Đồ án Khảo sát hiệu quả xử lý nước thải chế biến thịt và thủy sản của một số chủng vi khuẩn phân lập từ nước thải giàu Protein

pdf 87 trang thiennha21 12/04/2022 100
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Đồ án Khảo sát hiệu quả xử lý nước thải chế biến thịt và thủy sản của một số chủng vi khuẩn phân lập từ nước thải giàu Protein", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfdo_an_khao_sat_hieu_qua_xu_ly_nuoc_thai_che_bien_thit_va_thu.pdf

Nội dung text: Đồ án Khảo sát hiệu quả xử lý nước thải chế biến thịt và thủy sản của một số chủng vi khuẩn phân lập từ nước thải giàu Protein

  1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Ngành : CÔNG NGHỆ SINH HỌC Chuyên ngành : CÔNG NGHỆ SINH HỌC Giảng viên hướng dẫn : ThS.VÕ HỒNG THI Sinh viên thực hiện : TÔ THÙY TRANG MSSV: 107111190 Lớp: 07DSH3 TP. Hồ Chí Minh - 2011
  2. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. VÕ HỒNG THI LỜI MỞ ĐẦU 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Ngành công nghiệp chế biến thịt, thủy hải sản đã và đang đem lại những lợi nhuận không nhỏ cho nền kinh tế Việt Nam. Nhưng bên cạnh những lợi ích mang lại như tạo thêm công ăn việc làm cho người lao động, tăng trưởng GDP cho quốc gia thì những ngành công nghiệp này cũng để lại những hậu quả thật khó lường đối với môi trường sống của con người. Các con sông, kênh rạch nước bị đen bẩn và bốc mùi hôi thối do phải tiếp nhận một lượng lớn nước thải có chứa nhiều chất hữu cơ chưa qua xử lý hoặc xử lý chưa đạt chuẩn thải ra từ các nhà máy chế biến thịt và thủy sản. Và điều này đã gây ảnh hưởng rất lớn với con người và hệ sinh thái gần các khu vực phải hứng chịu các loại nước thải này. Đứng trước những đòi hỏi về một môi trường sống trong lành cho người dân, cũng như những qui định đối với các doanh nghiệp sản xuất thì cần phải có một hệ thống xử lý nước thải đúng chuẩn nhằm giảm thiểu ảnh hưởng đến môi trường xung quanh. Như vậy, mỗi doanh nghiệp cần lựa chọn một phương pháp xử lý để đạt hiệu quả cao nhất đối với ngành sản xuất của mình là nhu cầu bức thiết. Nước thải chế biến thực phẩm nói chung cũng như nước thải sản xuất thịt và thủy sản nói riêng đều có đặc trưng là thành phần ô nhiễm hữu cơ rất cao, chủ yếu phát sinh trong các công đoạn sơ chế và làm sạch nguyên liệu ( tôm, cá, mực, giết mổ gia súc, gia cầm ). Hiện nay, công nghệ sinh học đang từng bước phát triển cũng như việc ứng dụng nó trong công tác bảo vệ môi trường ngày càng được chú ý áp dụng hơn. Đặc biệt, phương pháp xử lý sinh học rất phù hợp với nước thải sản xuất và chế biến thịt và thủy hải sản do đặc trưng của nước thải này là ô nhiễm hữu cơ dễ phân hủy sinh học. 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 và thịt, đặc biệt là vi khuẩn thuộc chi Bacillus. Các chủng vi sinh vật này đã có nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác 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. Trong SVTH: TÔ THÙY TRANG_MSSV: 107111190 Trang 1
