›

Đồ án Khảo sát các điều kiện thích hợp của chủng vi khuẩn phân hủy hợp chất hữu cơ ứng dụng xử lý nước thải chế biến thủy sản

pdf 128 trang thiennha21 12/04/2022 6650
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Đồ án Khảo sát các điều kiện thích hợp của chủng vi khuẩn phân hủy hợp chất hữu cơ ứng dụng xử lý nước thải chế biến thủy sản", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfdo_an_khao_sat_cac_dieu_kien_thich_hop_cua_chung_vi_khuan_ph.pdf

Nội dung text: Đồ án Khảo sát các điều kiện thích hợp của chủng vi khuẩn phân hủy hợp chất hữu cơ ứng dụng xử lý nước thải chế biến thủy sản

  1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KHẢO SÁT CÁC ĐIỀU KIỆN THÍCH HỢP CỦA CHỦNG VI KHUẨN PHÂN HỦY HỢP CHẤT HỮU CƠ ỨNG DỤNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHẾ BIẾN THỦY SẢN Ngành: CÔNG NGHỆ SINH HỌC Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ SINH HỌC Giảng viên hướng dẫn : ThS. Huỳnh Văn Thành Sinh viên thực hiện : Nguyễn Hồng Nhựt MSSV: 1151110252 Lớp: 11DSH03 TP. Hồ Chí Minh, 2015
  2. Đồ án tốt nghiệp LỜI CAM ĐOAN Đồ án tốt nghiệp “Khảo sát các điều kiện thích hợp của chủng vi khuẩn phân hủy hợp chất hữu cơ ứng dụng xử lý nước thải chế biến thủy sản” là kết quả nghiên cứu của riêng tôi cùng với sự hướng dẫn khoa học của thầy Ths. Huỳnh Văn Thành – Khoa Công nghệ sinh học – Thực phẩm – Môi trường, Trường Đại học Công Nghệ Tp.Hồ Chí Minh. Những kết quả có được trong đồ án này là hoàn toàn không sao chép từ đồ án tốt nghiệp của người khác dưới bất kỳ hình thức nào. Các số liệu sử dụng trong đồ án này là hoàn toàn trung thực. Tôi xin chịu trách nhiệm hoàn toàn về đồ án tốt nghiệp của mình. TP.HCM, ngày 19 tháng 08 năm 2015 Sinh viên thực hiện Nguyễn Hồng Nhựt
  3. Đồ án tốt nghiệp LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên em xin gửi lời cám ơn sâu sắc đến gia đình đã luôn tạo mọi điều kiện tốt nhất cho con đường học tập của em. Gia đình luôn bên cạnh động viên và là chỗ vựa vững chắc cho em suốt những năm học qua. Để hoàn thành tốt đồ án này em xin chân thành cảm ơn thầy Ths.Huỳnh Văn Thành đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo em trong suốt quá trình xây dựng, hoàn thiện đề cương sơ bộ cho đến khi hoàn thành đồ án. Em cũng xin cám ơn Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Công Nghệ Thành Phố Hồ Chí Minh cùng quý thầy cô Khoa Công nghệ sinh học – Thực phẩm – Môi trường đã tận tình giảng dạy truyền đạt kiến thức bổ ích, kinh nghiệm quý báu từ lĩnh vực chuyên môn đến cuộc sống làm nền tảng vững chắc cho em trong suốt thời gian học tập tại trường và tạo điều kiện thuận lợi cho em cho em hoàn thành đồ án này. Xin cảm ơn đến tất cả các bạn của em đã luôn bên cạnh động viên và hỗ trợ tôi trong suốt thời gian thực hiện đồ án. Cuối cùng, em xin cảm ơn các thầy cô trong Hội đồng phản biện đã dành thời gian đọc và nhận xét đồ án này. Em xin gửi lời chúc sức khỏe và thành công đến quý thầy cô. TP.HCM, ngày 19 tháng 08 năm 2015 Sinh viên thực hiện Nguyễn Hồng Nhựt
  4. Đồ án tốt nghiệp MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG vii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, SƠ ĐỒ, ĐỒ THỊ VÀ BIỂU ĐỒ viii LỜI MỞ ĐẦU 1 1. Đặt vấn đề 1 2. Mục đích của nghiên cứu 2 3. Nhiệm vụ nghiên cứu 2 4. Phương pháp nghiên cứu 2 5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3 6. Ý nghĩa của đề tài 4 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 5 1.1. Tổng quan về công nghiệp chế biến thủy sản và nước thải chế biến thủy sản 5 1.1.1. Tổng quan về công nghiệp chế biến thủy sản 5 1.1.2. Quy trình chế biến thủy sản 6 1.1.3. Thành phần tính chất nước thải ngành chế biến thủy sản 8 1.1.4. Nguồn gốc phát sinh và tác động môi trường của các chất ô nhiễm trong ngành chế biến thủy sản 8 1.1.4.1.Chất thải rắn 9 1.1.4.2.Chất thải lỏng 9 1.1.4.3.Khí thải 9 1.1.4.4.Tiếng ồn, nhiệt độ 9 1.1.5. Tác động của ngành chế biến thủy sản đến môi trường sinh thái 10 1.1.5.1.Tác động của nước thải đến môi trường 10 i
  5. Đồ án tốt nghiệp 1.1.5.2.Tác động của khí thải đến môi trường 11 1.2. Tổng quan phương pháp xử lý nước thải thủy sản 1.2.1. Các quá trình xử lý nước thải 12 1.2.1.1.Khối xử lý cơ học 13 1.2.1.2.Khối xử lý hoá học 13 1.2.1.3.Khối xử lý sinh học 14 1.2.1.4.Khối khử trùng 17 1.2.1.5.Khối xử lý cặn 18 1.2.2. Các quy trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học trong điều kiện hiếu khí 18 1.2.2.1. Các quy trình xử lý 18 1.2.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học 25 1.3. Tổng quan về quá trình phân hủy hợp chất hữu cơ 28 1.3.1. Chất hữu cơ và hợp chất chứa Nitơ trong nước thải 28 1.3.2. Các hợp chất chứa Nitơ 28 1.3.3. Các quá trình phân hủy hợp chất hữu cơ 29 1.3.3.1.Quá trình amôn hoá protein 29 1.3.3.2.Quá trình amon hóa ure. 33 1.3.3.3.Quá trình khử nitrate. 33 1.3.3.4.Vi sinh vật tham gia quá trình phân hủy protein 35 1.3.3.5.Một số chủng vi sinh vật hiếu khí phân hủy hợp chất hữu cơ 36 1.3.3.6.Phân hủy phospho 40 CHƯƠNG II VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 42 2.1. Thời gian và địa điểm 42 2.2. Vật liệu – Hóa chất – Dụng cụ và thiết bị 42 2.2.1. Vật liệu 42 ii
  6. Đồ án tốt nghiệp 2.2.2. Hóa chất 42 2.2.3. Dụng cụ và thiết bị 42 2.3. Bố trí thí nghiệm 43 2.4. Nội dung nghiên cứu 45 2.4.1. Nhân giống và giữ giống vi khuẩn phân hủy hợp chất hữu cơ 45 2.4.1.1. Nhân giống 45 2.4.1.2. Giữ giống 45 2.4.2. Khảo sát khả năng phân hủy hợp chất hữu cơ của chủng vi khuẩn 45 2.4.2.1. Thí nghiệm khảo sát khả năng phân hủy hợp chất hữu cơ của chủng vi khuẩn 45 2.4.2.2. Thí nghiệm khảo sát khả năng phân hủy hợp chất hữu cơ của bùn hoạt tính 46 2.4.3. Khảo sát ảnh hưởng mật độ vi sinh của chủng vi khuẩn 46 2.4.4. Khảo sát ảnh hưởng của oxy hòa tan đến khả năng phân hủy chất hữu cơ 47 2.4.5. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ muối 48 2.4.6. Khảo sát ảnh hưởng của giá thể bám dính 49 2.4.7. Mô hình Bioreactor quy mô phòng thí nghiệm 50 2.5. Phương pháp phân tích 52 2.5.1. Phương pháp lấy mẫu 52 2.5.2. Phương pháp dựng đường chuẩn 52 2.5.2.1. Phương pháp dựng đường chuẩn nitrate 52 2.5.2.2. Phương pháp dựng đường chuẩn nitrite 53 2.5.2.3. Phương pháp dựng đường chuẩn amoni 54 2.5.2.4. Phương pháp đường chuẩn phospho 55 2.5.3. Các phương pháp phân tích hóa học (định lượng) 56 - 2.5.3.1. Phương pháp định lượng N-NO3 56 - 2.5.3.2. Phương pháp định lượng N-NO2 57 iii
  7. Đồ án tốt nghiệp + 2.5.3.3. Phương pháp định lượng N-NH4 57 2.5.3.4. Phân tích chỉ tiêu COD theo phương pháp 58 2.5.3.5. Phương pháp xác định BOD 60 2.5.3.6. Phương pháp xác định P 61 2.5.3.7. Phương pháp xác định Nitơ Kjeldahl 62 - 2.5.3.8. Phương pháp phân tích Cl 64 2.5.3.9. Phương pháp định lượng oxy hòa tan (DO) 65 CHƯƠNG 3 – KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 67 3.1. Kết quả dựng đường chuẩn 67 3.1.1. Đường chuẩn nitrate 67 3.1.2. Đường chuẩn nitrite. 68 3.1.3. Đường chuẩn amoni. 69 3.1.4. Đường chuẩn phospho 70 3.2. Khảo sát khả năng phân hủy chất hữu cơ của chủng vi khuẩn và bùn hoạt tính 71 3.3. Khảo sát ảnh hưởng của mật độ vi khuẩn đến khả năng phân hủy hợp chất hữu cơ 74 3.4. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ oxy hòa tan đến khả năng phân hủy chất hữu cơ của chủng vi khuẩn 76 3.5. Khảo sát ảnh hưởng nồng độ NaCl đến quá trình phân hủy hợp chất hữu cơ 78 3.6. Khảo sát ảnh hưởng của giá thể bám dính đến khả năng phân hủy chất hữu cơ của chủng vi khuẩn 81 3.7. Chạy thích nghi mô hình Bioreactor quy mô phòng thí nghiệm 82 CHƯƠNG IV – KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 86 4.1. Kết luận 86 4.2. Kiến nghị 86 iv
  8. Đồ án tốt nghiệp TÀI LIỆU THAM KHẢO 88 PHỤ LỤC v
  9. Đồ án tốt nghiệp DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT BOD Nhu cầu oxy sinh học (Biochemical Oxygen Demand) C/N Carbon/Nitrogen CBTS Chế biến thủy sản COD Nhu cầu oxy hóa học (Chemical Oxygen Demand) DO Oxy hòa tan (Dissolved Oxygen) ĐC Đối chứng MT Môi trường N2 Khí nitơ NB Nutrient broth + NH4 Amonium - NO2 Nitrite - NO3 Nitrate PDA Axit phenoldisulfonic STT Số thứ tự TN Thí nghiệm TN Thí nghiệm VK Vi khuẩn VSV Vi sinh vật vi
  10. Đồ án tốt nghiệp DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1. Khử nitrate đồng hóa và khử nitrate dị hóa trong chu trình N của vi khuẩn 34 Bảng 1.2. Một số vi sinh vật tham gia quá trình amon hóa protein 35 Bảng 2.1. Các thông số mô hình bioreactor xây dựng từ thí nghiệm 50 Bảng 2.2. Trình tự tiến hành dựng đường chuẩn nitrate 53 Bảng 2.3. Tiến trình dựng đường chuẩn nitrite 54 Bảng 2.4. Tiến trình dựng đường chuẩn amoni 55 Bảng 2.5. Tiến trình dựng đường chuẩn phospho 56 Bảng 2.6. Trình tự tiến hành phân tích COD 59 Bảng 2.7. Thể tích mẫu đem vô cơ hóa 63 Bảng 3.1. Độ hấp thụ quang của dung dịch chuẩn 67 Bảng 3.2. Độ hấp thụ quang của dung dịch chuẩn 68 Bảng 3.3. Độ hấp thụ quang của dung dịch chuẩn 69 Bảng 3.4. Độ hấp thụ quang của dung dịch chuẩn 70 Bảng 3.5. Kết quả phân tích các chỉ tiêu đầu vào của mẫu nước thải 71 Bảng 3.6. Kết quả phân tích các chỉ tiêu đầu vào của bùn hoạt tính 71 vii
  11. Đồ án tốt nghiệp DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, SƠ ĐỒ, ĐỒ THỊ VÀ BIỂU ĐỒ Trang Hình 1.1. Sơ đồ quy trình chung chế biến thủy sản 07 Hình 1.2. Sơ đồ làm việc của bể Aerotank truyền thống 18 Hình 1.3. Sơ đồ làm việc của bể Aerotank có ngăn tiếp xúc 19 Hình 1.4. Sơ đồ làm việc của bể Aerotank làm thoáng kéo dài 20 Hình 1.5. Bể Aerotank thông khí cao có khuấy trộn hoàn chỉnh 20 Hình 1.6. Bể Oxytank 21 Hình 1.7. Mương oxy hóa 22 Hình 1.8. Bể lọc sinh học 23 Hình 1.9. Đĩa quay sinh học 23 Hình 1.10. Bể SBR 25 Hình 1.11. Chuỗi phân hủy hợp chất chứa Nitơ hữu cơ 29 Hình 1.12. Quá trình phân hủy protein 30 Hình 1.13. Quá trình phân giải protein ngoại bào 31 Hình 1.14. Quá trình hoạt động protease nội bào 32 Hình 1.15. Bacillus subtilis 37 Hình 1.16. Micrococcus 38 Hình 1.17. Penicillium camemberti 39 Hình 1.18. Pseudomonas 40 Hình 2.1. Sơ đồ tóm tắt bố trí thí nghiệm 44 Hình 2.2. Sera O2 Test Kit – Germany 65 Hình 2.3. Bảng so màu của Sera O2 Test Kit – Germany 66 Hình 3.1. Biểu đồ xác định phương trình đường chuẩn nitrate 67 Hình 3.2. Biểu đồ xác định phương trình đường chuẩn nitrite 68 Hình 3.3. Biểu đồ xác định phương trình đường chuẩn amoni 69 viii
  12. Đồ án tốt nghiệp Hình 3.4. Biểu đồ xác định phương trình đường chuẩn phospho 70 + Hình 3.5. Động học chuyển hóa N-NH4 theo thời gian 72 + Hình 3.6. N-NH4 sinh ra theo thời gian 72 Hình 3.7. Biến đổi COD theo thời gian 73 + Hình 3.8. Động học chuyển hóa N-NH4 theo thời gian 74 Hình 3.9. Biến đổi COD của mật độ vi khuẩn theo thời gian 75 + Hình 3.10. Biến đổi N-NH4 của số vòng lắc theo thời gian 76 Hình 3.11. Biến đổi Oxy hòa tan theo số vòng lắc 77 Hình 3.12. Biến đổi COD của số vòng lắc theo thời gian 77 + Hình 3.13. Động học biến đổi N-NH4 của các nồng độ muối theo thời gian 79 Hình 3.14. Biến đổi COD của các nồng độ muối theo thời gian 80 + Hình 3.15. Biến đổi hàm lượng N-NH4 theo thời gian 81 Hình 3.16. Biến đổi hàm lượng COD theo thời gian 82 + Hình 3.17. Biến đổi N-NH4 theo thời gian 83 3- 3- Hình 3.18. Biến đổi P-PO4 và Hiệu quả xử lý P-PO4 theo thời gian 84 Hình 3.19. Biến đổi COD và Hiệu quả xử lý COD theo thời gian 84 ix
  13. Đồ án tốt nghiệp LỜI MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Việt Nam với hệ thống sông ngòi dày đặc và đường bờ biển dài 3260km nên rất thuận lợi để phát triển nghề đánh bắt và nuôi trồng thủy sản tạo ra nguồn cung nguyên liệu dồi dào cho ngành chế biến thủy sản phục vụ nhu cầu trong và ngoài nước. Công nghiệp chế biến thủy sản là một trong những ngành phát triển khá mạnh ở nước ta trong những năm gần đây. Chế biến thủy sản là một trong những ngành kinh tế mũi nhọn góp phần tăng trưởng GDP cho quốc gia, tạo công ăn việc làm cho người lao động, nâng cao giá trị xuất khẩu của sản phẩm Bên cạnh những lợi ích do ngành chế biến thủy sản đem lại thì đây cũng là ngành sản xuất gây ô nhiễm nặng nề cho môi trường đặc biệt là môi trường nước. Nước thải của ngành công nghiệp chế biến thủy sản giàu protein, chứa lượng lớn nitơ, phostpho Hàm lượng protein cao trong nước thải làm ảnh hưởng môi trường không khí do quá trình phân hủy sinh khí H2S. Hợp chất của nitơ, phostpho được gọi là thành phần dinh dưỡng và là đối tượng gây ô nhiễm nghiêm trọng. Khi thải 1 kg nitơ dưới dạng hợp chất hóa học vào môi trường nước sẽ sinh ra được 20kg COD, tương tự như nitơ, phostpho khi thải ra môi trường 1kg sẽ sinh ra 138 kg COD dưới dạng tảo chết. [2] Đối với nước thải giàu chất hữu cơ phương pháp xử lý sinh học đã và đang chứng minh được hiệu quả xử lý hơn hẳn những biện pháp xử lý hóa lý, góp phần tiết kiệm năng lượng, hóa chất và trên hết chất thải được xử lý, phân hủy theo chu trình sinh học tự nhiên. Đối với nước thải chế biến thủy sản, việc áp dụng phương pháp xử lý sinh học càng thích hợp vì có hàm lượng hữu cơ cao, dễ phân hủy sinh học bởi vi sinh vật. Một số vi sinh vật trong nước có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ chứa nitơ là thành phần chủ yếu của nước thải thủy sản, đặc biệt là vi khuẩn thuộc chi Bacillus. Các chủng vi sinh vật này đã có nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác 1
