khí ra đời sớm nhất. Nguyên tắc hoạt động của bể dựa trên quá trình phân hủy sinh học các chất thải hữu cơ trong điều kiện kỵ khí sau khi cĩ sự phân chia chất rắn và lỏng từ đầu vào. Kết quả của quá trình sẽ tạo ra bùn tự hoại và một lớp váng gồm các chất rắn nhẹ và chất béo. Bùn tự hoại sinh ra được chế biến làm phân bĩn cho đất hoặc dùng để xử lý nước thải. Bể tự hoại là nguồn chủ yếu làm ơ nhiễm nguồn nước ngầm, do đĩ phải xây dựng bể tự hoại cách xa nguồn nước sinh hoạt. 2.2.5.2 Bể UASB (Upward-flow Anaerobic Sludge Blanket) Bể UASB được giáo sư Hà Lan Gatze Lettinga và cộng sự phát triển vào những năm 70 tại trường ðại học Wageningen. UASB là một bể phân hủy bao gồm phần đáy cĩ lớp bùn nén chặt, một lớp bùn và lớp chất lỏng phía trên. Nguyên tắc hoạt động của bể: nước thải đi vào bể theo chiều từ dưới lên trên xuyên qua lớp bùn được bao phủ bởi bơng bùn vi khuẩn hoạt tính. Một màng lắng phân chia bơng bùn, nước đã xử lý và khí được thu ở phần trên của bể. Vi sinh vật kết cụm cĩ tính lắng cao sẽ tạo thành những hạt bùn phân biệt cĩ kích thước 1 – 5mm. Một hạt bùn là nơi tập hợp các nhĩm vi khuẩn khác nhau cần thiết chuyển hĩa các hợp chất hữu cơ thành methan. Thành phần vi khuẩn phụ thuộc vào loại cơ chất, điều kiện vận hành, nhiệt độ, pH… - 15 - 2.2.6 So sánh hai quá trình xử lý sinh học hiếu khí và kỵ khí Bảng 2.4 So sánh hai quá trình sinh học hiếu khí và kỵ khí (Nguồn: ðỗ Hồng Lan Chi – Lâm Minh Triết (2005), Vi sinh vật mơi trường) Xử lý sinh học hiếu khí Xử lý sinh học kỵ khí Quá trình chuyển hĩa diễn ra nhanh Quá trình chuyển hĩa diễn ra chậm Khơng thể phân hủy các hợp chất khĩ phân hủy Cĩ thể phân hủy các hợp chất khĩ phân hủy (lignin), các hydrocarbon béo cĩ Clo (trichloroethylen, trihalomethan…) Sản xuất lượng bùn nhiều sản xuất lượng bùn ít hơn Sản sinh năng lượng trong quá trình nhiều hơn Sự sản sinh năng lượng trong quá trình tương đối thấp Cần ít thời gian khởi động Cần nhiều thời gian khởi động Nồng độ cơ chất ít hơn Nồng độ cơ chất ban đầu tương đối cao Hoạt động ở tải trọng ít hơn Hoạt động ở chế độ tải trọng cao. Cần ít diện tích xây dựng Cần nhiều diện tích xây dựng Khơng sinh khí cĩ lợi Sinh khí CH4 cĩ lợi làm nhiên liệu 2.3 TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI NHÀ MÁY SẢN XUẤT TINH BỘT 2.3.1 Sơ lược về ngành sản xuất tinh bột ở Việt Nam Sản xuất tinh bột là một mắt xích quan trọng trong ngành chế biến lương thực – thực phẩm của Việt Nam. Theo thống kê năm 2009, khoai mì là mặt hàng cĩ khối lượng và kim ngạch xuất khẩu tăng đột biến. Bảy tháng đầu năm, cả nước xuất khẩu được 2,66 triệu tấn khoai mì lát khơ (sắn cồn) và tinh bột sắn, kim ngạch đạt 406 triệu USD, tăng 4,4 lần về sản lượng, 2,8 lần về kim ngạch so với cùng kỳ năm trước. Với kết quả trên, Bộ Cơng thương đã xếp khoai mì vào mặt hàng xuất khẩu chủ lực năm 2009. Bên cạnh đĩ, ngành sản xuất tinh bột ở Việt Nam chủ yếu dùng cho chế biến các mặt hàng lương thực thực phẩm dùng hàng ngày như: sản xuất bún, bánh phở, miến dong, mì, hủ tíu … cũng đĩng một vai trị khơng nhỏ trong thị phần chung của - 16 - việc sản xuất tinh bột. Tuy nhiên, các cơ sở sản xuất này cịn mang tính tự phát, tùy tiện, quy mơ sản xuất khơng lớn chỉ tập trung ở các làng nghề, trang thiết bị cịn lạc hậu.…ðối với loại hình sản xuất các sản phẩm từ khoai mì như tinh bột mì, khoai mì cho sản xuất ethanol, thức ăn gia súc dạng khoai mì lát,…chiếm tỷ lệ cao trong cơ cấu ngành chế biến lương thực và hầu hết lại được sản xuất bởi các nhà máy lớn, trang thiết bị hiện đại…vì khoai mì được xem là mặt hàng đắt giá và là ngành kinh tế nơng nghiệp xuất khẩu quan trọng. Như vậy cĩ thể thấy chế biến tinh bột đĩng vai trị rất lớn khơng những đối với ngành lương thực – thực phẩm Việt Nam mà cịn đĩng vai trị quan trọng trong việc phát triển nền kinh tế, nâng cao kim ngạch xuất khẩu cho đất nước. 2.3.2 Tác động của nước thải sản xuất tinh bột đến mơi trường Thời gian