  3. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. VÕ HỒNG THI điều kiện tự nhiên của nước thải, các vi sinh vật này tự phát triển về số lượng và khối lượng nhưng đòi hỏi thời gian dài. Nếu các vi sinh vật này được tách riêng và đã được thích nghi trước trong môi trường giàu protein để sau đó sẽ được bổ sung vào nước thải ở giai đoạn vi sinh vật sinh trưởng mạnh nhất thì vừa có thể nâng cao hiệu quả xử lý nước thải, vừa rút ngắn được thời gian thích nghi của vi sinh vật trong bể xử lý. Dựa trên cơ sở đó, đề tài “Khảo sát hiệu quả xử lý nước thải chế biến thịt và thủy sản của một số chủng vi khuẩn phân lập từ nước thải giàu Protein” với mong muốn khảo sát khả năng xử lý các chất hữu cơ của các chủng vi sinh vật đã được thích nghi trước và so sánh với các vi sinh vật phát triển hoàn toàn tự nhiên từ nước thải thực phẩm. 2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Xem xét hiệu quả xử lý nước thải sản xuất, chế biến thịt và thủy sản của các chủng vi khuẩn đã phân lập được từ chính các nguồn nước thải đó từ đó hình thành một vài chế phẩm phù hợp. 3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU - Tìm hiểu khái quát về ngành công nghiệp sản xuất chế biến thịt và thủy sản, các vấn đề môi trường phát sinh từ các ngành công nghiệp này. - Đánh giá mức độ ô nhiễm của nước thải thịt ( nước thải sản xuất và chế biến gia cầm công ty trách nhiệm hữu hạng (TNHH) Phạm Tôn) và nước thải thủy sản ( công ty TNHH thủy sản Hai Thanh). - Khảo sát đánh giá hiệu quả xử lý của các chủng vi sinh đã phân lập được trước đó trên một số loại nước thải giàu protein. 4. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 4.1 Đối tượng nghiên cứu Một số loại nước thải giàu protein như: nước thải chế biến thịt và thủy sản. 4.2 Phạm vi nghiên cứu Một số chủng vi khuẩn có khả năng phân hủy protein ứng dụng trong xử lý nước thải chế biến thịt và thủy sản. Các loại vi sinh vật khác và các loại nước thải giàu protein khác không nằm trong phạm vi của nghiên cứu này. SVTH: TÔ THÙY TRANG_MSSV: 107111190 Trang 2
  4. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. VÕ HỒNG THI 5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Phương pháp điều tra khảo sát một số nhà máy chế biến thịt và thủy sản. - 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 phù hợp với mục tiêu đề ra. - Phương pháp thực nghiệm: + Phương pháp xử lý số liệu: trên phần mềm Excel 2003/2007. * Phân tích các chỉ tiêu đánh giá ô nhiễm: COD, BOD, N, P. * Khảo sát hiệu quả xử lý của các chủng đã phân lập và lựa chọn được đối với nước thải thịt và thủy sản nhằm xác định điều kiện xử lý cho kết quả tốt nhất. 6. Ý NGHĨA ĐỀ TÀI 6.1 Ý nghĩa khoa học Tạo nguồn bổ sung một số chủng vi khuẩn mới phân lập được có hoạt tính protease mạnh để ứng dụng vào các nghiên cứu mới trong các lĩnh vực đời sống. 6.2 Ý nghĩa thực tiễn - Giúp xử lý nước thải giàu protein đạt hiệu quả, góp phần bảo vệ môi trường ngành sản xuất chế biến thịt và thủy hải sản nói riêng và môi trường nước nói chung. - Hình