  14. Đồ án tốt nghiệp nhau như: công nghiệp sản xuất chất tẩy rửa, công nghiệp thực phẩm đặc biệt là trong lĩnh vực xử lý nước thải chứa nhiều protein như nước thải thủy sản. Xuất phát từ nhận thức trên đề tài “Khảo sát các điều kiện thích hợp của chủng vi khuẩn phân hủy chất hữu cơ ứng dụng xử lý nước thải chế biến thủy sản” đã hình thành với mong muốn tạo được các chế phẩm sinh học phù hợp với nước thải thủy sản, bổ sung vào hệ thống xử lý nâng cao hiệu quả xử lý ô nhiễm, góp phần bảo vệ môi trường và cải thiện tài nguyên nước ngày càng trong sạch hơn. 2. Mục đích của nghiên cứu Ứng dụng chủng vi khuẩn có khả năng phân hủy hợp chất hữu cơ vào xử lý nước thải chế biến thủy sản quy mô phòng thí nghiệm. 3. Nhiệm vụ nghiên cứu - Khảo sát khả năng phân hủy chất hữu cơ của chủng vi khuẩn trong môi trường nước thải chế biến thủy sản. - Khảo sát mật độ thích hợp của chủng vi khuẩn amon hóa bổ sung vào nước thải chế biến thủy sản. - Khảo sát ảnh hưởng oxy hòa tan của chủng vi khuẩn amon hóa trong xử lý nước thải chế biến thủy sản. - Khảo sát khả năng chịu muối của chủng vi khuẩn amon hóa trong xử lý nước thải chế biến thủy sản. - Khảo sát ảnh hưởng của giá thể bám dính đối với hiệu quả xử lý nước thải chế biến thủy sản. - Chạy mô hình xử lý nước thải thủy sản Bioreactor quy mô phòng thí nghiệm. 4. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp tổng hợp tài liệu:  Nghiên cứu, thu thập tài liệu tham khảo, tài liệu internet liên quan đến đề tài.  Tổng hợp, lựa chọn các tài liệu thu thập theo mục tiêu đề ra. 2
  15. Đồ án tốt nghiệp - Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: + - - 3-  Phương pháp định lượng NH4 , NO2 ,NO3 và PO4 trong môi trường xử lý.  Phương pháp xác định mật độ tế bào vi sinh vật.  Phương pháp định lượng nhu cầu oxy hóa học (COD) và nhu cầu oxy sinh học (BOD) trong mẫu nước thải trước và sau xử lý.  Khảo sát ảnh hưởng của giá thể bám dính, mật độ vi khuẩn, nồng độ muối và nồng độ oxy hòa tan để đạt hiệu quả xử lý tối ưu.  Dựa trên các thông số thí nghiệm tiến hành chạy mô hình xử lý nước thải thủy sản Bioreactor quy mô phòng thí nghiệm. - Phương pháp thu thập và xử lí số liệu:  Ghi nhận kết quả thí nghiệm khảo sát theo từng thời điểm cụ thể.  Xử lí số liệu bằng phần mềm Microsoft Excel.  Xử lí thống kê số liệu bằng phần mềm Statgraphics Centurion XV. Các số liệu sau đó được phân tích ANOVA và được trắc nghiệm phân hạng LSD với mức ý nghĩa 0,05. 5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu:  Vi khuẩn có khả năng phân hủy hợp chất hữu cơ được lấy từ Trung tâm thí nghiệm Khoa Công Nghệ Sinh Học – Thực phẩm – Môi trường, Trường Đại Học Công Nghệ Tp.HCM. - Phạm vi nghiên cứu:  Khảo sát các điều kiện thích hợp của chủng vi khuẩn phân hủy chất hữu cơ ứng dụng trong xử lý nước thải chế biến thủy sản. 3
  16. Đồ án tốt nghiệp 6. Ý nghĩa của đề tài - Ý nghĩa khoa học: Giúp bổ sung thêm một số chủng vi khuẩn có hoạt tính protease mạnh có thể ứng dụng vào các nghiên cứu mới trong các lĩnh vực xử lý môi trường. - Ý nghĩa thực tiễn: Bổ sung chủng vi khuẩn phân hủy hợp chất hữu cơ vào quy trình xử lý nước thải rút ngắn thời gian phân hủy hợp chất hữu cơ tăng hiệu quả xử lý nước thải ngành chế biến thủy sản nói riêng và xử lý môi trường nước nói chung. 4
  17. Đồ án tốt nghiệp CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về công nghiệp chế biến thủy sản và nước thải chế biến thủy sản 1.1.1. Tổng quan về công nghiệp chế biến thủy sản Việt Nam là nước có khí hậu nhiệt đới gió mùa, ẩm ướt cũng như chịu sự chi phối của các yếu tố như gió mưa, địa hình, thảm thực vật nên tạo điều kiện hình thành dòng chảy với hệ thống sông ngòi dày đặc, tổng chiều dài các con sông khoảng 141.000 km. Theo thống kê của Bộ thủy sản thì hiện nay Việt Nam có hơn 1.470.000 ha mặt nước sông ngòi có thể dùng cho nuôi trồng thủy sản. Song song đó, nước ta có bờ biển kéo dài từ Bắc tới Nam với rất nhiều vịnh, đảo kết hợp với sông ngòi, ao hồ là nguồn lợi lớn cho phát triển ngành nuôi trồng thủy sản. Biển Đông dồi dào phù sa kết hợp với hai dòng hải lưu nóng ấm hình thành biển Việt Nam phong phú nguồn lợi thủy hải sản, sản lượng đánh bắt mỗi năm có thể lên tới hàng triệu tấn. Cùng với nghề nuôi trồng, khai thác thủy hải sản thì ngành chế biến thủy sản cũng góp phần đáng kể trong thành tựu của ngành thủy sản Việt Nam. Nguồn ngoại tệ cơ bản của ngành đem lại cho đất nước là từ chế biến thủy sản. Quá trình phát triển và xây dựng tiềm lực chế biến thủy sản có thể khái quát qua hai thời kỳ sau: - Từ năm 1976 đến năm 1989: Thời kỳ hoạt động sản xuất của ngành chế biến thủy sản ở trong tình trạng sa sút kéo dài. Dạng công nghệ chế biến thủy sản chủ yếu là nước mắm và sản phẩm khô với trình độ công nghệ lạc hậu, thủ công. - Từ năm 1990 đến nay: Công nghiệp chế biến thủy sản không chỉ phát triển về số lượng mà còn nâng cao về chất lượng với việc tăng cường đổi mới thiết bị công nghệ, áp dụng các chương trình quản lý sản xuất nhằm đáp ứng các yêu cầu cao về chất lượng an toàn vệ sinh thực phẩm và đa dạng hóa sản phẩm. Từ đó làm cơ sở cho mở rộng thị trường xuất khẩu và nâng cấp giá trị sản phẩm thủy sản. [18] 5
  18. Đồ án tốt nghiệp Qua các giai đoạn ngành thủy sản liên tục hoàn thành vượt mức toàn diện các chỉ tiêu kế hoạch Nhà nước giao với tốc độ tăng trưởng trung bình năm từ 5-8% sản lượng khai thác và 10-25% về giá trị kim ngạch xuất khẩu. Ngành thủy sản hiện tại chiếm 4% GDP, 8% xuất khẩu và 9% lực lượng lao động (khoảng 3,4 triệu người) của cả nước. Nhóm hàng chủ đạo trong xuất khẩu thủy sản của Việt Nam là cá tra, cá basa, tôm và các động vật thân mềm như mực, bạch tuộc, nghêu, sò, Trong vòng 20 năm qua ngành thủy sản luôn duy trì tốc độ tăng trưởng ấn tượng từ 10-20%. Theo Tổng cục Thống kê, ước tính giá trị sản xuất thủy sản năm 2014 (tính theo giá so sánh 2010) ước đạt gần 188 nghìn tỷ đồng, tăng 6,5% so với cùng kỳ năm 2013. Trong đó, giá trị nuôi trồng thủy sản ước đạt hơn 115 nghìn tỷ đồng (chiếm 61,2%) và giá trị khai thác thủy sản ước đạt hơn 73 nghìn tỷ đồng. 7,92 tỷ là con số ấn tượng về xuất khẩu của ngành thủy sản trong năm 2014, tăng 18,4% so với năm 2013. Trong đó, Hoa Kỳ tiếp tục là thị trường nhập khẩu thủy sản hàng đầu của Việt Nam, chiếm 21,81% tổng giá trị xuất khẩu của toàn ngành. Mặt hàng tôm năm nay tăng trưởng cao so với cùng kỳ năm 2013, chiếm khoảng một nửa kim ngạch xuất khẩu của ngành thủy sản, với giá trị xuất khẩu gần 4 tỷ USD, tăng 5,8%. Hết năm 2014, khối lượng xuất khẩu cá tra ước đạt 750 nghìn tấn với kim ngạch xuất khẩu khoảng 1,70 - 1,75 tỷ USD. [20] 1.1.2. Quy trình chế biến thủy sản Hải sản được thu mua lựa chọn những loại có đủ tiêu chuẩn chế biến. Các cơ sở chế biến khác nhau thường sử dụng công nghệ chế biến khác nhau. Cơ sở chế biến ở quy mô tiểu thủ công nghiệp sử dụng công nghệ chế biến đơn giản, công nghệ chế biến khô. Các công ty lớn sử dụng công nghệ hiện đại thành phẩm đạt tiêu chuẩn xuất khẩu. Tùy theo quy mô của các cơ sở sản xuất, tính chất nguyên liệu, tính chất sản phẩm, dây chuyền công nghệ chế biến hải sản ở mỗi cơ sở khác nhau. Tuy nhiên nhìn chung các công nghệ chế biến ở Việt Nam đều tuân theo quy trình chế biến như Hình 1.1: 6
  19. Đồ án tốt nghiệp Tôm, cá, mực, nghêu, sò Tiếp nhận nguyên liệu Sơ chế: tách đầu tôm, Chất thải rắn mực; vảy, ruột cá Nước Rửa sạch, xử lý vi sinh Nước thải Muối đá Nước thải lẫn muối Lọc cỡ, phân cỡ Xếp khuôn Cấp đông Ra khuôn Bao bì Cấp đông Bảo quản lạnh Xuất khẩu hoặc tiêu thụ trong nước Hình 1.1 : Sơ đồ quy trình chung chế biến thủy sản (Nguồn: Hiệp hội Chế biến và Xuất khẩu thủy sản Việt Nam, (2013)) 7
  20. Đồ án tốt nghiệp Lượng nước từ các công nghệ chế biến rất khác nhau, phụ thuộc vào lượng nước cấp, quy trình công nghệ, phương pháp chế biến và tình trạng máy móc. Lượng nước thải từ các công ty dao động rất lớn, ở Việt Nam lượng nước thải tính trên 1 tấn sản phẩm dao động từ 30-200m3.[17] Ngành chế biến thủy sản đã sử dụng một số lượng nước rất lớn trong quá trình chế biến đồng thời thải ra môi trường một lượng nước thải cùng với các chất rắn. 1.1.3. Thành phần tính chất nước thải ngành chế biến thủy sản Đặc điểm của ngành chế biến thuỷ hải sản là có lượng chất thải lớn. Các chất thải có đặc tính dễ ươn hỏng và dễ thất thoát theo đường thâm nhập vào dòng nước thải. Thành phần nước thải thuỷ sản cũng khá phức tạp và đa dạng bắt nguồn từ 3 loại nước thải: nước thải sản xuất, nước thải vệ sinh công nghiệp và nước thải sinh hoạt, trong đó nước thải sản xuất có mức độ ô nhiễm cao hơn cả tuỳ theo đặc tính của nguyên liệu sử dụng mà có tính chất khác nhau. Nước thải sản xuất chế biến thuỷ sản chứa chủ yếu là chất hữu cơ có nguồn gốc từ động vật thành phần là protein và chất béo. Nước thải của các xí nghiệp chế biến thuỷ sản nói chung có hàm lượng COD dao động từ 1600 - 2300 mg/l, hàm lượng BOD5 từ 1200 - 1800 mg/l. Trong nước, thường chứa các vụn thủy sản và các vụn này rất dễ lắng. Hàm lượng chất rắn lơ lửng cao từ 200 - 1000 mg/l. Hàm lượng nitơ tổng là 50 - 120 mg/l và photpho tổng là 10 - 100 mg/l. pH thường nằm trong giới hạn từ 6,5 – 7,5 do có quá trình phân huỷ đạm và thải amoniac. [4] 1.1.4. Nguồn gốc phát sinh và tác động môi trường của các chất ô nhiễm trong ngành chế biến thủy sản Các nguồn gây ô nhiễm chủ yếu trong công ty chế biến đông lạnh thường được phân chia thành 3 dạng: chất thải rắn, chất thải lỏng và chất thải khí. Trong quá trình 8
  21. Đồ án tốt nghiệp sản xuất còn gây ra các nguồn ô nhiễm khác như tiếng ồn, độ rung và khả năng gây cháy nổ. 1.1.4.1. Chất thải rắn Chất thải rắn thu được từ quá trình chế biến tôm, mực, cá, sò, đầu vỏ tôm, vỏ sò, mai mực, nội tạng thành phần chính của phế thải sản xuất các sản phẩm thủy sản chủ yếu là các chất hữu cơ giàu đạm, canxi, phospho. Toàn bộ phế liệu này được tận dụng để chế biến các sản phẩm phụ hoặc đem bán làm thức ăn gia súc, gia cầm hoặc thủy sản. Ngoài ra còn có một lượng nhỏ rác thải sinh hoạt, các bao bì, dây niềng hư hỏng hoặc đã qua sử dụng với thành phần đặc trưng của rác thải đô thị. 1.1.4.2. Chất thải lỏng Nước thải trong công ty máy chế biến đông lạnh phần lớn là nước thải trong quá trình sản xuất bao gồm nước rửa nguyên liệu, bán thành phẩm, nước sử dụng cho vệ sinh và nhà xưởng, thiết bị, dụng cụ chế biến và nước vệ sinh cho công nhân. Lượng nước thải và nguồn gây ô nhiễm chính là do nước thải trong quá trình sản xuất. 1.1.4.3. Khí thải Khí thải sinh ra từ công ty có thể là khí thải clo sinh ra trong quá trình khử trùng thiết bị, nhà xưởng chế biến và khử trùng nguyên liệu bán thành phẩm. Mùi tanh từ mực, tôm nguyên liệu, mùi hôi tanh từ nơi chứa phế thải, vỏ sò, cống rãnh. Bụi sinh ra trong quá trình vận chuyển bốc dỡ nguyên liệu. Hơi tác nhân lạnh có thể bị rò rỉ NH3 và hơi xăng dầu từ các bồn chứa nhiên liệu, máy phát điện và nồi hơi. 1.1.4.4. Tiếng ồn, nhiệt độ Tiếng ồn xuất hiện trong công ty chế biến thủy sản chủ yếu do hoạt động của các thiết bị lạnh, cháy nổ, phương tiện vận chuyển Trong phân xưởng chế biến của các công ty thủy sản nhiệt độ thường thấp và ẩm hơn so khu vực khác. [4] 9