gần đây số lượng các nhà máy chế biến tinh bột bị đình chỉ hoạt động như nhà máy chế biến tinh bột sắn VEDAN Hà Tĩnh, nhà máy tinh bột sắn Thanh Chương Nghệ An; các nhà máy bị lên án về tình trạng ơ nhiễm mơi trường do xả nước thải chưa qua xử lý hay xả nước thải chưa đạt tiêu chuẩn ra mơi trường như: nhà máy tinh bột sắn Intimex tỉnh Nghệ An; nhà máy tinh bột sắn Pococev tỉnh Thừa Thiên Huế, cơ sở chế biến tinh bột mì Ngọc Thạch tỉnh Bình Thuận; nhà máy sản xuất tinh bột sắn Tịnh Phong, nhà máy chế biến tinh bột sắn ðắk … Mặt khác, hiện nay các cơ sở chế biến tinh bột tập trung thành làng nghề với trang thiết bị cịn lạc hậu và quy mơ sản xuất nhỏ nên hầu như khơng cĩ hệ thống xử lý nước thải riêng và đúng kỹ thuật. Cịn các nhà máy sản xuất với quy mơ lớn tuy đã trang bị hệ thống xử lý nước thải nhưng mới chỉ cĩ rất ít hệ thống hồn chỉnh cĩ khả năng xử lý triệt để nước thải trước khi xả ra mơi trường. Gần đây nhất là hậu quả tác động lên sơng Thị Vải của Nhà máy Vedan – ðồng Nai. Theo kết quả mơ phỏng của Viện Tài nguyên Mơi trường, khu vực ơ nhiễm khiến hoạt động nuơi trồng, đánh bắt thủy sản bị ảnh hưởng nặng cĩ diện tích gần 2.000ha thuộc địa bàn các xã Phước An, Long Thọ (huyện Nhơn Trạch), Long Phước, Phước Thái (huyện Long Thành) của tỉnh ðồng Nai cùng các xã Mỹ Xuân, Phước Hịa và thị trấn Phú Mỹ của huyện Tân Thành, tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu. Vùng ơ nhiễm gây ảnh hưởng nhẹ đến nuơi trồng, đánh bắt thủy sản cĩ diện tích gần 700ha - 17 - thuộc các xã Phước An, Vĩnh Thanh (huyện Nhơn Trạch, ðồng Nai), Phước Hịa (huyện Tân Thành, Bà Rịa - Vũng Tàu) và xã Thạnh An, huyện Cần Giờ, TP.HCM. Trong đĩ, diện tích bị ảnh hưởng của xã Thạnh An ước tính chỉ gần 84ha. Trên sơng Vàm Cỏ - Tây Ninh, chỉ tính riêng khu vực xã Phước Vinh, tháng 5/2009 đã cĩ hơn 150.000 con cá lăng nha 10 tháng tuổi và 1 tháng tuổi nuơi trong bè chết, gây thiệt hại nhiều tỷ đồng. ðầu tháng 4/2010 vừa qua, khoảng 80.000 con cá nuơi của 16 hộ tại ấp Phước Lập, Phước Trung lại tiếp tục chết. Tại Báo cáo kết quả kiểm tra mẫu nước mặt trên sơng Vàm Cỏ Ðơng đoạn Ðồi Thơ - khu vực ranh giới giữa huyện Châu Thành và huyện Tân Biên (nơi cĩ hai nhà máy chế biến khoai, mì thường xuyên xả nước thải ra sơng vào ban đêm) cho thấy hàm lượng COD vượt gấp 2,2 lần, hàm lượng BOD5 vượt 3,5 lần so với QCVN 08:2008/BTNMT quy định cho cấp nước sinh hoạt. Nguyên nhân chết cá nuơi ở những khu vực này được xác định do nước thải từ hơn 80 nhà máy sản xuất mì trong khu vực. 2.3.3 ðặc điểm nguồn nước thải nhà máy sản xuất tinh bột Nước thải sản xuất tinh bột mì gồm hai loại chính: - Nước rửa củ: nước thải từ cơng đoạn rửa, loại bỏ phần rễ, lớp vỏ gỗ và đất cát bám trước khi đưa vào nghiền. Theo ước tình, lượng nước thải rửa củ chiếm 42% tổng lượng nước thải của nhà máy. Nước này chỉ ơ nhiễm bởi cát đất tách ra từ củ, ít ơ nhiễm chất hữu cơ hịa tan. Do đĩ, đối với nước rửa củ nên tách riêng nhằm giảm lượng nước thải và cĩ thể tái sử dụng sau khi xử lý đơn giản. - Nước thải chế biến: nước thải từ các cơng đoạn nghiền, tách bã, lọc … trong quá trình sản xuất. Nước thải chế biến cĩ chứa hàm lượng cặn lơ lửng và chất hữu cơ rất cao. Thành phần nước thải chế biền gồm tinh bột, đường, protein, cellulose, các khống chất và độc tố CN- Khi đề cập đến đặc điểm của nước thải nhà máy chế biến tinh bột thì cần xem xét ở cả hai quy mơ sản xuất là quy mơ nhỏ với các sản phẩm như bún, phở, nui…và quy mơ lớn hơn với sản phẩm là tinh bột khoai mì. Quy mơ sản xuất nhỏ - 18 - Hình 2.3 Quy trình sản xuất nui và cơng đoạn phát sinh nước thải - 19 - Hình 2.4 Quy trính sản xuất tinh bột mì và các cơng đoạn phát sinh nước thải (Nguồn: Báo cáo Dự án cấp Nhà nước (KC.05.11. 2005), Viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy Nơng nghiệp) - 20 - Từ các quy trình sản xuất mì, nui và tinh bột khoai mì trên nhận thấy nguồn phát sinh của nước thải tinh bột chủ._.