thành một vài chế phẩm sinh học phù hợp với nước thải sản xuất chế biến thịt và thủy sản. 7. CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC CỦA ĐỀ TÀI - Đã khái quát được công nghệ chế biến thực phẩm điển hình, cụ thể là ngành công nghiệp chế biến thịt và thủy sản. - Nắm được thành phần, tính chất và những tác động đến môi trường của nước thải ngành công nghiệp chế biến thịt và thủy sản. - Đã khảo sát khả năng phân giải chất hữu cơ (COD) trong nước thải thủy sản và thịt của 10 chủng Bacillus đã phân lập theo thời gian (24 giờ, 48 giờ và 72 giờ), ở 2 tỷ lệ giống (1% và 2%) với nồng độ COD tăng dần (500mg/l, 800mg/l, SVTH: TÔ THÙY TRANG_MSSV: 107111190 Trang 3
  5. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. VÕ HỒNG THI 1150mg/l đối với nước thải thủy sản và 500mg/l, 800mg/l, 1200mg/l và 200mg/l đối với nước thải thịt). - Hiệu quả xử lý chất hữu cơ (COD) trên 2 loại nước thải của các chủng Bacillus phân lập đều đạt cao nhất ở tỷ lệ giống 1% sau 72 giờ sục khí. Trong khoảng thời gian này, thời gian xử lý càng dài thì hiệu quả xử lý COD càng tăng, tuy nhiên khi tăng tải trọng hữu cơ (COD đầu vào) thì hiệu quả xử lý giảm dần. - Bên cạnh đó, khi lựa chọn 6 chủng đạt hiệu quả xử lý cao và ổn định nhất để phối lại với nhau tạo thành hỗn hợp H6 thì khả năng loại bỏ COD của hỗn hợp cao hơn khi chỉ sử dụng riêng rẽ từng chủng. - Hiệu quả xử lý của 10 chủng Bacillus khi áp dụng trên nước thải thủy sản cao hơn trên thịt, tuy sự khác biệt ấy cũng chưa thật rõ ràng. 8. KẾT CẤU CỦA ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đồ án tốt nghiệp gồm có 4 chương:  Chương 1 – Tổng quan tài liệu  Chương 2 – Nguyên vật liệu và phương pháp nghiên cứu  Chương 3 – Kết quả và biện luận  Chương 4 – Kết luận và kiến nghị SVTH: TÔ THÙY TRANG_MSSV: 107111190 Trang 4
  6. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. VÕ HỒNG THI CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Tầm quan trọng của ngành sản xuất và chế biến thực phẩm Thực phẩm đóng vai trò quan trọng là nguồn dinh dưỡng thiết yếu trong đời sống của con người. Tuy vậy, nếu so sánh nhu cầu cần thiết của con người so với khả năng sản xuất lương thực, thực phẩm hiện nay thì một phần ba dân số hiện đang thiếu ăn (TS. Nguyễn Xuân Phương và TSKH. Nguyễn Văn Thoa). Nguyên nhân là do dân số tăng nhanh, kèm với thiên tai, sâu bệnh, đất đai sản xuất xói mòn, thoái hóa và thu hẹp làm cho khả năng sản xuất lương thực, thực phẩm bị hạn chế. Cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật trên thế giới đã và đang diễn ra với tốc độ nhanh và quy mô lớn chưa từng thấy giúp giải quyết được nhu cầu lương thực và thực phẩm trong tương lai. Ứng dụng của khoa học hiện đại giúp tăng nhanh hiệu suất trồng trọt và chăn nuôi, bảo quản có hiệu quả cao các sản phẩm nông nghiệp, biến những nguyên liệu không phải là thực phẩm làm thành thực phẩm, nâng cao chất lượng thực phẩm. Ở nước ta công nghiệp sản xuất thực phẩm mới hình thành khoảng vài chục năm gần