  22. Đồ án tốt nghiệp 1.1.5. Tác động của ngành chế biến thủy sản đến môi trường sinh thái 1.1.5.1. Tác động của nước thải đến môi trường Nước thải chế biến thủy sản có hàm lượng các chất ô nhiễm cao nếu không được xử lý sẽ gây ô nhiễm các nguồn nước mặt và nước ngầm trong khu vực. Đối với nước ngầm tầng nông, nước thải chế biến thủy sản có thể thấm xuống đất và gây ô nhiễm nước ngầm. Các nguồn nước ngầm nhiễm các chất hữu cơ, dinh dưỡng và vi khuẩn rất khó xử lý thành nước sạch cung cấp cho sinh hoạt. Đối với nguồn nước mặt, các chất ô nhiễm có trong nước thải chế biến thủy sản sẽ làm suy thoái chất lượng nước, tác động xấu đến môi trường và vi sinh vật thủy sinh cụ thể như sau:  Các chất hữu cơ Các chất hữu cơ chứa trong nước thải chế biến thủy sản chủ yếu là dễ bị phân hủy. Trong nước thải chứa các chất như cacbohyrate, protein, chất béo khi thả vào nguồn nước sẽ làm suy giảm nồng độ oxy hòa tan trong nước do vi sinh vật sử dụng oxy hòa tan để phân hủy các chất hữu cơ. Nồng độ oxy hòa tan dưới 50% bão hòa có khả năng gây ảnh hưởng tới sự phát triển của tôm, cá. Oxy hòa tan giảm không chỉ gây suy thoái tài nguyên thủy sản mà còn làm khả năng tự làm sạch của nguồn nước, dẫn đến giảm chất lượng nước cấp cho sinh hoạt và công nghiệp.  Tác động của chất rắn lơ lửng. Các chất rắn lơ lửng làm cho nước đục hoặc có màu nó hạn chế độ sâu tầng nước được ánh sáng chiếu xuống, gây ảnh hưởng đến quá trình quang hợp của tảo, rong, rêu chất rắn lơ lửng cũng là tác nhân gây ảnh hưởng tiêu cực đến tài nguyên thủy sinh đồng thời gây hại về mặc cảm quan ( tăng độ đục nguồn nước) và gây bồi lắng dòng sông, cản trở sự lưu thông nước và tàu bè  Tác động của các chất dinh dưỡng (N,P). Nồng độ các chất nitơ, phospho cao gây hiện tượng phát triển bùng nổ các loài tảo, đến mức độ giới hạn tảo sẽ bị chết và phân hủy gây hiện tượng thiếu oxy. 10
  23. Đồ án tốt nghiệp Nếu nồng độ oxy giảm đến 0 gây ra hiện tượng thủy vực chết ảnh hưởng đến chất lượng nước của thủy vực. Ngoài ra, các loài tảo nổi trên mặt nước tạo thành lớp màng khiến cho mặt nước không đủ ánh sáng, quá trình quang hợp của thực vật tầng dưới bị ngưng trệ. Tất cả các hiện tượng trên gây tác động xấu tới chất lượng nước, ảnh hưởng tới hệ thủy sinh, nghề nuôi trồng thủy sản, du lịch và cấp nước. Amonia rất độc cho tôm cá dù ở nồng độ rất nhỏ. Nồng độ amonia làm chết tôm cá từ 1,2 – 1,3mg/L. Tiêu chuẩn chất lượng nước nuôi trồng thủy sản của nhiều quốc gia yêu cầu nồng độ amonia không vượt quá 1mg/L.  Vi sinh vật. Các vi sinh vật, đặc biệt là vi khuẩn gây bệnh và trứng giun sán trong nguồn nước là nguồn ô nhiễm đặc biệt. Con người trực tiếp sử dụng nguồn nước nhiễm bẩn hay qua các nhân tố lây bệnh sẽ truyền dẫn các bệnh dịch cho con người như bệnh lị, thương hàn, bại liệt, nhiễm khuẩn đường tiết niệu và tiêu chảy cấp tính. [9] 1.1.5.2. Tác động của khí thải đến môi trường Các khí thải có chứa các bụi, các chất khí COx, NOx, SOx sẽ tác động xấu đến sức khỏe của công nhân lao động trong khu vực, đây là tác nhân gây bệnh hô hấp cho con người nếu hít thở không khí ô nhiễm lâu ngày. Khí clo phát sinh từ khâu vệ sinh chứa hàm lượng chlorine 100 – 200 ppm, chlo hoạt động còn lại trong nước thải với hàm lượng cao và nồng độ khí clo trong không khí đo được tại chỗ thường cao hơn mức quy định từ 5 – 7 lần. Clo là loại khí độc gây ảnh hưởng trực tiếp đến mắt, đường hô hấp khi tiếp xúc ở nồng độ cao có thể gây chết người. Ngoài ra, các sản phẩm phụ là các chất hữu cơ dẫn xuất của clo có độ bền vững và độc tính cao. Các chất này đều độc hại và có khả năng tích tụ sinh học. 11
  24. Đồ án tốt nghiệp Mùi hôi tanh ở khu vực sản xuất tuy không có độc tính cấp, nhưng trong điều kiện phải tiếp xúc với thời gian dài người lao động sẽ có biểu hiện đặc trưng như buồn nôn, kém ăn, mệt mỏi trong giờ làm việc. [14] 1.2. Tổng quan phương pháp xử lý nước thải thủy sản Các loại nước thải đều chứa các tạp chất gây nhiễm bẩn có tính chất rất khác nhau: từ các loại chất rắn không tan, đến các loại chất rắn khó tan và những hợp chất tan trong nước. Xử lý nước thải là loại bỏ các tạp chất đó, làm sạch lại nước và có thể đưa nước đổ vào nguồn hoặc tái sử dụng. Tuỳ vào yêu cầu của nước thải đầu ra hoặc mục đích tái sử dụng nước thải, tuỳ vào thành phần và tính chất nước thải cũng như yêu cầu về năng lượng, hoá chất mà chúng ta lựa chọn phương pháp xử lý thích hợp:  Xử lý bằng phương pháp cơ học.  Xử lý bằng phương pháp hoá lí và hoá học.  Xử lý bằng phương pháp sinh học. Tuy nhiên đối với yêu cầu của nước thải đầu ra như hiện nay, dây chuyền công nghệ xử lý nước thải đòi hỏi áp dụng phối hợp các phương pháp trên. Và đặc biệt, phương pháp sinh học không phải là một phương pháp riêng lẻ trong bất cứ công nghệ xử lý nước thải nào, mà đòi hỏi phải đi kèm theo các phương pháp cơ học và hoá lí.[4] 1.2.1. Các quá trình trong xử lý nước thải Phương pháp xử lí sinh học là sử dụng khả năng sống, hoạt động của vi sinh vật để phân hủy các chất bẩn hữu cơ có trong nước thải. Các vi sinh vật sử dụng các hợp chất hữu cơ và một số khoáng chất làm nguồn dinh dưỡng và tạo năng lượng. Trong quá trình dinh dưỡng, chúng nhận các chất dinh dưỡng để xây dựng tế bào, sinh trưởng và sinh sản vì thế sinh khối của chúng được tăng lên. Quá trình phân hủy các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật gọi là quá trình oxy hóa sinh hóa. Phương pháp xử lý sinh học có thể thực hiện trong điều kiện hiếu khí ( với sự có mặt của oxy) hoặc trong điều kiện kị khí ( không có oxy). 12
  25. Đồ án tốt nghiệp Phương pháp xử lý sinh học có thể ứng dụng làm sạch hoàn toàn các loại nước thải chứa chất hữu cơ hòa tan hoặc phân tán nhỏ. Quá trình xử lý sinh học có thể đạt hiệu suất khử trùng 99.9% ( trong các công trình trong điều kiện tự nhiên) theo BOD tới 90-95%. Quá trình xử lý sinh học gồm các bước:  Chuyển hóa các hợp chất có nguồn gốc cacbon ở dạng keo và dạng hòa tan thành thể khí và thành các vỏ tế bào vi sinh.  Tạo ra các bông cặn sinh học gồm các tế bào vi sinh vật và các chất keo vô cơ trong nước thải.  Loại các bông cặn ra khỏi nước thải bằng quá trình lắng. Do kết hợp các phương pháp xử lý: cơ học, hoá học, sinh học nên một dây chuyền công nghệ xử lý nước thải phải đi qua các khối sau.[3] 1.2.1.1. Khối xử lý cơ học Tách các chất không hoà tan và một phần dạng keo. Trong nước thải thường có các loại tạp chất rắn kích cỡ khác nhau bị cuốn theo: rơm, cỏ, lá, gỗ, mẫu bao bì, chất dẻo, giấy, dẽ, dầu mỡ, cát, sỏi Mục tiêu của khối xử lý này là loại bỏ cặn có kích thước lớn và những vật liệu thô có thể làm tắc những thiết bị trong nhà máy. Các công trình trong xử lý cơ học như: song chắn rác, lắng cát, các loại bể lắng, vớt lọc dầu. 1.2.1.2. Khối xử lý hoá học Loại bỏ các chất thải rắn có kích thước nhỏ hơn, cũng như các chất hoà tan mà phương pháp sinh học, cơ học không xử lý được. Sử dụng các phương pháp hoá học là các phản ứng hoá học, các quá trình hoá lý diễn ra giữa chất bẩn và hoá chất cho thêm vào. Đó là phản ứng trung hoà, phản ứng oxi hoá - khử, phản ứng tạo kết tủa hoặc phân huỷ các chất độc hại. Các công trình trong khối xử lý hoá học ứng dụng các phương pháp biến đổi cơ học và kết hợp cơ học: keo tụ, hấp thụ, hấp phụ.với các bể tuyển nổi, tháp hấp phụ Các công trình khối này được đặt sau các công trình xử lý cơ học và trước công trình 13
  26. Đồ án tốt nghiệp xử lý sinh học. 1.2.1.3. Khối xử lý sinh học Dựa trên hoạt động của vi sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn dị dưỡng hoại sinh có trong nước thải. Quá trình hoạt động của chúng oxy hoá các chất hữu cơ dạng keo và hoà tan, những chất hữu cơ gây nhiễm bẩn được khoáng hoá và trở thành những chất vô cơ, các chất khí đơn giản và nước. Các công trình xử lý sinh học được phân ra: các công trình trong điều kiện tự nhiên như cánh đồng tưới, hồ sinh học và các công trình nhân tạo như bể lọc sinh học, bể bùn hoạt tính.  Nguyên tắc Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học dựa trên hoạt động sống của vi sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn dị dưỡng hoại sinh, có trong nước thải. Quá trình hoạt động của chúng giúp các chất hữu cơ gây nhiễm bẩn được khoáng hoá và trở thành những chất vô cơ, các chất khí đơn giản và nước. Các vi sinh vật có thể phân huỷ được tất cả các chất hữu cơ có trong thiên nhiên và nhiều hợp chất hữu cơ tổng hợp. Mức độ phân huỷ và thời gian phân huỷ phụ thuộc trước hết vào cấu tạo các chất hữu cơ, độ hoà tan của các chất trong nước và các yếu tố ảnh hưởng khác. Vi sinh vật có trong nước thải sử dụng các hợp chất hữu cơ và một số chất khoáng có trong nước thải làm nguồn dinh dưỡng và sinh năng lượng. Quá trình phân huỷ các chất dinh dưỡng làm cho các vi sinh vật sinh trưởng, phát triển tăng số lượng tế bào (gia tăng sinh khối), đồng thời làm sạch các chất hoà tan hoặc các hạt keo nhỏ. Do vậy trước khi xử lý sinh học, người ta phải loại bỏ các tạp chất có kích thước, trọng lượng lớn ra khỏi nước thải trong giai đoạn xử lý sơ bộ. Đối với các tạp chất vô cơ có trong nước thải thì phương pháp sinh học có thể khử các chất sulfit, muối amon, nitrat 14
  27. Đồ án tốt nghiệp .các chất chưa bị oxi hoá hoàn toàn. Sản phẩm của các quá trình này là khí CO2, H2O, khí N2, ion sulfat.[3],[4]  Sinh trưởng lơ lửng - bùn hoạt tính Bùn hoạt tính là tập hợp các vi sinh vật khác nhau chủ yếu là vi khuẩn, kết lại thành bông với trung tâm là các hạt chất rắn lơ lửng trong nước. Các bông này có màu vàng nâu, dễ lắng, có kích thước từ 3 - 150 pm. Các chất keo dính trong khối nhầy của bùn hoạt tính hấp phụ các chất lơ lửng, vi khuẩn, các chất màu, mùi, .trong nước thải. Do vậy hạt bùn sẽ lớn dần và tổng lượng bùn cũng tăng dần lên, rồi từ từ lắng xuống đáy. Kết quả là nước sáng màu, giảm lượng ô nhiễm, các chất huyền phù lắng xuống cùng với bùn và nước sẽ được làm sạch. Khi cân bằng dinh dưỡng cho vi sinh vật trong nước thải cần quan tâm tới tỉ số BOD5 : N : P = 100 : 5 : 1 hoặc 200 : 5 : 1 trong các công trình xử lý hiếu khí. Khi cân bằng dinh dưỡng người ta có thể dùng NH4OH, ure và các muối amon làm nitơ và các muối phosphat, supephosphat làm nguồn phospho. Các nguyên tố vi lượng: K, Mg, Ca, S, Fe, Mn, Zn đều cần cho vi sinh vật nhưng ở trong nước thải thường có đủ mặt các chất này và không cần phải bổ sung thêm. Thiếu các nguyên tố dinh dưỡng sẽ kìm hãm sinh trưởng và ngăn cản các quá trình oxi hoá - khử trong tế bào vi sinh vật, làm giảm khả năng phân huỷ chất hữu cơ có trong nước thải:  Nếu thiếu nitơ (dạng NH4+ là nguồn dinh dưỡng của vi sinh vật) lâu dài sẽ làm cho vi sinh vật không sinh sản, tăng sinh khối, ngoài ra còn cản trở quá trình hoá sinh làm cho bùn hoạt tính khó lắng, trôi theo nước ra khỏi bể lắng.  Nếu thiếu phospho sẽ tạo điều kiện cho vi sinh vật sợi phát triển như Nocardia hay Microthrix gây sự cố bung bùn trong bùn hoạt tính, làm cho quá trình lắng chậm và giảm hiệu suất oxi hoá các chất hữu cơ của bùn hoạt tính. Số lượng vi khuẩn trong bùn hoạt tính dao động trong khoảng 108 đến 1012 trên 15
  28. Đồ án tốt nghiệp 1mg chất khô (chất rắn tách ra từ bùn hoạt tính bằng cách lọc hoặc ly tâm ở 100oC). Phần lớn chúng là Pseudomonas, Achromobacter, Alcaligenes, Bacillus, Micrococcus, Flavobacterium Các vi khuẩn tham gia quá trình chuyển hoá NH3 thành N2 thấy có mặt trong bùn như Nitromonas, Nitrobacter, Acinetobacter, Hyphomycrobium, Thiobacillus. Trong khối nhầy ta thấy có loài Zooglea, đặc biệt là Z.ramizoga rất giống Pseudomonas. Chúng có khả năng sinh ra một bào nhầy chung 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 hạt bông. Trong bùn hoạt tính ta còn thấy các loài nguyên sinh động vật. Chúng đóng vai trò khá quan trọng trong bùn. Chúng cũng tham gia phân huỷ các chất hữu cơ ở điều kiện hiếu khí, điều chỉnh loài và tuổi quần thể vi sinh vật trong bùn, giữ cho bùn luôn luôn hoạt động ở điều kiện tối ưu. Động vật nguyên sinh 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 huỷ các chất hữu cơ nhiễm bẩn và làm kết lắng bùn nhanh. Trong bùn hoạt tính thấy có đại diện của 4 lớp Protozoa là Sarcodina, Mastogophora, Ciliata và Suctoria. Hay gặp nhất là giống Amoeba thuộc lớp Sarcodina. Các loài Cladocera thì lọc các tế bào vi khuẩn và cả chất hữu cơ chết, lọc tảo sợi, có ích trong việc làm giảm độ đục của nước thải sau xử lý. Người ta lấy chỉ tiêu Protozoa để xác định chất lượng bùn hoạt tính, bùn có chất lượng cao cứ 1 triệu tế bào vi khuẩn phải có 10 - 15 protozoa.[2],[4]  Sinh trưởng dính bám - màng sinh học Trong dòng nước thải có những vật rắn làm giá mang, các vi sinh vật (chủ yếu là vi khuẩn) sẽ dính bám trên bề mặt. Trong số các vi sinh vật có những loài sinh ra các polysaccharide có tính chất như là các chất dẻo (gọi là polyme sinh học), tạo thành màng - màng sinh học. Màng này cứ dày dần thêm và thực chất đây là sinh khối vi sinh vật dính bám hay cố định trên các chất mang. Màng này có khả năng oxy hoá các chất 16