đây. Với điều kiện tự nhiên và địa lý thuận lợi (vành đai nhiệt đới, đường bờ biển dài, nhiều ao hồ, sông suối ) và sự cần cù, học hỏi nên chỉ trong thời gian ngắn, Việt Nam cũng đã đào tạo được một đội ngũ cán bộ khoa học kỹ thuật chuyên ngành đông đảo, mở ra hàng trăm nhà máy thực phẩm lớn nhỏ, sản xuất được nhiều sản phẩm phục vụ đời sống và xuất khẩu. Khép lại năm 2010, thủy sản Việt Nam đã đạt được những bước tiến đáng ghi nhận. Sản lượng khai thác thủy sản tháng 12/2010 ước đạt 255,8 ngàn tấn, đưa sản lượng khai thác cả năm 2010 lên 2.450,8 ngàn tấn, bằng 107,6% so với cùng kỳ năm 2009 và đạt 102,1% so với kế hoạch đề ra. Lĩnh vực xuất khẩu được coi là thành công nhất trong bức tranh thủy sản năm 2010. Theo ngành thủy sản, năm 2010, giá trị kim ngạch xuất khẩu thủy sản đạt 4,94 tỷ USD, tăng 16,3% so với cùng kỳ năm 2009. Nhìn lại năm qua, có thể thấy hai mặt hàng chủ lực là tôm và cá tra nằm trong số các mặt hàng thủy sản xuất khẩu của nước ta đều đã vượt khỏi ngưỡng giá trị 1 tỷ USD, trong đó mặt hàng tôm lần đầu tiên đạt hơn 2 tỷ USD. SVTH: TÔ THÙY TRANG_MSSV: 107111190 Trang 5
  7. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. VÕ HỒNG THI Với mức giá cao, mặt hàng tôm đã vượt lên chiếm 40,7% tổng giá trị xuất khẩu thủy sản của Việt Nam, cũng là mặt hàng đứng đầu trong nhóm thủy sản. Thị trường tiêu thụ tôm đã vươn tới 90 nước, trong đó 3 thị trường chính là Nhật Bản, Mỹ, EU chiếm trên 70% tổng kim ngạch xuất khẩu tôm của cả nước. Mặt hàng cá ngừ, mực và bạch tuộc, cũng đạt giá trị khá cao đều đạt hơn 1 tỷ USD trong tổng giá trị xuất khẩu thủy sản năm nay. Bên cạnh đó, sản lượng ngành công nghiệp thịt của ngành công nghiệp chế biến thực phẩm của Việt Nam năm 2010 đạt 1,6 triệu tấn/năm, trong đó có 77% thịt lợn, 16% thịt gia cầm và 7% thịt gia súc. Phần lớn sản phẩm thịt lợn được phân phối dưới dạng tươi sống trong khi chỉ có một tỷ lệ nhỏ, tuy nhiên đang có chiều hướng tăng lên được chế biến thành thịt hộp, xúc xích nhưng tỷ trọng các sản phẩm chế biến này đang có chiều hướng gia tăng. Mặt khác, lượng thịt gia súc, gia cầm tiêu thụ trong nước cũng đạt ở mức cao. Cụ thể, thành phố Hồ Chí Minh tiêu thụ với số lượng khoảng 400 tấn/ngày. Chế biến thịt là hoạt động có quy mô tương đối nhỏ tại Việt Nam. Chỉ có một vài công ty chế biến có công suất trên 10.000 tấn/năm. Hiện tại có khoảng 290 lò mổ chính thức đang hoạt động trên khu vực Thành phố Hồ Chí Minh. Tại Việt Nam, hai công ty hàng đầu trong ngành chế biến thịt là Công ty chế biến thực phẩm Vissan và Animex. Hiện nay, các cơ sở giết mổ thủ công tập trung và hộ gia đình thường hình thành tự phát, không theo quy định và không đạt tiêu chuẩn vệ sinh, mặc dù đang cung cấp trên 80% nhu cầu tiêu thụ thịt gia súc, gia cầm cho toàn Thành phố Hồ Chí Minh. 1.2 Công nghệ sản xuất chế biến thực phẩm và các vấn đề môi trường đi kèm 1.2.1 Công nghệ sản xuất chế biến thủy sản và các vấn đề môi trường đi kèm 1.2.1.1 Quy trình sản xuất chế biến thủy sản Các cơ sở chế biến thủy hải sản ở quy mô tiểu thủ công nghiệp thường sử dụng công nghệ chế biến đơn giản, chủ yếu chế biến thô, quy trình chung như sau: SVTH: TÔ THÙY TRANG_MSSV: 107111190 Trang 6