  29. Đồ án tốt nghiệp hữu cơ có trong nước thải khi nước chảy qua hoặc tiếp xúc với màng, ngoài ra màng này còn khả năng hấp phụ các chất bẩn lơ lửng hoặc trứng giun sán Như vậy, màng sinh học là tập hợp các loài vi sinh vật khác nhau, có hoạt tính oxy hoá các chất hữu cơ có trong nước khi tiếp xúc với màng. Màng này dày từ 1 - 3mm và hơn nữa. Màu của màng thay đổi theo thành phần của nước thải từ màu vàng xám đến màu nâu tối. Trong quá trình xử lý, nước thải chảy qua lớp vật liệu lọc có thể cuốn theo các hạt của màng vỡ với kích thước 15 - 30 mm có màu sáng vàng hoặc nâu. Các công trình xử lý nước thải ứng dụng màng sinh học trên để loại bỏ các chất hữu cơ nhiễm bẩn ra khỏi nước thải. Cơ chế hoạt động của các công trình dựa trên lớp vật liệu lọc, tạo thành giá đỡ để hình thành màng sinh học. Vật liệu lọc có thể được thí nghiệm đơn giản với cát, sỏi được xếp như sau: ở dưới cùng là các lớp sỏi cuội đã rửa sạch có kích thước nhỏ dần theo chiều cao của lớp lọc, ở lớp trên được trải lớp cát vàng hạt to rồi đến nhỏ. Nước thải đã được lọc qua lớp màng sinh học sẽ thấm qua lớp cát nhỏ trên cùng rồi thấm dần qua lọc. Màng này được tạo thành từ hàng triệu đến hàng tỉ tế bào vi khuẩn, các vi sinh vật khác và có cả động vật nguyên sinh. Màng sinh học trong các công trình lọc sinh học chủ yếu là các vi khuẩn hiếu khí, nhưng thực ra phải coi đây là hệ tuỳ tiện, màng còn có các vi khuẩn tuỳ tiện và kị khí. Ở ngoài cùng lớp màng là lớp hiếu khí, rất dễ thấy các loài trực khuẩn Bacillus. Lớp trung gian là các vi khuẩn tuỳ tiện như Pseudomonas, Alcaligenes, Flavobacterium, Micrococcus và cả Bacillus. Lớp sâu bên trong màng là kị khí, có vi khuẩn kị khí khử lưu huỳnh và khử nitrat là Desulfovibrio. Phần dưới cùng của lớp màng là lớp quần thể vi sinh vật với sự có mặt của động vật nguyên sinh và một số vi sinh vật khác. Các loài này sử dụng một phần màng sinh học làm thức ăn tạo thành các lỗ nhỏ của màng trên bề mặt chất mang. Quần thể vi sinh vật của màng sinh học có tác dụng như bùn hoạt tính.[4] 1.2.1.4. Khối khử trùng Nước thải sau khi đã được xử lý qua ba khối trên sẽ được xử lý triệt để hơn theo 17
  30. Đồ án tốt nghiệp yêu cầu nguồn tiếp nhận bằng cách khử trùng nước trước khi xả ra nguồn. Mục đích của khối khử trùng là để nâng cao nước thải đầu ra, đảm bảo sạch mầm bệnh theo tiêu chuẩn nguồn tiếp nhận. Các công trình khối khử trùng bao gồm: trạm trộn Clor, máng trộn, bể tiếp xúc. 1.2.1.5. Khối xử lý cặn Trong quá trình xử lý nước thải, thu được một lượng lớn bùn cặn, đó là các tạp chất vô cơ, hữu cơ. Bùn cặn thu được ở công đoạn xử lý sơ bộ (cấp I) sau các khối xử lý cơ học, hoá học là các cặn vô cơ, bùn cặn thu được ở lắng II sau khối xử lý sinh học là các tạp chất hữu cơ, chứa nhiều sinh khối vi sinh vật. Khối xử lý cặn sẽ xử lý các loại bùn cặn thải ra ở các khối trên. Các công trình xử lý cặn gồm: bể metan, sân phơi bùn, trạm xử lý cơ học bùn cặn.[4] 1.2.2. Các quy trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học trong điều kiện hiếu khí 1.2.2.1. Các quy trình xử lý  Bể Aerotank truyền thống Bể Bể Nguồn Đầu lắng Bể aerotank lắng tiếp vào đợt 1 đợt 2 nhận Xả bùn Xả bùn hoạt tính Hình 1.2. Sơ đồ làm việc của bể Aerotank truyền thống  Bể Aerotank tải trọng cao Hoạt động của bể Aerotank tải trọng cao tương tự như bể có dòng chảy nút, chịu được tải trọng chất bẩn cao và có hiệu suất làm sạch cũng cao, sử dụng ít năng lượng, 18
  31. Đồ án tốt nghiệp lượng bùn sinh ra thấp. Nước thải đi vào có độ nhiễm bẩn cao, thường là BOD > 500 mg/l. Tải trọng bùn hoạt tính là 400 – 1000 mg BOD/g bùn (không cho) trong một ngày đêm.  Bể Aerotank có hệ thống cấp khí giảm dần theo chiều dòng chảy Nồng độ chất hữu cơ vào bể Aerotank được giảm dần từ đầu đến cuối bể do đó nhu cầu cung cấp oxy cũng tỷ lệ thuận với nồng độ các chất hữu cơ. Ưu điểm: - Giảm được lượng không khí cấp vào bể tức là giảm công suất của máy thổi khí. - Không có hiện tượng làm thoáng quá mức làm ngăn cản sự sinh trưởng của vi khuẩn khử các hợp chất Nitơ. - Có thể áp dụng tải trọng cao (F/M cao), chất lượng nước ra tốt.  Bể Aerotank có ngăn tiếp xúc với bùn hoạt tính đã ổn định (Contact Stabilitation): Bể gồm ngăn tiếp xúc và ngăn tái sinh. Xả bùn Xả bùn hoạt tính Ngăn tái sinh Nguồn Đầu Bể Bể bùn hoạt tính tiếp vào lắng lắng nhận đợt 1 Ngăn tiếp xúc đợt 2 Hình 1.3. Sơ đồ làm việc của bể Aerotank có ngăn tiếp xúc Ưu điểm của dạng bể này là bể Aerotank có ngăn tiếp xúc có dung tích nhỏ, chịu được sự dao động của lưu lượng và chất lượng nước thải, có thể ứng dụng cho nước thải có hàm lượng keo cao. 19
  32. Đồ án tốt nghiệp  Bể Aerotank làm thoáng kéo dài Khi nước thải có tỉ số F/M (tỷ lệ giữa BOD5 và bùn hoạt tính: mg BOD5/mg bùn hoạt tính) thấp, tải trọng thấp, thời gian thông khí thường 20 – 30h. Hình 1.4. Sơ đồ làm việc của bể Aerotank làm thoáng kéo dài  Bể Aerotank khuấy trộn hoàn chỉnh Hình 1.5. Bể Aerotank thông khí cao có khuấy trộn hoàn chỉnh Ưu điểm là pha loãng ngay tức khắc, nồng độ các chất ô nhiễm trong toàn thể tích bể, không xảy ra hiện tượng quá tải cục bộ ở bất cứ phần nào của bể, áp dụng thích hợp cho loại nước thải có chỉ số bùn cao, cặn khó lắng. 20
  33. Đồ án tốt nghiệp  Oxytank Dựa trên nguyên lý làm việc của Aerotank khuấy đảo hoàn chỉnh người ta thay không khí nén bằng sục khí oxy tinh khiết. Hình 1.6: Bể Oxytank Ưu điểm: - Hiệu suất cao nên tăng được tải trọng BOD - Giảm thời gian sục khí - Lắng bùn dễ dàng - Giảm bùn đáng kể trong quá trình xử lý  Mương oxy hóa Mương oxy hóa là dạng cải tiến của bể Aerotank khuấy trộn hoàn chỉnh có dạng vòng hình chữ O làm việc trong chế độ làm thoáng kéo dài với dung dịch bùn hoạt tính lơ lửng trong nước thải chuyển động tuần hoàn liên tục trong mương. 21
  34. Đồ án tốt nghiệp Hình 1.7: Mương oxy hóa  Bể lọc sinh học – Biofilter Là công trình được thiết kế nhằm mục đích phân hủy các chất hữu cơ có trong nước thải nhờ quá trình oxy hóa diễn ra trên bề mặt vật liệu tiếp xúc. Trong bể chứa đầy vật liệu tiếp xúc, là giá thể cho vi sinh vật sống bám. Có 2 dạng: Bể lọc sinh học nhỏ giọt: Là bể sinh học có lớp vật liệu lọc không ngập nước. Giá trị BOD của nước thải sau khi làm sạch tới 10 ÷ 15 mg/l. Với lưu lượng nước thải không quá 1000m3/ngày. Bể lọc sinh học cao tải: Lớp vật liệu lọc đặt ngập trong nước. Tải trọng nước thải tới 10 ÷ 30 m3/m2 tức là gấp 10 ÷ 30 lần ở bể lọc sinh học nhỏ giọt. Tháp lọc sinh học cũng có thể được xem như là một bể sinh học nhưng có chiều cao khá lớn. 22
  35. Đồ án tốt nghiệp Hình 1.8. Bể lọc sinh học  Đĩa quay sinh học RBC (Rotating biological contractors) RBC gồm một loại đĩa tròn xếp gần nhau bằng polystyren hay PVC. Những đĩa này được nhúng chìm trong nước thải và quay từ từ. Trong khi vận hành, sinh vật tăng trưởng sẽ bám dính vào bề mặt đĩa và hình thành một lớp màng nhày trên toàn bộ bề mặt ướt của đĩa. Đĩa quay làm cho sinh khối luôn tiếp xúc với chất hữu cơ trong nước thải và không khí để hấp thụ oxy, đồng thời tạo sự trao đổi oxy và duy trì sinh khối trong điều kiện hiếu khí. Hình 1.9. Đĩa quay sinh học 23
  36. Đồ án tốt nghiệp  Bể sinh học theo mẻ SBR (Sequence Batch Reacter) SBR là một dạng bể của bể Aerotank. Khi xây dựng bể SBR nước thải chỉ cần đi qua song chắn rác, bể lắng cát và tách dầu mỡ nếu cần, rồi nạp thẳng vào bể. Ưu điểm là khử được các hợp chất Nitơ, photpho khi vận hành đúng quy trình hiếu khí, thiếu khí và yếm khí. Bể SBR hoạt động theo 5 pha: - Pha làm đầy (Fill): Thời gian bơm nước vào bể kéo dài từ 1-3 giờ. Dòng nước thải được đưa vào bể trong suốt thời gian diễn ra pha làm đầy. Trong bể phản ứng hoạt động theo mẻ nối tiếp nhau, tùy thuộc vào mục tiêu xử lý, hàm lượng BOD đầu vào, quá trình làm đầy có thể thay đổi linh hoạt: Làm đầy – tĩnh, làm đầy – hòa trộn, làm đầy sục khí. - Pha phản ứng, thổi khí (React): Tạo phản ứng sinh hóa giữa nước thải và bùn hoạt tính bằng sục khí hay làm thoáng bề mặt để cung cấp oxy vào nước và khuấy trộn đều hỗn hợp. Thời gian làm thoáng phụ thuộc vào chất lượng nước thải, thường khoảng 2 giờ. Trong pha phản ứng, quá trình nitrat hóa có thể thực 2- hiện, chuyển nitơ từ dạng N-NH3 sang N-NO2 và nhanh chóng chuyển sang - dạng N-NO 3 . - Pha lắng (Settle): Lắng trong nước. Quá trình diễn ra trong môi trường tĩnh, hiệu quả thủy lực của bể đạt 100%. Thời gian lắng trong và cô đặc bùn thường kết thúc sớm hơn 2 giờ. - Pha rút nước (Draw): Khoảng 0.5 giờ. - Pha chờ: Chờ đợi để nạp mẻ mới, thời gian chờ phụ thuộc vào thời gian vận hành 4 quy trình và số lượng bể, thứ tự nạp nước nguồn vào bể. Xả bùn dư là một giai đoạn quan trọng không thuộc 5 giai đoạn cơ bản trên, nhưng nó cũng ảnh hưởng đến năng suất của hệ. Lượng và tần suất xả bùn được xác định bởi năng suất yêu cầu, cũng giống như hệ hoạt động liên tục thông thường. Trong hệ hoạt động gián đoạn, việc xả thường được thực hiện ở giai đoạn lắng hoặc giai đoạn 24
  37. Đồ án tốt nghiệp tháo nước trong. Đặc điểm duy nhất là lở bể SBR không tuần hoàn của bùn hoạt hóa. Hai quá trình làm thoáng và lắng đều diễn ra ở ngay trong một bể, cho nên không có sự mất mát bùn hoạt tính ở giai đoạn phản ứng và không phải tuần hoàn bùn hoạt tính để giữ nồng độ.[4] Hình 1.10. Bể SBR 1.2.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học  Nồng đô chất hữu cơ: chất hữu cơ có trong nứơc thải phải là cơ chất dinh dưỡng nguồn cacbon và năng lượng cho vi sinh vật. Các hợp chất hidrocacbon, protein, lipit hoà tan thường là cơ chất dinh dưỡng rất tốt cho vi sinh vật. COD/BOD 0,5 mới có thể đưa vào xử lí sinh học (hiếu khí), nếu COD lớn hơn BOD nhiều lần, trong đó gồm có xenlulozơ, hemixenlulozơ, protein, tinh bôt chưa tan thì phải qua xử lý sinh học kị khí. Và tỉ tệ chất hữu cơ của nước thải đầu vào các công trình xử lý sinh học theo tỉ số sau BOD5 : N : P = 100 : 5 : 1 hoặc 200 : 5 :1 trong xử lý kéo dài. Nếu trong các công trình bùn hoạt tính, thiếu nitơ lâu dài, ngoài sự cản trở tạo tế bào mới và bùn, cản trở quá trình trao đổi chất của vi sinh vật và còn làm cho bùn khó lắng, các hạt bông trôi nổi làm cho nước khó trong. Thiếu phospho tạo sự phát triển của vi khuẩn dạng sợi, là nguyên nhân chính làm cho bùn phồng lên, khó lắng. Để cân đối dinh dưỡng 25
  38. Đồ án tốt nghiệp có thể dùng các muối amon và phosphat như urê hay supephosphat vào nước thải để tăng nguồn N và P. Cần loại bỏ bớt các chất hữu cơ khó phân huỷ trong nước thải đầu vào như : lignin, kitin , có thể loại bỏ hiệu quả các chất trên ở giai đoạn xử lý hoá lý .  pH của nước thải : có ảnh hưởng đến các quá trình hoá sinh của vi sinh vật. Quá trình tạo màng sinh học, quá trình tạo bùn và lắng. pH thích hợp cho vi khuẩn sinh trưởng và phân huỷ hiệu quả chất hữu cơ từ 6.5 - 8.5, tốt nhất là 7.5, pH > 9 hoặc pH < 4 đều ức chế hoạt đông sống của vi sinh vật, ảnh huởng đến hiệu quả xử lý của công trình. Trong thời gian cuối, nước thải trong aerotank có pH chuyển sang kiềm, có thể là các hợp chất nitơ được chuyển thành NH3 hoặc muối amon, cần điều chỉnh lại pH của bể.  Nhiệt đô: nhiệt độ của nước thải cũng ảnh hưởng rất lớn đến hoạt đông sống của vi sinh vật. Hầu hết các vi sinh vật có trong nước thải là các thể ưa ấm (mesophilic), chúng có nhiệt đô sinh trưởng tối đa là 40oC và tối thiểu là 5oC. Vì vậy, nhiệt đô xử lý nước thải chỉ trong khoảng 6 - 37oC, tốt nhất là 15 - 35oC. Và trong các công trình bùn hoạt tính, nhiệt độ còn ảnh hưởng tới quá trình hoà tan oxy vào nước cũng như khả năng kết lắng của các bông cặn bùn hoạt tính.  Nồng độ các chất lơ lửng (SS) ở dạng huyền phù: sau khi xử lý sơ bộ, tuỳ thuộc nồng độ chất lơ lửng có trong nước thải mà xác định công trình xử lý cơ bản như lọc sinh học hoặc aerotank. Nếu nồng độ các chất lơ lửng không quá 100 mg/l thì loại hình xử lý thích hợp là bể lọc sinh học và nồng độ không quá 150 mg/l thì xử lý bằng aerotank sẽ cho hiệu quả phân huỷ các chất hữu cơ nhiễm bẩn là cao nhất. Ngoài ra, nếu nước thải có hàm lượng chất lơ lửng quá lớn có thể được coi như bùn cặn và được xử lý kị khí bằng bể metan. Tuy nhiên đối với các công trình xử lý hiếu khí, với lượng chất rắn lơ lửng cao thường làm ảnh hưởng tới hiệu quả xử lý. Vì vậy, đối với nước thải có hàm lượng chất rắn lơ lửng cao cần phải qua lắng 1 trong giai đoạn xử lý sơ bộ một cách đầy đủ để có 26