  8. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. VÕ HỒNG THI Hình 1.1 – Công nghệ sản xuất trong một nhà máy sản xuất thủy sản thường gặp ở Việt Nam hiện nay SVTH: TÔ THÙY TRANG_MSSV: 107111190 Trang 7
  9. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. VÕ HỒNG THI 1.2.1.2 Đặc điểm công nghệ sản xuất chế biến thủy sản Công nghệ sản xuất chế biến thủy sản được các công ty, xí nghệp áp dụng hiện nay trải qua nhiều công đoạn trước khi đưa sản phẩm ra thị trường. Nguồn nguyên liệu ban đầu như: tôm, cá mực sẽ được rửa sơ bộ, rồi mang đi cân để phân cỡ nhằm tách ra từng loại theo qui định về trọng lượng của từng nhà máy. Sau đó, các loại nguyên liệu qua công đoạn cắt bỏ đầu, nội tạng và đánh vẩy. Ở giai đoạn này, một lượng chất hữu cơ lớn được thải ra, sẽ gây ảnh hưởng đến môi trường nếu không được tái sử dụng để làm phân bón hay xử lý. Nguyên liệu lại tiếp tục được rửa, cân và phân cỡ lại. Sau đó, nguyên liệu được ngâm, rửa để loại bỏ hết những tạp chất còn bám trên đó trước khi cho vào khay. Đến đây, sản phẩm đã hoàn thành được đem cấp đông trước khi đưa ra thị trường. Tóm lại, xuyên suốt công nghệ sản xuất chế biến thủy sản, lượng nước thải phát sinh chủ yếu là từ các công đoạn sơ chế và làm sạch nguyên liệu, đặc biệt nước thải từ khâu bỏ đầu, đánh vẫy và lấy nội tạng là rất ô nhiễm. 1.2.1.3 Thành phần và tính chất của nước thải sản xuất và 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. Đối với các khâu chế biến cơ bản, nguồn thải chính là khâu xử lý và bảo quản nguyên liệu trước khi chế biến, khâu rả đông, làm vệ sinh thiết bị nhà xưởng. Đối với hoạt động đóng hộp, ngoài các nguồn ô nhiễm ở các khâu như trên còn có khâu rót nước sốt, nước muối, dầu. Các nguồn thải chính từ sản xuất bột cá và dầu cá là nước máu từ khâu bốc dỡ và bảo quản cá, và thời điểm dòng thải đậm đặc nhất là khâu ly tâm nước ngưng tụ các thiết bị cô đặc. Nguồn phát sinh chất thải gây ô nhiễm chủ yếu trong các công ty chế biến đông lạnh thì được chia làm ba dạng: chất thải rắn, chất thải lỏng và chất thải khí. Trong quá trình sản xuất còn gây ra các nguồn ô nhiễm khác như tiếng ồn, độ rung và khả năng gây cháy nổ. SVTH: TÔ THÙY TRANG_MSSV: 107111190 Trang 8
  10. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. VÕ HỒNG THI * Chất thải rắn Chất thải rắn thu được từ quá trình chế biến tôm, mực, cá, sò có đầu vỏ tôm, vỏ sò, da, mai mực, nội tạng Thành phần chính của phế thải sản xuất các sản phẩm thuỷ 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 cho dân làm thức ăn cho người, thức ăn chăn nuôi gia súc, gia cầm hoặc thuỷ sản. * 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, nước vệ sinh cho công nhân. Lượng nước thải và nguồn gây ô nhiễm chính là do nước thải trong sản xuất. * Chất thải khí Khí thải sinh ra từ công ty có thể là: - Khí thải Chlor 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 liêu, mùi hôi tanh từ nơi chứa phế thải, vỏ sò, cống rãnh. Như vậy, bên cạnh những đóng góp to lớn, ngành công nghiệp chế biến thủy sản cũng nảy sinh ra nhiều vấn đề về môi trường, đặc biệt là nước thải sản xuất, với một lượng lớn có nguy cơ ô nhiễm môi trường cao. Thành phần nước thải thuỷ sản cũng khá phức tạp và đa dạng, bao gồm 3 loại: 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 nên chứa nhiều protein và lipit. 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. 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 SVTH: TÔ THÙY TRANG_MSSV: 107111190 Trang 9
  11. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. VÕ HỒNG THI đạm và thải ammoniac. Ngoài ra, các thành phần chất hữu cơ trong nước thải thủy sản khi phân huỷ tạo ra các sản phẩm trung gian là các axit béo không no nên tạo mùi rất khó chịu gây ảnh hưởng sức khoẻ công nhân trực tiếp làm việc. Sau đây là một số kết quả tính chất nước thải thủy hải sản tham khảo tại một vài nhà máy chế biến thủy sản điển hình: Bảng 1.1 - Thành phần và tính chất nước thải công ty TNHH thủy sản Hai Thanh Hàm lượng trung bình Tiêu chuẩn thải (QCVN 11 : Chỉ tiêu (mg/l) 2008, Loại B) BOD5 1194 50 COD 1500 80 SS 352 100 Ph 6.3 5,5 – 9 N 30 60 P 3 6 Coliform 150 x 105 CFU/ml 9.103 CFU/ml (Nguồn : Công ty TNHH thủy sản Hai Thanh) Bảng 1.2 - Thành phần và tính chất nước thải các nhà máy chế biến thuỷ hải sản ở Bà Rịa - Vũng Tàu Chỉ tiêu Nồng độ BOD5 1500 – 2300 mg/l Tổng chất rắn lơ lửng 1600 – 2500 mg/l Tổng nitơ 75 – 200 mg/l Tổng photpho 5 – 10 mg/l pH 6,5 – 8 (Nguồn: CEFINEA, 2009) SVTH: TÔ THÙY TRANG_MSSV: 107111190 Trang 10
  12. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. VÕ HỒNG THI Bảng 1.3 - Thành phần và tính chất nước thải nhà máy chế biến thuỷ hải sản Ngô Quyền - Kiên Giang Chỉ tiêu Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3 Mẫu 4 pH 6,5 7,62 7,28 7,4 TDS, mg/l 1506 1060 1514 1660 Độ đục, NTU 120 98 250 161 Độ màu, Pt-Co 1614 902 2301 1600 P - PO4, mg/l 21 11.09 4.52 15.06 SS, mg/l 9,5 52 41 32 N-amoni, mg/l 167.3 75.8 54.09 98 Dầu, mg/l - - - 0,16 Tổng số Coliform, 1000 1600 18000 - MPN/100 ml COD, mg/l 950 406 360 1400 (Nguồn: CEFINEA, 2009) * Ghi chú : Mẫu 1: nước thải chế biến mực. Mẫu 2: nước thải chế biến tôm. Mẫu 3: nước thải phân xưởng đông lạnh. Mẫu 4: cống xả phân xưởng hải sản đông lạnh. Tính chất nước thải thường thay đổi theo các mặt hàng sản xuất của từng nhà máy. Nhìn chung nước thải của ngành chế biến thuỷ hải sản vượt quá nhiều lần so với qui định cho phép xả vào nguồn (từ 5 – 10 lần về chỉ tiêu COD, gấp 2 – 4 lần về chỉ tiêu nitơ hữu cơ ). Ngoài ra chỉ số về lượng nước thải trên một đơn vị sản phẩm của nhà máy cũng rất lớn (từ 70 – 120 m3/tấn sản phẩm). Vì vậy, cần có biện pháp xử lý nước thải phù hợp trước khi xả vào nguồn tiếp nhận. 1.2.1.4 Tác động của nước thải sản xuất và chế biến thủy sản đến môi trường nước Như đã đề cập ở mục 1.2.1.2, nước thải chế biến thuỷ 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. SVTH: TÔ THÙY TRANG_MSSV: 107111190 Trang 11