  39. Đồ án tốt nghiệp thể loại bỏ các cặn lớn và một phần các chất rắn lơ lửng.  Nồng độ các nguyên tố vi lượng: nước thải đầu vào cần đòi hỏi không có chất độc làm chết hoặc ức chế hoàn toàn hệ vi sinh vật trong nước thải. Trong số các chất độc phải chú ý hàm lượng kim loại nặng. Theo mức độ độc hại của kim loại, xếp theo thứ tự: Sb >Ag >Cu >Hg >Co >Ni >Pb >Cr3+ >V >Cd >Zn >Fe Muối của các kim loại này ảnh huởng nhiều tới đời sống của vi sinh vật, nếu quá nồng độ cho phép, các vi sinh vật không thể sinh trưởng được và có thể bị chết. Như vậy, không thể tiến hành xử lý sinh học. Nồng độ muối của chúng thấp sẽ làm giảm tốc độ làm sạch nước, vì các kim loại trên cũng là những chất vi lượng cần cho vi sinh vật.  Hàm lượng oxy trong nước thải: đối với các công trình xử ký hiếu khí như aerotank, điều kiện đầu tiên để đảm bảo cho aerotank có khả năng oxy hoá các chất hữu cơ với hiệu suất cao là phải đảm bảo cung cấp đủ lượng oxy mà chủ yếu là oxy hoà tan trong môi trường lỏng một cách liên tục, đáp ứng đầy đủ nhu cầu hiếu khí của vi sinh vật trong bùn hoạt tính. Lượng oxy có thể được coi là đủ khi nước thải ra khỏi bể lắng 2 có nồng độ oxy hoà tan DO = 2 mg/l. Còn đối với bể lọc sinh học làm việc trong điều kiện thoáng khí, ngoài việc cấp oxy cho vi sinh vật ở màng sinh học hoạt động, thoáng khí còn có tác dụng loại ra khỏi lọc các khí tạo thành do quá trình phân huỷ chất hữu cơ có trong nước, như CO2 và có thể có cả CH4, H2S Và đối với các công trình xử lý kị khí, lại đòi hỏi nước thải có hàm lượng oxy hoà tan thấp, cho vi sinh vật kị khí hoạt động hiệu quả trong điều kiện không có oxy.  Hệ thống xử lý: chế độ thuỷ động như bơm, các thiết bị thông khí nhằm cung cấp oxy hoà tan cho các công trình xử lý hiếu khí như aerotank, bể lọc sinh học. Để đáp ứng nhu cầu oxy hoà tran trong aerotank người ta thường chọn giải pháp là khuấy cơ học (khuấy ngang, khuấy đứng), thổi và sục khí bằng hệ thống phân 27
  40. Đồ án tốt nghiệp tán khí thành các dòng, hoặc tia lớn nhỏ khác nhau, và kết hợp nén khí với khuấy đảo. Đối với bể lọc sinh học, để thông khí người ta dùng quạt gió thổi vào khoảng trống ở đáy bể và không khí từ đó đi lên qua các khe của lớp vật liệu lọc.[3],[9] 1.3. Tổng quan về quá trình phân hủy hợp chất hữu cơ 1.3.1. Chất hữu cơ và hợp chất chứa Nitơ trong nước thải Dựa vào khả năng có thể phân hủy nhờ vi sinh vật có trong nước mà ta có thể phân các chất hữu cơ thành hai nhóm:  Các chất hữu cơ dễ bị phân hủy Đó là các hợp chất protein, hydratecacbon, chất béo có nguồn gốc từ thực vật và động vật. Đây là các chất gây ô nhiễm chính có nhiều trong nước thải sinh hoạt và nước thải từ các xí nghiệp chế biến thực phẩm. Các hợp chất này chủ yếu làm suy giảm oxy hòa tan trong nước dẫn đến suy thoài tài nguyên thủy sản và làm giảm chất lượng nước.  Các chất hữu cơ khó bị phân hủy Các chất loại này thuộc các chất hữu cơ có vòng thơm (hydrocacbon của dầu khí), các chất đa vòng ngưng tụ, các hợp chất clo hữu cơ, phospho hữu cơ Trong số các chất này nhiều hợp chất là các chất hữu cơ tổng hợp. Hầu hết chúng là các chất có độc tính đối với sinh vật và con người. Chúng tồn lưu lâu dài trong môi trường và cơ thể sinh vật gây độc tích lũy, ảnh hưởng nguy hại đến cuộc sống. 1.3.2. Các hợp chất chứa Nitơ Hợp chất chứa Nitơ trong nước thường tồn tại ở ba dạng: hợp chất hữu cơ, amoniac và dạng oxy hóa (nitrate, nitrite). Các dạng này là các khâu trong chuỗi phân hủy hợp chất chứa Nitơ hữu cơ ví protein và hợp phần protein. 28
  41. Đồ án tốt nghiệp Hình 1.11. Chuỗi phân hủy hợp chất chứa Nitơ hữu cơ Nếu nước chứa hầu hết các hợp chất Nitơ hữu cơ, aminiac hoặc NH4OH thì chứng tỏ nước mới bị ô nhiễm. NH3 trong nước sẽ gây độc với cá và sinh vật khác - trong nước. Nếu trong nước có hợp chất Nitơ chủ yếu là nitrite (NO2 ) là nước đã bị ô nhiễm một thời gian dài hơn. Nếu nước chủ yếu là hợp chất Nitơ ở dạng nitrate (NO3) chứng tỏ quá trình phân hủy đã kết thúc. Tuy vậy, các nitrate chỉ bền ở điều kiện hiếu khí, khi ở điều kiện thiếu khí hoặc kị khí các nitrate dễ bị khử thành N2O, NO và Nitơ phân tử tách khỏi nước và bay vào không khí. +  Amoniac (NH3): amoniac trong nước tồn tại ở dạng NH3 và NH4 (NH4OH, NH4NO3, (NH4)2OH ) tùy thuộc vào pH của nước vì nó là một bazơ yếu. NH3 + và NH4 có trong nước cùng với photphate sẽ thúc đẩy quá trình phú dưỡng của nước. -  Nitrate (NO3 ): là sản phẩm cuối cùng của quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ có chưa Nitơ có trong nước thải.[3] 1.3.3. Các quá trình phân hủy hợp chất hữu cơ 1.3.3.1. Quá trình amôn hoá protein Trong thiên nhiên tồn tại nhiều dạng hợp chất nitơ hữu cơ như protein, axit amin, axit nucleic, urê Thực vật không thể đồng hoá được dạng nitơ hữu cơ phức tạp 29
  42. Đồ án tốt nghiệp như trên, nó chỉ có thể sử dụng được sau quá trình amôn hoá. Qua quá trình amôn hoá, + các dạng nitơ hữu cơ được chuyển hoá thành dạng NH4 hoặc NH3. Trong các nguồn nước luôn xảy ra quá trình amon hóa protein nhờ các vi khuẩn amon hóa có enzyme protease ngoại bào phân hủy protein thành các hợp chất đơn giản hơn là polypeptide, oligopeptide. Qúa trình này có thể xảy ra trong điều kiện hiếu khí hoặc kị khí.  Cơ chế Nhóm vi sinh vật phân hủy protein có khả năng tiết ra enzyme protease bao gồm protenase và peptidase. Enzyme protease xúc tác quá trình thuỷ phân liên kết liên kết peptide (-CO-NH-)n trong phân tử protein, polypeptide tạo sản phẩm là axit amin. Ngoài ra, nhiều protease cũng có khả năng thuỷ phân liên kết este và vận chuyển axit amin. Dưới tác dụng của enzyme proteinase phân tử protein sẽ được phân giải thành các polypeptide và oligopeptide. Các chất này hoặc tiếp tục phân hủy thành các axit amin nhờ enzyme peptidase ngoại bào hoặc được tế bào vi khuẩn hấp thụ rồi sau đó được phân hủy tiếp thành các axit amin trong tế bào. Một phần các axit amin được tế bào vi khuẩn sử dụng để tổng hợp protein tạo sinh khối. Một phần các axit amin theo các con đường phân giải khác nhau để sinh NH3, CO2 và các sản phẩm trung gian khác. Với các protein có chứa S, nhờ enzyme desulfurase của nhóm vi khuẩn lưu huỳnh và các nhóm dị dưỡng hiếu khí khác, sẽ bị phân hủy tạo H2S, scatol, indol hay mercaptan.[3] Hình 1.12. Quá trình phân hủy protein  Enzyme protease của vi sinh vật Protease là enzyme được sử dụng nhiều nhất hiện nay trong một số ngành sản 30
  43. Đồ án tốt nghiệp xuất như: chế biến thực phẩm (đông tụ sữa làm pho mát, làm mềm thịt, bổ sung để làm tăng chất lượng sản phẩm trong sản xuất bia, xử lý phế phụ phẩm trong chế biến thực phẩm ), sản xuất chất tẩy rửa, thuộc da, y tế, nông nghiệp, làm sạch môi trường Trong đó, lượng protease sản xuất từ vi khuẩn được ước tính vào khoảng 500 tấn, chiếm 59% lượng enzyme được sử dụng. Ưu điểm lớn nhất của protease từ vi sinh vật là phong phú về chủng loại, có tính đặc hiệu rộng rãi, cho sản phẩm thuỷ phân triệt để và đa dạng. Tuy nhiên, hệ protease vi sinh vật lại phức tạp, bao gồm nhiều enzyme giống nhau về cấu trúc, khối lượng và hình dạng phân tử nên rất khó tách ra dưới dạng tinh thể đồng nhất. Đối với sinh lý của vi sinh vật, protease đóng vai trò rất quan trọng. Có 2 loại protease là protease ngoại bào và protease nội bào với các chức năng như sau : - Protease ngoại bào của vi sinh vật tham gia các quá trình phân giải ngoại bào các protein để tạo ra các axit amin. Các axit amin này sẽ được đưa vào trong tế bào tham gia tổng hợp sinh khối hoặc cũng có thể bị phân giải để giải phóng năng lượng và sản phẩm bậc 2. Sự phân giải protein còn có ý nghĩa loại trừ tác động độc hại của protein, vì trong tự nhiên tồn tại một số protein khá độc đối với vi sinh vật hoặc tham gia quá trình kìm hãm sự phát triển của vi sinh vật. Hình 1.13. Quá trình phân giải protein ngoại bào - Protease nội bào của vi sinh vật tham gia quá trình cải biến protein, enzyme, tạo ra các quá trình cung cấp năng lượng, vật liệu xây dựng, và sự tạo thành bào tử của vi sinh vật. Protease nội bào có thể tham gia vào việc hoàn thiện các chuỗi 31
  44. Đồ án tốt nghiệp polypeptide đã được tổng hợp như: tách gốc, tách một số gốc axit amin khỏi đầu N của chuỗi polypeptide đã được tổng hợp. Protease nội bào tham gia phân hủy các protein nội bào không còn tác dụng trong quá trình sinh lý của vi sinh vật. Ngoài ra chúng còn có thể tham gia vào một số quá trình tạo vỏ tế bào của vi sinh vật.[3],[10],[14] Hình 1.14. Quá trình hoạt động protease nội bào  Phân loại protease Năm 1960, Hartley chia protease ra bốn nhóm dựa trên thành phần cấu tạo của trung tâm hoạt động trong enzyme protease.  Protease nhóm 1: Nhóm này bao gồm các loại protease có xerin trong trung tâm hoạt động (bao gồm các loại enzyme tripsin, kimotripsin, elastase, subtilizi, các enzyme xúc tác làm đông máu, acrozin, )  Protease nhóm 2: Bao gồm các protease có nhóm SH trong trung tâm hoạt động (bao gồm bromelin, papain, fixin, )  Protease nhóm 3: Bao gồm các protease có kim loại trong trung tâm hoạt động và trực tiếp tham gia các quá trình xúc tác (bao gồm các protease trung tính của Bacillus) 32
  45. Đồ án tốt nghiệp  Protease nhóm 4: bao gồm các protease có nhóm α - cacboxil trong trung tâm hoạt động. Nhóm này gồm pepsin, renin, protease axit của vi sinh vật. Như vậy, tùy theo vùng hoạt động pH của enzyme protease mà các protease tồn tại ở dạng protease axit, protease trung tính, protease kiềm.[5] 1.3.3.2. Quá trình amon hóa ure Quá trình amon hóa urê ((NH2)2CO) chia ra làm 2 giai đoạn:  Giai đoạn đầu dưới tác dụng của enzyme urease do một số vi sinh vật tiết ra thủy phân urê thành muối carbonate amôn ((NH4)2CO3).  Giai đoạn 2, (NH4)2CO3 chuyển hóa thành NH3, CO2và H2O (NH2)2CO + 2 H2O (NH4)2CO3 (NH4)2CO3 NH3 + CO2 + H2O Axit uric bị các vi sinh vật phân giải thành urê và acid tartronic. Sau đó urê sẽ tiếp tục bị phân giải thành NH3 C5H4N4O3 + 4H2O → (NH2)2CO + HOOC–CHOH–COOH Nhiều loài vi khuẩn có khả năng phân giải urê và axit uric, trong đó có Bacillus amylovorum. Đa số các loài vi sinh vật phân giải urê thuộc nhóm hiếu khí hay kị khí không bắt buộc, chúng ưa pH trung tính hoặc hơi kiềm.[3],[5] 1.3.3.3. Quá trình khử nitrate Tìm hiểu sâu về cơ chế khử nitrate, thì vi khuẩn có thể thực hiện hai quá trình khử nitrate theo hai mục đích khác nhau (Bảng 1.1).  Tổng hợp năng lượng nhờ quá trình hô hấp kỵ khí mà nitrate là chất nhận điện tử cuối cùng, gọi là khử nitrate dị hóa. - +  Chuyển hóa NO3 thành NH4 để tổng hợp nên cấu trúc tế bào, gọi là khử nitrate đồng hóa. 33
  46. Đồ án tốt nghiệp Bảng 1.1. Khử nitrate đồng hóa và khử nitrate dị hóa trong chu trình N của vi khuẩn (Nguồn: Zumft WG., 1997)  Khử nitrate dị hóa Sau khi khử nitrate dị hóa thành nitrite qua hô hấp kị khí, có thể xảy ra đồng thời hai quá trình khử nitrite : - Phản nitrate: nhánh thứ nhất khử tiếp NO2 → NO (k) → N2O (k) và cuối cùng tạo ra N2. Khử nitrate dị hóa amoni hóa: quá trình này còn được gọi là quá trình khử độc tế bào.  Khử nitrate đồng hóa + Khử nitrate đồng hóa được diễn ra với mục đích tạo ra NH4 là nguồn N cho quá trình tổng hợp tế bào của vi khuẩn. Enzyme xúc tác cho sự chuyển hóa nitrite + thành amoni (NH4 ) và amoniac (NH3) là NirA do gen nirA và NasB do gene nasB mã hóa. Cả hai cơ chế khử nitrate dị hóa và khử nitrate đồng hóa, bước đầu đều khử 34
  47. Đồ án tốt nghiệp nitrate về nitrite nhưng enzyme xúc tác là khác nhau. Ở khử nitrate đồng hóa enzyme xúc tác do gene nas mã hóa, trong khi khử nitrate dị hóa là do gene nar/nap mã hóa. Như vậy, trong quá trình phản nitrate chỉ có quá trình khử nitrate dị hóa – hô hấp nitrate kị khí mới có ý nghĩa xử lý N trong nước thải. Đó là cơ sở để tiến hành phân lập chủng vi khuẩn mong muốn. Nghĩa là chủng vi khuẩn đó có khả năng khử nitrate và khử nitrite hoàn toàn, tạo thành khí N2 và không hoặc ít tạo ra amoni + (NH4 ).Vì nếu lượng amoni tạo ra nhiều sau quá trình xử lý thì việc ứng dụng vi khuẩn đó vào xử lý nước thải không còn ý nghĩa, ngược lại còn làm cho nước ô nhiễm nghiêm trọng hơn.[1],[3],[5] 1.3.3.4. Vi sinh vật tham gia quá trình phân hủy protein Vi sinh vật tham gia quá trình phân giải protein rất đa dạng. Chúng thuộc các vi sinh vật hiếu khí, yếm khí và hiếu khí tùy tiện. Vi sinh vật hiếu khí : Vi khuấn: Bacillus mycoides, B. mesentericus, B.subtilis, Pseudomonas fluorescens Xạ khuẩn: Streptomyces rimosus, S. griseus Vi nấm: Aspergillus oryzae, A. flavour, A. niger, Penicilium camemberti Vi sinh vật yếm khí : Vi khuấn Clostridium sporogenes, Clostridium putrificum Vi sinh vật hiếu khí tùy tiện : Vi khuấn Proteus vulgaris, Bacillus coli Bảng 1.2. Một số vi sinh vật tham gia quá trình amon hóa protein Nhóm vi Dạng phân hủy Kị khí Hiếu khí sinh vật Nhóm vi Bacillus putrificus Bacillus pyocyaneum sinh vật có Phân hủy protein Bacillus histolytics Bacillus mensentericus enzyme đơn Bacillus coligenes 35
  48. Đồ án tốt nghiệp Bacillus ventriculosus Phân hủy peptide Bacillus orbiculus Bacillus faccalis Phân hủy acid amin Algaligenes Proteus zenkirii Bacillus perfrigenes Streptococus Phân hủy protein Bacillus sporogenes Straphylococus Proteus vulgaris Nhóm các Bacillus bifidus vi sinh vật Phân hủy peptide Bacillus acidophilus có enzyme Bacillus butyricus hỗn hợp Bacillus lactic aerogen Phân hủy axit amin Bacillus aminophilus Bacillus coligenes 1.3.3.5. Một số chủng vi sinh vật hiếu khí phân hủy hợp chất hữu cơ  Bacillus subtilis Giới (regnum) Bacteria Ngành (phylum) Firmicutes Lớp (class) Bacilli Bộ (ordo) Bacillales Họ (familia) Bacillaceae Chi (genus) Bacills Loài (species) Bacillus subtilis 36