  13. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. VÕ HỒNG THI Đối với nước ngầm tầng nông, nước thải chế biến thuỷ sản có thể thấm xuống đất và gây ô nhiễm nước ngầm. Các nguồn nước ngầm nhiễm các chất hữu cơ và vi sinh vật gây bệnh rất khó xử lý thành nước sạch cung cấp cho sinh hoạt. Đối với các nguồn nước mặt, các chất ô nhiễm có trong nước thải chế biến thuỷ sản sẽ làm suy thoái chất lượng nước, tác động xấu đến môi trường và thủy sinh vật, cụ thể như sau:  Các chất hữu cơ Các chất hữu cơ chứa trong nước thải chế biến thuỷ sản chủ yếu là dễ bị phân hủy. Trong nước thải chứa các chất như cacbonhydrat, protein, chất béo Khi xả 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 giảm khả năng tự làm sạch của nguồn nước, dẫn đến giảm chất lượng nước cấp cho sinh hoạt và công nghiệp.  Chất rắn lơ lửng Các chất rắn lơ lửng làm cho nước đục hoặc có màu, hạn chế độ sâu tầng nước được ánh sáng chiếu xuống, gây ảnh hưởng tới 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 tác hại về mặt cảm quan (tăng độ đục nguồn nước) và gây bồi lắng lòng sông, cản trở sự lưu thông nước và tàu bè  Chất dinh dưỡng (N, P) Nồng độ các chất nitơ, photpho cao gây ra hiện tượng phát triển bùng nổ các loài tảo, đến mức độ giới hạn tảo sẽ bị chết và phân hủy gây nên thiếu hụt oxy. Ngoài ra, các loài tảo nổi trên mặt nước tạo thành lớp màng khiến ánh sáng không tới được các lớp nước bên dưới, do vậy quá trình quang hợp của các 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 thuỷ sinh, nghề nuôi trồng thuỷ sản, du lịch và cấp nước. SVTH: TÔ THÙY TRANG_MSSV: 107111190 Trang 12
  14. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. VÕ HỒNG THI  Vi sinh vật Các vi sinh vật gây bệnh và trứng giun sán trong nguồn nước bị ô nhiễm bởi nước thải là yếu tố có thể truyền dẫn các bệnh dịch cho người như bệnh lỵ, thương hàn, bại liệt, nhiễm khuẩn đường tiết niệu, tiêu chảy cấp tính 1.2.2 Công nghệ sản xuất chế biến thịt và các vấn đề môi trường đi kèm 1.2.2.1 Công nghệ sản xuất và chế biến thịt Chất thải sinh ra trong quá trình giết mổ, chế biến thịt như: lông, xương, da, mỡ, lòng ruột, phân súc vật có khả năng gây hôi thối và ô nhiễm rất nặng cho môi trường xung quanh. Sau đây dây chuyền công nghệ trong sản xuất chế biến thịt. SVTH: TÔ THÙY TRANG_MSSV: 107111190 Trang 13
  15. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. VÕ HỒNG THI Gia súc, gia cầm TTreo,reo, gây mê Cắt tiết Nước thải Vặt lông Chất thải rắn: lông Ngâm Nước thải paraphin Bề ngâm hòa Nước thải tan paraphin Mổ bụng Nước thải, chất thải rắn Pha cắt Đóng gói Kho lạnh Thành phẩm Hình 1.2 - Các công đoạn phát sinh nước thải trong công nghệ giết mổ gia súc, gia cầm của công ty TNHH Thực Phẩm Vàng SVTH: TÔ THÙY TRANG_MSSV: 107111190 Trang 14