  49. Đồ án tốt nghiệp Hình 1.15. Bacillus subtilis Bacillus subtilis là vi khuẩn Gram dương, có khả năng di động, phân hủy protein và lipid nhờ có khả năng tiết enzyme protease và lipase. Bacillus subtilis là vi khuẩn hiếu khí, thuộc nhóm vi sinh vật dị dưỡng, có khả năng sinh bào tử. Nhiệt độ thích hợp cho Bacillus subtilis sinh trưởng là 36 – 500C, tối đa là 600C và pH khoảng 7 – 7,4.[22]  Micrococcus Giới (regnum) Bacteria Ngành (phylum) Ascomycota Lớp (class) Actinobacteria Bộ (ordo) Actinomycetales Họ (familia) Micrococcaceae Chi (genus) Micrococcus 37
  50. Đồ án tốt nghiệp Hình 1.16. Micrococcus Micrococcus có hình cầu hay hình bầu dục, là vi khuẩn Gram dương, không di động. Micrococcus là vi sinh vật hiếu khí thuộc nhóm vi sinh vật dị dưỡng và có khả năng tiết enzyme protease, lipase, amylase cao để phân hủy hợp chất hữu cơ.[22]  Penicillium camemberti Giới (regnum) Fungi Ngành (phylum) Ascomycota Lớp (class) Eurotiomycetes Bộ (ordo) Eurotiales Họ (familia) Trichocomaceae Chi (genus) Penicillium Loài (species) Penicillium camemberti 38
  51. Đồ án tốt nghiệp Hình 1.17. Penicillium camemberti Penicillium camemberti là một loài nấm có dạng sợi, là vi sinh vật Gram dương và có khả năng sinh bào tử. Penicillium camemberti là vi sinh vật hiếu khí thuộc vi sinh vật dị dưỡng có khả năng phân giải protein nhờ hệ enzyme protease.[22]  Pseudomonas Giới (regnum) Bacteria Ngành (phylum) Proteobacteria Lớp (class) Gamma Proteobacteria Bộ (ordo) Pseudomonadales Họ (familia) Pseudomonadaceae Chi (genus) Pseudomonas 39
  52. Đồ án tốt nghiệp Hình 1.18. Pseudomonas Pseudomonas là trực khuẩn có dạng hình que, Gram âm có khả năng di động. Pseudomonas là vi sinh vật hiếu khí thuộc nhóm vi sinh vật dị dưỡng, có khả năng phân giải protein, lipide, tinh bột nhờ hệ enzyme lipase, protease và amylase.[22] 1.3.3.6. Phân hủy phospho Khả năng thực hiện việc khử phospho bằng con đường sinh học là mục tiêu của nhiều nghiên cứu khoa học. Những nghiên cứu này đã bắt đầu vào giữa những năm 60 với công trình của Shapiro và Levin.  Quá trình kết tủa ngoài tế bào của phopsho vô cơ Nguyên nhân chính của việc tạo ra các kết tủa này là do sự tăng độ pH hoặc sự tăng nồng độ ion kết tủa (nhiều khảo sát đã xác nhận điều đó). Thực vậy, các vi khuẩn nuôi cấy trong điều kiện kị khí sẽ giảm nồng độ canxi ngoại tế bào, trong khi đó chúng lại giải phóng phospho, kali và magiê ( kali và magiê là những ion ổn định của polyphosphate nội tế bào). Do vậy có thể giải phóng các ion phopshate làm giảm nồng độ canxi và từ đó có giả thuyết về sự kết tủa. Khi không có oxy, sự thay đổi pH gây ra do khử nitrate hóa là do lên men axit của các sản phẩm hữu cơ liên tục biến đổi nhằm làm tăng nồng độ phospho và có thể làm tăng hoặc giảm hậu quả của chúng.[3] 40
  53. Đồ án tốt nghiệp  Tích lũy nội tế bào polyphotphate Cùng với sự kêt tủa ngoài tế bào dễ biến đổi, khó định lượng và khó kiểm soát, ngày nay các vi khuẩn tích lũy polyphotphate (poly P) đóng vai trò chủ yếu. Polyphosphate đã tích lũy được có thể dùng để dự trữ năng lượng so sánh được với mạch phosphate ở hệ ATP/ADP, hoặc để dự trữ phospho. Sự phân hủy phospho bởi các enzyme theo cơ chế phản ứng sau: (pholyphosphate)n + AMP (pholyphosphate)n-1 + ADP 2ADP ATP + AMP ATP + AMP 2ADP 41
  54. Đồ án tốt nghiệp CHƯƠNG II VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Thời gian và địa điểm  Đồ án được thực hiện từ tháng 05 năm 2015 đến tháng 08 năm 2015.  Đồ án được thực hiện tại Trung tâm thí nghiệm Khoa Công Nghệ Sinh Học – Thực Phẩm – Môi Trường, Trường Đại Học Công Nghệ Tp.HCM. Địa chỉ 475A Điện Biên Phủ, Phường 25, Quận Bình Thạnh Tp.HCM. 2.2. Vật liệu – Hóa chất – Dụng cụ và thiết bị 2.2.1. Vật liệu  Mẫu nước thải được lấy từ: Công ty chế biến thủy sản Tân Phú Kiên Giang số 04 đường Minh Hưng, xã Minh Hòa, huyện Châu Thành, tỉnh Kiên Giang.  Chủng vi khuẩn phân hủy hợp chất hữu cơ được lấy từ Trung tâm thí nghiệm Khoa Công Nghệ Sinh Học – Thực Phẩm – Môi Trường, Trường Đại Học Công Nghệ Tp.HCM. 2.2.2. Hóa chất  Môi trường Nutrient Broth (NB).  Hóa chất để định lượng nitrate, nitrite, amon, phospho, clorua, COD và BOD. 2.2.3. Dụng cụ và thiết bị  Dụng cụ: Đèn cồn. Cốc thủy tinh: 100ml, 250ml và 1000ml. Bình tam giác: 250ml. Pipet các loại: 1ml, 2ml, 5ml, 10ml, 20ml, 25ml. Bóp cao su. Đũa thủy tinh. Ống nghiệm. Bình định mức các loại: 100ml, 250ml, 500ml và 1000ml. Giá đỡ ống nghiệm. 42
  55. Đồ án tốt nghiệp Đĩa petri: đĩa thủy tinh và đĩa nhựa. Dây cấy vòng. Micropipet: 100µl, 1000µl. Cuvet thạch anh. Bông không thấm. Giấy lọc.  Thiết bị. Máy lắc. Tủ cấy vô trùng. Máy nước cất. Máy đo pH. Tủ hút. Bếp từ, bếp đun. Nồi hấp Autoclave. Kính hiển vi quang học. Máy đo quang phổ. Tủ lạnh. Thiết bị phản ứng COD Bộ chưng cất Kjeldahl Tủ ủ BOD 2.3. Bố trí thí nghiệm Các bước thí nghiệm được tiến hành theo sơ đồ sau: 43
  56. Đồ án tốt nghiệp Chủng vi khuẩn Nước thải thủy sản Khảo sát các chỉ tiêu đầu vào Giữ giống Nhân giống - 3- (N-NH4, COD, BOD, pH, Cl , P-PO4 ) Khảo sát khả năng hủy hợp chất hữu cơ của chủng vi khuẩn Khảo sát ảnh hưởng của mật độ vi sinh 105, 106, 107, 108 (cfu/ml) (chọn mật độ thích hợp cho thí nghiệm tiếp theo) Khảo sát ảnh hưởng của oxy hòa tan Phân tích (lắc 100, 150 và 200 vòng/ phút) các chỉ (chọn chế độ thích hợp cho thí nghiệm tiếp theo) tiêu N-NH + 4 Khảo sát ảnh hưởng nồng độ của NaCl 1%, 2%, 3% COD (chọn nồng độ thích hợp cho VSV chủng vi khuẩn Hình : Sơ đồ tóm tắt bố trí thí nghiệm. phát triển) (chọn điều kiện oxy thích hợp cho hoạt tính amon Khảo sát ảnh hưởng của giá thể bám dính đến khả hóa) năng phân hủy hợp chất hữu cơ của chủng vi khuẩn (chọn điều kiện oxy thích hợp cho hoạt tính amon hóa) Chạy mô hình bioreactor quy mô phòng thí nghiệm (chọn điều kiện oxy thích hợp cho hoạt tính amon hóa) Hình 2.1. Sơ đồ tóm tắt bố trí thí nghiệm 44
  57. Đồ án tốt nghiệp 2.4. Nội dung nghiên cứu 2.4.1. Nhân giống và giữ giống vi khuẩn phân hủy hợp chất hữu cơ 2.4.1.1. Nhân giống Chủng vi khuẩn phân hủy hợp chất hữu cơ hóa được bảo quản trong tủ lạnh ở nhiệt độ 4oC. Vì vậy, khi sử dụng cần hoạt hóa giống bằng cách cấy chuyền sang ống thạch nghiêng mới, đặt trong tủ ấm 30oC sau 24 – 48 giờ. Chủng sau khi phát triển tốt được cấy chuyền sang môi trường NB trong bình tam giác. Nuôi ở nhiệt độ phòng, lắc 150 vòng/phút trong 12 – 24 giờ. 2.4.1.2. Giữ giống Mục đích của việc cấy chuyền và giữ giống là để bảo quản giống, tránh hiện tượng thoái hóa giống. Chủng vi khuẩn phân hủy hợp chất hữu cơ được bảo quản trong ống thạch nghiêng môi trường Nutrient Agar giữ trong tủ lạnh 4oC, sau 1 – 2 tháng phải cấy chuyền bằng cách: dùng dây cấy vòng lấy sinh khối rồi cấy ria sang ống thạch nghiêng mới. Đem nuôi trong tủ ấm ở nhiệt độ 30oC trong vòng 24 – 48 giờ rồi đem bảo quản trong tủ lạnh ở 4oC. Hoặc giữ giống trong eppendorf sau ly tâm dưới lớp glycerol bảo quản trong tủ lạnh ở -4oC. 2.4.2. Khảo sát khả năng phân hủy hợp chất hữu cơ của chủng vi khuẩn Tăng sinh chủng chọn lọc trong môi trường NB đã được tiệt trùng. Sau khi cấy giống lắc trên máy lắc 150 vòng/phút, trong thời gian 24 giờ. Xác định sinh khối dịch tăng sinh bằng cách đo OD 600nm. 2.4.2.1. Thí nghiệm khảo sát khả năng phân hủy hợp chất hữu cơ của chủng vi khuẩn Thí nghiệm được thực hiện trong bình tam giác 250ml. Sử dụng dịch tăng sinh để cấy giống. Thể tích nước thải là 90ml sau khi đã được lọc để loại bớt tạp chất phụ phẩm từ nhà máy chế biến thủy sản, tỷ lệ cấy giống 10% đối với mẫu thí nghiệm. Mỗi mốc thời gian lấy mẫu phân tích có mẫu đối chứng riêng. Mẫu đối chứng gồm có 90ml 45
  58. Đồ án tốt nghiệp nước thải và 10% môi trường NB. Mỗi thí nghiệm được lặp lại 3 lần. Thí nghiệm thực hiện trên máy lắc 150 vòng/phút và có đậy nút bông. Tiến hành + lấy mẫu phân tích hàm lượng N-NH4 , COD, pH tại các thời điểm 0, 12, 24, 36 và 48 giờ. Hiệu quả phân hủy hợp chất hữu cơ được đánh giá trên khả năng phân hủy protein + làm tăng hàm lượng N-NH4 và giảm hàm lượng COD. + + Hàm lượng N-NH sinh ra (mg/L) = Hàm lượng N-NH4 thí nghiệm – Hàm + lượng N-NH4 đối chứng Hiệu quả xử lý COD (%) = 2.4.2.2. Thí nghiệm khảo sát khả năng phân hủy hợp chất hữu cơ của bùn hoạt tính Thí nghiệm được thực hiện nhằm mục đích so sánh khả năng phân hủy hợp chất hữu cơ trong bình tam giác 250ml. Bùn hoạt tính sau khi xác định nồng độ bùn tính toán bổ sung vào để duy trì nồng độ bùn 2500mg/L. Thể tích nước thải là 67,66ml sau khi đã được lọc để loại bớt tạp chất phụ phẩm từ nhà máy chế biến thủy sản, thể tích bùn là 32,34ml đối với mẫu thí nghiệm. Mỗi mốc thời gian lấy mẫu phân tích có mẫu đối chứng riêng. Mẫu đối chứng gồm có 100ml nước thải. Thí nghiệm thực hiện trên máy lắc 150 vòng/phút và có đậy nút bông. Tiến hành + lấy mẫu phân tích hàm lượng N-NH4 , COD, pH tại các thời điểm 0, 12, 24, 36 và 48 giờ. Hiệu quả phân hủy hợp chất hữu cơ được đánh giá trên khả năng phân hủy protein + làm tăng hàm lượng N-NH4 và giảm hàm lượng COD. So sánh hiệu quả phân hủy hợp chất hữu cơ của chủng vi khuẩn và bùn hoạt tính. + + Hàm lượng N-NH sinh ra (mg/L) = Hàm lượng N-NH4 thí nghiệm – Hàm + lượng N-NH4 đối chứng Hiệu quả xử lý COD (%) = 2.4.3. Khảo sát ảnh hưởng mật độ vi sinh của chủng vi khuẩn 46
  59. Đồ án tốt nghiệp Tăng sinh chủng vi khuẩn amon hóa trong môi trường NB đã được tiệt trùng. Sau khi cấy giống lắc 150 vòng/phút, trong thời gian 24 giờ. Xác định sinh khối dịch tăng sinh bằng cách đo OD 600 nm. Tính toán mật độ vi khuẩn theo công thức (mật độ vi khuẩn = OD600nm * 1,092*109 ) sau đó pha loãng dịch tăng sinh về nồng độ 106, 107, 108 và 109 cfu/ml. Cấy giống từ các bình mật độ giống trên vào nước thải để đạt nồng độ vi khuẩn ban đầu là 105, 106, 107, 108 cfu/ml. Thể tích nước thải là 90ml sau khi đã được lọc để loại bớt tạp chất phụ phẩm từ nhà máy chế biến thủy sản, tỷ lệ cấy giống 10% đối với mẫu thí nghiệm. Mỗi mốc thời gian lấy mẫu phân tích và mỗi mật độ chủng vi khuẩn có mẫu đối chứng riêng. Mẫu đối chứng gồm có 90ml nước thải và 10ml môi trường NB. Thí nghiệm thực hiện trên máy lắc 150 vòng/phút và có đậy nút bông. Tiến hành + lấy mẫu phân tích hàm lượng N-NH4 , COD, pH tại thời điểm 0, 12, 24, 36 và 48 giờ. Hiệu quả phân hủy hợp chất hữu cơ được đánh giá trên khả năng phân hủy protein làm + tăng hàm lượng N-NH4 và giảm hàm lượng COD. + + Hàm lượng N-NH sinh ra (mg/L) = Hàm lượng N-NH4 thí nghiệm – Hàm + lượng N-NH4 đối chứng Hiệu quả xử lý COD (%) = 2.4.4. Khảo sát ảnh hưởng của oxy hòa tan đến khả năng phân hủy chất hữu cơ Tăng sinh chủng vi khuẩn phân hủy chất hữu cơ trong môi trường NB đã được tiệt trùng. Sau khi cấy giống lắc 150 vòng/phút, trong thời gian 24 giờ. Xác định sinh khối dịch tăng sinh bằng cách đo OD 600 nm. Cấy giống từ các bình tăng sinh vào nước thải để đạt nồng độ thích hợp từ thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng mật độ vi sinh của chủng vi khuẩn. Thể tích nước thải là 90ml sau khi đã được lọc để loại bớt tạp chất phụ phẩm từ nhà máy chế biến thủy sản, tỷ lệ cấy giống 10% đối với mẫu thí nghiệm. Mỗi mốc thời gian và mỗi tốc độ lắc có mẫu đối chứng riêng. Mẫu đối chứng gồm có 90ml nước thải và 10% môi trường dùng để 47
  60. Đồ án tốt nghiệp tăng sinh chủng vi khuẩn. Thí nghiệm thực hiện trên máy lắc 150 vòng/phút và có đậy nút bông. Tiến hành + lấy mẫu phân tích hàm lượng N-NH4 , COD, pH tại các thời điểm 0, 12, 24, 36 và 48 giờ. Hiệu quả phân hủy hợp chất hữu cơ được đánh giá trên khả năng phân hủy protein + làm tăng hàm lượng N-NH4 và giảm hàm lượng COD. + + Hàm lượng N-NH sinh ra (mg/L) = Hàm lượng N-NH4 thí nghiệm – Hàm + lượng N-NH4 đối chứng Hiệu quả xử lý COD (%) = 2.4.5. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ muối Tăng sinh chủng vi khuẩn phân hủy chất hữu cơ trong môi trường NB đã được tiệt trùng. Sau khi cấy giống lắc 150 vòng/phút, trong thời gian 24 giờ. Xác định sinh khối dịch tăng sinh bằng cách đo OD 600 nm. Nước thải sau khi phân tích định lượng Cl- tính toán kết quả để bổ sung NaCl để đạt các nồng độ Cl- 1%, 2%, 3% nước thải. Cấy giống từ bình tăng sinh trên vào nước thải để đạt nồng độ thích hợp từ thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng mật độ vi sinh của chủng vi khuẩn. Thể tích nước thải là 90ml sau khi đã được lọc để loại bớt tạp chất phụ phẩm từ nhà máy chế biến thủy sản, tỷ lệ cấy giống 10% đối với mẫu thí nghiệm. Mỗi mốc thời gian lấy mẫu phân tích và mỗi nồng độ muối có mẫu đối chứng riêng. Mẫu đối chứng gồm có 90ml nước thải và 10% môi trường NB. Thí nghiệm thực hiện trên máy lắc với số vòng lắc thích hợp từ thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng oxy hòa tan và có đậy nút bông. Tiến hành lấy mẫu phân tích hàm lượng + N-NH4 , COD, pH tại các thời điểm 0, 12, 24, 36 và 48 giờ. Hiệu quả phân hủy hợp + chất hữu cơ được đánh giá trên khả năng phân hủy protein làm tăng hàm lượng N-NH4 và giảm hàm lượng COD. + + Hàm lượng N-NH sinh ra (mg/L) = Hàm lượng N-NH4 thí nghiệm – Hàm + lượng N-NH4 đối chứng 48
  61. Đồ án tốt nghiệp Hiệu quả xử lý COD (%) = 2.4.6. Khảo sát ảnh hưởng của giá thể bám dính Tăng sinh chủng vi khuẩn phân hủy chất hữu cơ trong môi trường NB đã được tiệt trùng. Sau khi cấy giống lắc 150 vòng/phút, trong thời gian 24 giờ. Xác định sinh khối dịch tăng sinh bằng cách đo OD 600 nm. Nước thải sau khi phân tích định lượng Cl- tính toán kết quả để bổ sung NaCl để đạt nồng độ NaCl thích hợp từ thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng nồng độ NaCl. Cấy giống từ các bình tăng sinh trên vào nước thải để đạt nồng độ thích hợp từ thí nghiệm khảo sát mật độ vi sinh của chủng vi khuẩn. Thí nghiệm có giá thể cân 5g giá thể cho vào bình đổ nước thải sau khi đã pha loãng vào để đạt thể tích 90ml. Cấy giống đã tăng sinh ở trên vào bình với tỷ lệ cấy giống 10%. Song song đó tiến hành thực hiện mẫu thí nghiệm không giá thể gồm 90ml nước thải và cấy giống từ bình tăng sinh ở trên với tỷ lệ 10% nước thải. Mỗi mốc thời gian lấy mẫu phân tích và mỗi nồng độ muối có mẫu đối chứng riêng. Mẫu đối chứng giá thể gồm 10% môi trường NB và 5g giá thể sau đó cho nước thải vào chai để đạt 90ml nước thải. Mẫu đối chứng không giá thể gồm có 90ml nước thải, 10% môi trường NB. Thí nghiệm thực hiện trên máy lắc với số vòng lắc thích hợp từ thí ngiệm khảo sát ảnh hưởng oxy hòa tan và có đậy nút bông. Tiến hành lấy mẫu phân tích hàm lượng + N-NH4 , COD, pH tại thời điểm 0, 12, 24, 36 và 48 giờ. Hiệu quả phân hủy hợp chất + hữu cơ được đánh giá trên khả năng phân hủy protein làm tăng hàm lượng N-NH4 và giảm hàm lượng COD. + + Hàm lượng N-NH sinh ra (mg/L) = Hàm lượng N-NH4 thí nghiệm – Hàm + lượng N-NH4 đối chứng Hiệu quả xử lý COD (%) = 49
  62. Đồ án tốt nghiệp 2.4.7. Mô hình Bioreactor quy mô phòng thí nghiệm Xác định các thông số thích hợp cho mô hình Bioreactor quy mô phòng thí nghiệm dựa trên giá thể bám dính theo kiểu MBBR, các thông số xây dựng được trình bày trên Bảng 2.1. Bảng 2.1. Các thông số mô hình bioreactor xây dựng từ thí nghiệm Thông số bình thí Mô hình Bioreactor STT Tên thông số nghiệm nhỏ tương ứng 01 Chiều cao, cm 12,5 H 02 Đường kính, cm 6,0 D 03 Thể tích cm3 100 V 04 Giá thể Nhựa plastic từ ống hút Nhựa PP/PE 05 Thể tích hình học, ml 0,42 3,925 06 Chiều cao giá thể, cm 1,5 0,8 07 Đường kính giá thể, cm 0,6 2,5 08 Khối lượng giá thể, g 0,0294 0,6290 09 Khối lượng giá thể / bình g 5 M Bề mặt bám dính giá thể 19,23 100kg/m3 10 m3/kg, m2/m3 1177 620 Chọn bình hình trụ, có van lấy mẫu, có kích thước như sau làm mô hình Bioreactor. - H = 30,7 cm - D = 15,5 cm - V = 5793 cm3 = 5,79 L - Cần tính lượng giá thể Tăng sinh chủng vi khuẩn phân hủy chất hữu cơ trong môi trường NB đã được tiệt trùng. Sau khi cấy giống lắc 150 vòng/phút, trong thời gian 24 giờ. Xác định sinh 50
  63. Đồ án tốt nghiệp khối dịch tăng sinh bằng cách đo OD 600nm. Nước thải sau khi phân tích định lượng Cl- tính toán kết quả để bổ sung NaCl để đạt các nồng độ thích hợp từ thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của nồng độ NaCl. Cấy giống từ các bình tăng sinh trên vào nước thải để đạt nồng độ thích hợp từ thí nghiệm khảo sát mật độ vi sinh của chủng vi khuẩn. Mỗi mốc thời gian lấy mẫu phân tích và mỗi nồng độ muối có mẫu đối chứng riêng. Mẫu đối chứng gồm có giá thể sau đó cho nước thải vào để đạt 5,79 lít và 10% môi trường NB. Thí nghiệm được sục khí liên tục và có đậy nút bông. Tiến hành lấy mẫu phân + 3- tích hàm lượng N-NH4 , COD, pH và P-PO4 tại các thời điểm 0, 12, 24, 36 và 48 giờ. Hiệu quả phân hủy hợp chất hữu cơ được đánh giá trên khả năng phân hủy protein + làm tăng hàm lượng N-NH4 và giảm hàm lượng COD. + + Hàm lượng N-NH sinh ra (mg/L) = Hàm lượng N-NH4 thí nghiệm – Hàm + lượng N-NH4 đối chứng Hiệu quả xử lý COD (%) = 51
  64. Đồ án tốt nghiệp 2.5. Phương pháp phân tích 2.5.1. Phương pháp lấy mẫu Mẫu nước thải được lấy từ bể thu gom của Công ty chế biến thủy sản Tân Phú Kiên Giang số 04 đường Minh Hưng, ấp Hòa Hưng, xã Minh Hòa, huyện Châu Thành, tỉnh Kiên Giang. Mẫu đựng trong can nhựa 5 lít đã được rửa sạch bảo quản lạnh và đưa về phòng thí nghiệm để tiến hành các thí nghiệm. 2.5.2. Phương pháp dựng đường chuẩn 2.5.2.1. Phương pháp dựng đường chuẩn nitrate Sử dụng dung dịch Nitrate chuẩn để tiến hành dựng đường chuẩn. Dung dịch Nitrate chuẩn (100 µg/ml) : hòa tan 0,163 g KNO3 khan (hoặc 0,137 g NaNO3 khan) trong nước cất và định mức đến 1 lít. Cho dung dịch Nitrate chuẩn theo từng thể tích khác nhau vào các cốc 100 ml và cô cạn. Cô cạn đến khi vừa khô nhưng không được cháy vì phản ứng tạo thành nitrophenoldisulfonic acid chỉ xảy ra với muối nitrate ở thể rắn. Khi mẫu đã cô cạn và nguội thì cho vào 1 ml dung dịch PDA (phenol disulfonic acid) và lắc đều cho tan mẫu. Cho thêm 25 ml nước cất và lắc đều. Trung hòa acid dư bằng NaOH 10% đến pH trung tính (thử bằng giấy đo pH) cho đến khi dung dịch chuyển sang màu vàng thì dừng lại. Chuyển dung dịch màu vàng sang bình định mức 100 ml, định mức tới vạch và tiến hành đo độ hấp thu của phức tạo thành ở bước sóng 410 nm trên máy đo quang. Ghi nhận lại độ hấp thu của mẫu. Khi đo độ hấp thu của mẫu, nhất thiết phải tính đến độ hấp thu của mẫu trắng chính là mẫu có chứa đủ các hóa chất và thao tác tương tự như mẫu thử, nhưng thay mẫu thử bằng nước cất. 52
  65. Đồ án tốt nghiệp Bảng 2.2. Trình tự tiến hành dựng đường chuẩn nitrate Bình định mức số Hóa chất 0 1 2 3 4 5 Thể tích dung dịch Nitrate chuẩn (ml) 0 5 10 15 20 25 Cô cạn mẫu đến khi khô, để nguội Thể tích dung dịch PDA (ml) 1 1 1 1 1 1 Thể tích nước cất (ml) 25 25 25 25 25 25 Trung hòa acid dư bằng NaOH 10% đến pH trung tính Chuyển vào bình định mức 100 ml – định mức tới vạch Đo độ hấp thu các mẫu chuẩn ở bước sóng 410 nm Từ các số liệu đo được tiến hành lập đường chuẩn, xác định các hệ số của phương trình hồi quy tuyến tính Y=aX+b (yêu cầu đường chuẩn phải có hệ số tương quan R ≥ 0,99 mới là đạt yêu cầu) từ đó tính kết quả của mẫu đo từ phương trình hồi quy tuyến tính đạt yêu cầu. Nếu trị số độ hấp thu của mẫu vượt quá các trị số đo độ hấp thu trong dung dịch chuẩn, cần pha loãng mẫu đến nồng độ thích hợp.[8] 2.5.2.2. Phương pháp dựng đường chuẩn nitrite Sử dụng dung dịch N-NO2 chuẩn để dựng đường chuẩn. Dung dịch N-NO2 chuẩn được pha loãng từ dung dịch N-NO2 lưu trữ. Dung dịch N-NO2 lưu trữ (1 ml = 250 µg N-NO2): hòa tan 1,232 g NaNO2 trong nước cất và định mức đến 1 lít. Dung dịch N-NO2 chuẩn được pha loãng từ dung dịch N-NO2 lưu trữ, sử dụng 2 ml dung dịch N-NO2 lưu trữ rồi thêm nước cất cho đến 1 lít. Cho dung dịch chuẩn N-NO2 theo từng thể tích khác nhau và bổ sung lượng nước cất cho đủ 25 ml vào các cốc 100 ml. Thêm vào mỗi cốc 0,5 ml dung dịch EDTA và 0,5 ml dung dịch acid sulfanilic. Sau đó đợi khoảng 10 phút rồi cho vào mỗi cốc 0,5 ml dung dịch naphthylamine và 0,5 ml đệm acetate. Đợi khoảng 20 phút rồi tiến hành đo độ hấp thu của mẫu ở bước sóng 520 nm. 53
  66. Đồ án tốt nghiệp Khi đo độ hấp thu của mẫu, nhất thiết phải tính đến độ hấp thu của mẫu trắng chính là mẫu có chứa đủ các hóa chất và thao tác tương tự như mẫu thử, nhưng thay mẫu thử bằng nước cất. Bảng 2.3. Tiến trình dựng đường chuẩn nitrite Các cốc mẫu Hóa chất 0 1 2 3 4 5 Thể tích dung dịch N-NO2 chuẩn, ml 0 2,5 5 7,5 10 12,5 Thể tích nước cất, ml 25 22,5 20 17,5 15 12,5 Thể tích dung dịch EDTA, ml 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 Thể tích dung dịch acid sulfanilic, ml 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 Đợi 10 phút Thể tích dung dịch naphthylamine 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 Thể tích dung dịch đệm acetate 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 Đợi 20 phút Đo độ hấp thu bước sóng 520nm Từ các số liệu đo được tiến hành lập đường chuẩn, xác định các hệ số của phương trình hồi quy tuyến tính Y=aX+b (yêu cầu đường chuẩn phải có hệ số tương quan R ≥ 0,99 mới là đạt yêu cầu) từ đó tính kết quả của mẫu đo từ phương trình hồi quy tuyến tính đạt yêu cầu. Nếu trị số độ hấp thu của mẫu vượt quá các trị số đo độ hấp thu trong dung dịch chuẩn, cần pha loãng mẫu đến nồng độ thích hợp.[12] 2.5.2.3. Phương pháp dựng đường chuẩn amoni Sử dụng dung dịch N-NH3 chuẩn để dựng đường chuẩn. Dung dịch N-NH3 chuẩn được pha loãng từ dung dịch N-NH3 lưu trữ. Dung dịch lưu trữ N-NH3 (1 ml = 1 mg = 1000 µg N-NH3). Hòa tan 3,819 g NH4Cl trong nước cất và định mức lên đến 1 lít. 54
  67. Đồ án tốt nghiệp Dung dịch chuẩn N-NH3 (1 ml = 10 µg N-NH3). Dung dịch chuẩn được pha loãng từ dung dịch lưu trữ, lấy 10 ml dung dịch lưu trữ pha loãng với nước cất và định mức đến 1 lít. Cho dung dịch chuẩn vào bình tam giác 100 ml theo từng thể tích khác nhau và bổ sung nước cất cho đủ 50 ml. Sao đó cho vào mỗi bình 2 ml dung dịch thuốc thử Nessler, sau đó đợi khoảng 10 phút rồi đo độ hấp thu của mẫu ở bước sóng 430 nm. Khi đo độ hấp thu của mẫu, nhất thiết phải tính đến độ hấp thu của mẫu trắng chính là mẫu có chứa đủ các hóa chất và thao tác tương tự như mẫu thử, nhưng thay mẫu thử bằng nước cất. Bảng 2.4. Tiến trình dựng đường chuẩn amoni Các bình mẫu Hóa chất 0 1 2 3 4 5 Thể tích dung dịch N-NH3 chuẩn, ml 0 1 2 3 4 5 Thể tích nước cất, ml 50 49 48 47 46 45 Thể tích dung dịch nessler, ml 2 2 2 2 2 2 Đo độ hấp thu ở bước sóng 430nm Từ các số liệu đo được tiến hành lập đường chuẩn, xác định các hệ số của phương trình hồi quy tuyến tính Y=aX+b (yêu cầu đường chuẩn phải có hệ số tương quan R ≥ 0,99 mới là đạt yêu cầu) từ đó tính kết quả của mẫu đo từ phương trình hồi quy tuyến tính đạt yêu cầu. Nếu trị số độ hấp thu của mẫu vượt quá các trị số đo độ hấp thu trong dung dịch chuẩn, cần pha loãng mẫu đến nồng độ thích hợp.[8] 2.5.2.4. Phương pháp dựng đường chuẩn phospho Phương pháp này thường được áp dụng khi nồng độ Phospho trong mẫu nước khoảng 0,01 – 6mgP/L và có thể áp dụng với tất cả các loại nước tự nhiên và nước thải. Lưu ý đến một số yếu tố ảnh hưởng đến phép xác định. Dung dịch PO4 chuẩn gốc (1000µg/mL): hòa tan 1,433g KH2PO4 khan (đã sấy khô ở 1050C trong 2 giờ trước đó) vào nước cất và định mức tới 1L. 55
  68. Đồ án tốt nghiệp Dung dịch PO4 chuẩn làm việc (10µg/mL): Lấy 10mL dung dịch PO4 chuẩn gốc hòa tan trong nước cất và thêm nước cất để định mức tới 1L. Bảng 2.5. Tiến trình dựng đường chuẩn phospho Các bình định mức số Hóa chất 0 1 2 3 4 5 Thể tích Phosphat chuẩn làm việc 0 4 8 12 16 20 (mL) Thể tích dung dịch dung dịch 4 4 4 4 4 4 Amonium Molybdate (mL) Dung dịch SnCl2 (giọt) 10 10 10 10 10 10 Định mức tới vạch bằng nước cất – Đảo đều bình Đợi 10-12 phút – Đo độ hấp thu các mẫu chuẩn ở 690nm Từ các số liệu đo được tiến hành lập đường chuẩn, xác định các hệ số của phương trình hồi quy tuyến tính Y=aX+b (yêu cầu đường chuẩn phải có hệ số tương quan R ≥ 0,99 mới là đạt yêu cầu) từ đó tính kết quả của mẫu đo từ phương trình hồi quy tuyến tính đạt yêu cầu. Nếu trị số độ hấp thu của mẫu vượt quá các trị số đo độ hấp thu trong dung dịch chuẩn, cần pha loãng mẫu đến nồng độ thích hợp.[12] 2.5.3. Các phương pháp phân tích hóa học (định lượng) - 2.5.3.1. Phương pháp định lượng N-NO3 Từ 1 bình mẫu nuôi cấy, lắc đều dùng pipet vô trùng hút ra 1ml mẫu cho vào cốc thủy tinh thêm 9ml nước cất thêm 1ml dd Urea-acetic vào cốc mẫu đem cô cạn mẫu trên bếp điện mẫu thật nguội thì thêm 1ml PDA (phenol disulfonic acid) vào cốc mẫu lắc cốc cho mẫu tan đều vào acid 10 phút sau: thêm 25ml nước cất vào cốc và lắc đều dùng dd NaOH 10% để trung hòa acid dư trong cốc mẫu (cho 56
  69. Đồ án tốt nghiệp đến khi pH trung tính và dung dịch trong cốc chuyển sang màu vàng là được) chuyển dung dịch màu vàng vào bình định mức 100ml và dùng nước cất định mức đến vạch. Xác định hàm lượng nitrate trong mẫu bằng máy so màu spectrophotometer ở bước sóng 410nm. Tính toán kết quả theo phương trình tuyến tính: Y= aX + b Từ trị số độ hấp thu ( OD) của mẫu, ta tính được hàm lượng nitrate trong mẫu.[8] - 2.5.3.2. Phương pháp định lượng N-NO2 Xác định hàm lượng nitrite trong mẫu bằng phương pháp so màu, với sự bắt màu của nitrite trong mẫu với acid sulfanilic và napthylamine. Sử dụng máy so màu spectrophotometer ở bước sóng 520nm. Từ bình mẫu nuôi cấy, lắc đều,dùng micropipet và đầu tuýt vô trùng hút 100µl mẫu cho vào Erlen thêm 24,9ml mước cất vào Erlen chứa mẫu thêm: 0.5ml dd EDTA và 0.5ml dd Acidsulfanilic vào Erlen đợi trong 10 phút thêm tiếp: 0.5ml dd Naphthylamine và 0.5ml dd đệm Acetate vào Erlen đợi trong 20 phút lắc mẫu thật đều và đem đo quang OD 520nm. Tính hàm lượng nitrite trong mẫu theo phương trình tuyến tính: Y= aX + b Dựa vào trị trị số hấp thu của mẫu, ta tính toán hàm lượng nitrite trong dung dịch.[8] + 2.5.3.3. Phương pháp định lượng N-NH4 Từ bình mẫu nuôi cấy, lắc đều, dùng pipet vô trùng hút 0,5ml mẫu cho vào cốc thủy tinh và thêm 99,5ml nước cất vào để pha loãng mẫu, từ mẫu đã được pha loãng 200 lần ta khuấy đều thêm 0.5ml ZnSO4 và 0.25ml NaOH 6N vào để tủa 30 phút khuấy đều rồi lọc mẫu qua giấy lọc để loại tủa dùng ống đong đong lấy 50ml dịch 57
  70. Đồ án tốt nghiệp sau khi lọc thêm: 1ml Na2S2O3 N/70, 1 giọt EDTA và 2ml Nessler đợi 5 phút đem mẫu đo quang ở OD 430nm. Tính hàm lượng amoni trong mẫu theo phương trình tuyến tính: Y= aX + b Dựa vào trị trị số hấp thu của mẫu, ta tính toán hàm lượng amoni trong dung dịch nuôi cấy.[8] 2.5.3.4. Phân tích chỉ tiêu COD theo phương pháp Nguyên tắc: Tiến hành oxy hóa chất hữu cơ trong nước bằng dung dịch hỗn o hợp K2Cr2O7 và H2SO4 và đun sôi 2 giờ ở nhiệt độ 150 C. Bằng phương pháp này, khoảng 95-100% các chất hữu cơ mạch thẳng và khoảng 60-80% các hợp chất thơm bị oxy hóa. Quá trình oxy hóa theo phản ứng sau: 2- + + 3+ CnHaObNc + dCr2O7 + (8d+c)H (a+8d-3c)/2 H2O + cNH4 + 2dCr Trong đó: d=2n/3 + a/6 – b/3 – c/2 Thí nghiệm xác định COD gồm hai bước: Bước 1: Thêm K2Cr2O7 và H2SO4 vào mẫu nước gia nhiệt để phân hủy hoàn toàn chất hữu cơ. Phản ứng diễn ra như trên. Bước 2: Tiến hành chuẩn độ K2Cr2O7 dư bằng dung dịch muối sắt (II) chuẩn. 2+ 2- + 3+ 3+ 6Fe + Cr2O7 + 14H 6Fe + 3Cr + 7H2O Từ đó lượng K2Cr2O7 đã tiêu tốn để oxy hóa các chất hữu cơ trong nước được tính tương đương ra mgO2/L và được gọi là thông số COD của nước. Tiến hành phương pháp đun hoàn lưu kín: Áp dụng khi nồng độ COD trong mẫu lớn hơn 50mg/L - Rửa sạch ống nghiệm COD. - Lấy thể tích mẫu thử và thể tích các hóa chất tương ứng với từng kích cỡ ống nghiệm COD theo bảng sau: 58
  71. Đồ án tốt nghiệp Bảng 2.6. Trình tự tiến hành phân tích COD Kích cỡ ống V mẫu (mL) V K2Cr2O7 (mL) V H2SO4 có xúc tác (mL) 16x100Kích c ỡmm ống V m2,5ẫu (mL) V dd K2Cr1,52 O7 (mL) V H2SO3,54 c ó xúc tác 120x1506 x 100 mm mm 25,02, 13,0,5 (7,0mL)3, 225x1500 x 150 mm mm 10,055,0 36,0,0 14,075, 25 xĐ 15ặt0 ốn mgm n ghiệm v10ào,0 m áy gia nhiệt COD6,0 nun g ở 1500C trong 2 gi14ờ0. , Sau 2 giờ, lấy ống nghiệm ra, để nguội đến nhiệt độ phòng, đổ p0hầ n dung dịch trong ống nghiệm ra bình nón. Tráng lại ống nghiệm bằng vài mL nước cất và trút sang bình erlen. Tiến hành chuẩn độ phần dung dịch trong erlen bằng dung dịch FAS 0,1M với chỉ thị ferroin và kết thúc chuẩn độ khi dung dịch vừa chuyển màu từ xanh lục sang nâu đỏ. Ghi nhận thể tích dung dịch chất chuẩn FAS (V1 mL) đã sử dụng. Tính toán kết quả: COD (mgO2/L) = Trong đó: - V1: thể tích FAS đã sử dụng để chuẩn độ mẫu thử (mL). - V2 : thể tích FAS đã sử dụng để chuẩn độ mẫu trắng. - Vmẫu : thể tích mẫu đã lấy để xác định (mL). - CFAS = là nồng độ thực tế của dung dịch FAS tại thời điểm phân tích xác định COD ( do nồng độ FAS giảm dần theo thời gian). - VK2Cr2O7 : thể tích K2Cr2O7 thêm vào ống nghiệm theo các kích cỡ ở trên để thực hiện phép phân tích với mẫu trắng không gia nhiệt. - VFAS: thể tích dung dịch FAS dùng để chuẩn độ K2Cr2O7 trong ống nghiệm của phép phân tích với mẫu trắng không gia nhiệt.[12] 59
  72. Đồ án tốt nghiệp 2.5.3.5. Phương pháp xác định BOD Nguyên lý: Phân tích BOD theo phương pháp oxy hóa ướt, vi sinh vật oxy hóa các chất hữu cơ thành CO2 và nước. Quá trình này đòi hỏi tiêu thụ oxy hòa tan: Từ mức độ chênh lệch của hàm lượng oxy hoa tan trong mẫu trước và sau 5 ngày ủ ở nhiệt độ 20oC, xác định được giá trị BOD5 của mẫu. BOD5 = DO0 – DO5 Đối với các thủy vực nước tự nhiên xa nguồn thải hoặc không tiếp nhận nước thải, ô nhiễm chất hữu cơ chỉ ở mức độ nhẹ, có thể xác định BOD5 bằng phương pháp trực tiếp. Trong khi đó, đối với nước bị nhiễm bẩn, lượng oxy hòa tan trong mẫu ban đầu không đủ để phân hủy các chất hữu cơ (dễ bị phân hủy) trong 5 ngày ủ, khi đó cần pha loãng mẫu nước ban đầu bằng nước cất giàu oxy hòa tan đồng thời thêm vào nước một lượng nhỏ các muối vô cơ (FeCl3, CaCl2, MgSO4) để cung cấp thành phần vi lượng cần thiết cho vi khuẩn phân hủy chất hữu cơ và đảm bảo môi trường pH phù hợp. Nếu cần thiết, thêm vào dung dịch pha loãng một lượng nhất định “giống” vi sinh vật để đảm bảo mật độ vi sinh cần thiết cho sự phân hủy chất hữu cơ. Tiến hành: Chọn hệ số pha loãng phù hợp dựa trên giá trị COD đã biết của mẫu, ước đoán khoảng nồng độ BOD của mẫu. Chuẩn bị nước pha loãng: thêm các dung dịch đệm phosphat, MgSO4, FeCl3 và CaCl2 vào nước cất dùng để pha loãng mẫu theo tỉ lệ là 1mL/1L nước ứng với mỗi loại dung dịch trên. Sau đó tiến hành sục khí hỗn hợp nước cất và các chất trên trong vòng tối thiểu 1 giờ. Chú ý không làm nhiễm bẩn nước pha loãng. Nước pha loãng chỉ nên dùng trong vòng 24 giờ sau khi chuẩn bị. Xử lý sơ bộ mẫu (nếu cần thiết), bao gồm:  Trung hòa mẫu: chỉnh pH của mẫu thử về khoảng 6 - 8 bằng các dung dịch NaOH 60
  73. Đồ án tốt nghiệp 1N và H2SO4 1N.  Nếu nghi ngờ mẫu có chứa các độc chất (ví dụ kim loại nặng): cần có biện pháp thích hợp loại bỏ các độc chất đó trước khi tiến hành xác định BOD5. Lấy một thể tích mẫu đã xác định sau khi chọn được hệ số pha loãng vào 2 chai DO sạch, thêm nước pha loãng đến đầy chai, lắc nhẹ tránh tạo bọt khí.  Chai thứ nhất dùng để xác định ngay nồng độ DO (theo thủ tục phân tích nồng độ oxy hòa tan DO) gọi là DO0  Chai thứ hai đem ủ ở 20oC trong tủ ấm BOD trong 5 ngày. Sau 5 ngày, xác định nồng độ DO còn lại trong chai thứ hai gọi là DO5 Tính toán kết quả: BOD5 (mgO2/L) = (DO0 – DO5).f Với: DO0 là nồng độ DO ở thời điểm bắt đầu quá trình phân hủy (mgO2/L) DO5 là nồng độ DO ở thời điểm 5 ngày sau khi bắt đầu phân hủy (mgO2/L) f là hệ số pha loãng mẫu [12] 2.5.3.6. Phương pháp xác định P Nguyên tắc: Tất cả các dạng tồn tại của P trong mẫu nước ban đầu trước hết được chuyển hóa về dạng orthophosphat bằng phương pháp tiền xử lý mẫu phù hợp. Nếu chỉ xác định orthophosphat thì chỉ xử lý mẫu đơn giản (sẽ đề cập trong mục 4 dưới đây). Trong môi trường acid, orthophosphat trong mẫu phản ứng với Ammonium Molybdat tạo thành Molybdophosphoric acid: 3- + + PO + 12(NH4)2MoO4 + 24H (NH4)3PO4.12MoO3 + 21NH4 + 12H2O Acid này sau đó bị khử bởi thiếc Clorua và sản phẩm khử là một hợp chất dạng sol màu xanh dương: (NH4)3PO4.12MoO3 + SnCl2 hợp chất Molybdenum (xanh dương) + SnCl4 Độ hấp thu ánh sáng của màu tạo thành tỉ lệ thuận với nồng độ của P dưới dạng orthophosphat trong dung dịch mẫu. 61
  74. Đồ án tốt nghiệp Tiến hành: Xử lí mẫu: Lọc mẫu qua giấy lọc (nếu muốn xác định orthophosphate hòa tan). Hút khoảng 25mL mẫu (đã trộn đều) ra cốc, thêm 1 giọt chỉ thị phenolphtalein. Nếu dung dịch có màu hồng, thêm từng giọt dung dịch acid mạnh vào đến khi mất màu. Pha loãng mẫu thích hợp trút toàn bộ phần dung dịch thu được ở trên vào bình định mức 50mL. Thêm vào bình định mức có chứa mẫu ở trên 4mL dung dịch Amonium Molybdate và 5 giọt SnCl2. Định mức tới vạch. Đảo đều bình và đợi khoảng 10-12 phút cho cường độ màu đạt cực đại rồi đem đo độ hấp thu của phức tạo thành ở bước sóng 690nm trên máy đo quang. Ghi nhận lại độ hấp thu của mẫu. Tính hàm lượng phospho trong mẫu theo phương trình tuyến tính: Y= aX + b [8] 2.5.3.7. Phương pháp xác định Nitơ Kjeldahl Nguyên tắc: Trong môi trường acid mạnh H2SO4 cùng với sự hiện diện của K2SO4 và CuSO4 đóng vai trò xúc tác, Nitơ trong các phân tử hữu cơ bị vô cơ hóa để + tạo thành NH4 dưới dạng (NH4)2SO4. Sau khi trung hòa acid trong mẫu bằng kiềm và + chuyển hỗn hợp sang hẳn môi trường kiềm để biến đổi NH4 thành NH3, NH3 sẽ phản ứng với H2SO4 rồi chuẩn độ lượng H2SO4 dư còn lại bằng dung dịch NaOH chuẩn. Tiến hành: Giai đoạn vô cơ hóa mẫu Đưa một thể tích mẫu thích hợp vào bình Kjeldahl (dựa vào bảng dưới đây) rồi cho 5mL dung dịch acid phá mẫu vào bình. Đặt bình Kjeldahl lên bếp đun, đậy miệng bình bằng một phễu thủy tinh. 62
  75. Đồ án tốt nghiệp Bảng 2.7. Thể tích mẫu đem vô cơ hóa Khoảng nồng độ Nitơ hữu cơ trong mẫu Thể tích mẫu đem vô cơ hóa (mg/L) (mL) 4 – 40 5 8 – 80 0 20 – 200 2 40 – 400 5 Giai đoạn chưng cất 1 Chuyển 50mL dung dịch trong bình định mức ở trên vào 0 bình chưng cất Kjeldahl. Tiếp tục cho vào bình cất khoảng 5 đến 10mL dung dịch kiềm5 hóa NaOH- Na2S2O3. Lắc đều bình và dùng giấy quỳ kiểm tra pH của dung dịch trong bình cất để đảm bảo pH ≥ 11 (nếu pH chưa đạt được mức trên thì tiếp tục thêm dung dịch kiềm hóa và thử lại bằng giấy quỳ). Tiến hành lắp hệ thống chưng cất. Cho vào bình hứng 10mL dung dịch chuẩn H2SO4 0,02N và 3 giọt chỉ thị hỗn hợp để dung dịch có màu tím hồng. Chú ý đặt bình hứng sao cho đầu ống sinh hàn ngập trong dung dịch. Tiến hành chưng cất. Theo dõi bình hứng, nếu dung dịch trong bình hứng chuyển sang màu xanh lục thì cho tiếp 5mL H2SO4 0,02N nữa vào bình hứng (lưu ý thao tác nhanh). Sau khi chưng cất khoảng 10-20 phút, tiến hành kiểm tra xem NH3 còn được tạo ra không bằng cách dùng giấy qùy thử ở đầu ống sinh hàn (nếu giấy qùy không đổi sang màu xanh là đã hết NH3). Dừng chưng cất, đợi hệ thống nguội rồi tháo đem đi rửa. Giai đoạn chuẩn độ: Chuẩn độ lượng H2SO4 dư trong bình hứng bằng dung dịch chuẩn NaOH 0,02N cho đến khi chỉ thị đổi màu từ tím hồng sang xanh lục. Ghi nhận thể tích dung dịch NaOH 0,02N đã sử dụng. 63
  76. Đồ án tốt nghiệp Tính toán kết quả: Nồng độ Nitơ trong mẫu (mg/L) = Với: V1 là thể tích H2SO4 đã cho vào bình hứng (mL) V2 là thể tích NaOH đã dùng để chuẩn độ lượng H2SO4 dư trong bình hứng (mL) Vmẫu là thể tích mẫu đã lấy trong phép xác định (mL) [12] 2.5.3.8. Phương pháp phân tích Cl- Nguyên tắc: Trong môi trường trung tính đến hơi kiềm, ion Clorua phản ứng với ion bạc (Ag+) tạo kết tủa trắng. Sau khi toàn bộ Clorua đã phản ứng hết với bạc, giọt Ag+ - dư sẽ tạo thành kết tủa đỏ gạch với ion cromat CrO4 đóng vai trò là chất chỉ thị. Tiến hành: - Dùng pipet hút 50mL hoặc 100mL mẫu vào bình nón. - Dùng giấy đo pH hay máy đo pH kiểm tra pH của dung dịch mẫu. Đưa pH của mẫu về khoảng 7 – 8 bằng dung dịch NaOH 1N hay H2SO4 1N. - Thêm 1mL dung dịch chỉ thị cromat. - Tiến hành chuẩn độ dung dịch mẫu bằng dung dịch AgNO3 chuẩn 0,0141N và kết thúc chuẩn độ khi dung dịch vừa chuyển màu từ vàng trắng sang vàng cam. Ghi nhận thể tích dung dịch chất chuẩn AgNO3 (V mL) đã sử dụng. - Tiến hành song song một mẫu trắng theo trình tự các bước ở trên, nhưng thay mẫu thử bằng nước cất. Tính toán kết quả: Nồng độ Clorua (mgCl-/L) = Trong đó: - V là thể tích dung dịch chất chuẩn AgNO3 đã sử dụng (mL) để chuẩn độ mẫu thử trong phép xác định. 64
  77. Đồ án tốt nghiệp - VB là thể tích dung dịch chất chuẩn AgNO3 đã sử dụng (mL) để chuẩn độ mẫu trắng trong phép xác định. - Vmẫu là thể tích mẫu đã lấy trong phép xác định (mL).[12] 2.5.3.9. Phương pháp định lượng oxy hòa tan (DO)  Sử dụng Sera O2 Test Kit – Germany. Hình 2.2. Sera O2 Test Kit – Germany  Cách sử dụng Rửa lọ chứa mẫu nhiều lần bằng mẫu nước cần kiểm tra, sau đó đổ đầy mẫu nước đến mép lọ. Lau khô bên ngoài lọ. Lắc đều chai thuốc thử trước khi sử dụng. Nhỏ 6 giọt thuốc thử số 1 và 6 giọt thuốc thử số 2 vào lọ chứa mẫu nước cần kiểm tra, đậy nắp lọ thử ngay sau khi nhỏ (phải đảm bảo không có bất kỳ bọt khí nào trong lọ), lắc đều, sau đó mở nắp lọ ra. 65
  78. Đồ án tốt nghiệp  Cách đọc kết quả Đặt lọ thử nơi nền trắng của bảng so màu, so sánh màu kết tủa của lọ với các cột màu và xác định nồng độ Oxy (mg/l). Nên thực hiện việc so màu dưới ánh sáng tự nhiên, tránh ánh sáng mặt trời trực tiếp chiếu vào. Làm sạch trong và ngoài lọ thủy tinh bằng nước máy trước và sau mỗi lần kiểm tra. Hình 2.3. Bảng so màu Sera O2 Test Kit – Germany 66
  79. Đồ án tốt nghiệp CHƯƠNG 3 – KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Kết quả dựng đường chuẩn 3.1.1. Đường chuẩn nitrate Đo độ hấp thụ quang của 6 mẫu dung dịch chuẩn ở bước sóng 410 nm. (Bảng - 3.1). Biểu diễn sự phụ thuộc của độ hấp thụ quang với nồng độ N-NO3 bằng đồ thị. (Hình 3.2). Bảng 3.1. Độ hấp thụ quang của dung dịch chuẩn - Dung dịch chuẩn N-NO3 (mg/L) Độ hấp thu quang 1 0 0 2 0,5 0,357 3 1,0 0,591 4 1,5 0,840 5 2,0 1,159 6 2,5 1,340 Sau khi đo được độ hấp thụ của các dung dịch chuẩn, tiến hành xây dựng đường chuẩn và tìm ra phương trình hồi quy tương quan. Đường chuẩn Nitrate 1.6 1.4 y = 0.5346x + 0.0463 1.2 R² = 0.9937 1 0.8 OD410nm 0.6 0.4 0.2 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 N-NO - (mg/L) 3 Hình 3.1. Biểu đồ xác định phương trình đường chuẩn nitrate 67