  16. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. VÕ HỒNG THI 1.2.2.2 Đặc điểm công nghệ sản xuất chế biến thịt Trong sản xuất chế biến thịt, công nghệ ứng dụng cũng trải qua nhiều công đoạn. Gia súc, gia cầm sẽ được treo, gây mê bằng dòng điện rồi cắt tiết, vặt lông, ngâm paraphin để hòa tan các tạp chất dính trên da, rồi lại ngâm tiếp để loại paraphin cùng tạp chất. Sau đó, gia súc, gia cầm sẽ được mổ bụng, loại bỏ lòng, cắt thành miếng trước khi đi vào các công đoạn chế biến khác hay đóng gói đưa vào kho lạnh bảo quản để mang ra thị trường. Nước thải phát sinh trong công nghệ giết mổ gia súc, gia cầm chủ yếu từ công đoạn rửa súc vật, cắt tiết, khâu làm lòng và vệ sinh nhà xưởng. Theo số liệu thống kê của các nước thành viên trong khối EU, trung bình mỗi con heo giết mổ cần 3m3 nước. Ở Việt Nam, mức sử dụng trung bình khoảng 0,5 m3/con ( trọng lượng trung bình khoảng 160 kg/con). Việc sử dụng nước tại các cơ sở giết mổ ở các nước trong khối EU được điều hành bởi các luật của EU và các hiệp hội liên quan. Trong đó, yêu cầu phải sử dụng nước sạch, nước uống được trong tất cả các công đoạn và hạn chế sử dụng lại nước trong suốt các quá trình giết mổ. Việc sử dụng quá nhiều nước không chỉ là yếu tố môi trường và kinh tế mà còn là một gánh nặng cho các trạm xử lý nước thải. Vấn đề ô nhiễm của nước thải có thể được giảm thiểu bằng cách tận thu các sản phẩm phụ,các chất thải càng gần nguồn thải càng tốt. Mặt khác, tìm cách ngặn chặn chất thải tiếp xúc với nguồn nước như : bố trí mặt bằng, số lượng gia súc giết mổ hàng ngày, quy trình giết mổ, nguồn tiếp nhận chất thải Tuy nhiên, việc loại bỏ hay giảm thiểu lượng nước sử dụng cần phải được xem xét cụ thể ở từng công đoạn của quy trình giết mổ. Số liệu thống kê từ một công ty giết mổ gia súc, gia cầm qui mô trung bình trên địa bàn thành phố Hồ Chí Minh cho biết: - Lượng nước sử dụng trung bình để giết mổ mỗi con heo cần: 0,1 m3. - Lượng nước sử dụng trung bình để giết mổ mỗi con bò cần : 0,25 m3. - Lượng nước sử dụng trung bình để giết mổ gia cầm: 0,02 m3. Với sản lượng giết mổ trung bình mỗi ngày khoảng 5000 con gà và vịt, 200 con heo và 30 con bò thì lượng nước thải phát sinh mỗi ngày từ mỗi cơ sở giết mổ qui mô trung bình là khoảng 150m3. SVTH: TÔ THÙY TRANG_MSSV: 107111190 Trang 15
  17. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. VÕ HỒNG THI 1.2.2.3 Thành phần và tính chất của nước thải sản xuất và chế biến thịt Trong nước thải giết mổ gia súc có chứa các thành phần chất hữu cơ từ huyết, các chất hữu cơ khó hòa tan và chất béo bão hòa dễ phân hủy. Các chất này dễ bị phân hủy tạo ra các sản phẩm có chứa indol và các sản phẩm trung gian của sự phân hủy là các acid béo không bão hòa tạo mùi khó chịu rất đặc trưng, làm ô nhiễm cảnh quan môi trường. Mùi hôi còn do ảnh hưởng bởi các loại khí, là sản phẩm của quá trình phân hủy kị khí không hoàn toàn từ các hợp chất protein và các acid béo khác có trong nước thải sinh ra H2S Bảng 1.4 - Thành phần nước thải đầu vào của công ty Vissan TT Chỉ tiêu Đơn vị Đầu vào 1 pH 6-7 2 Chất rắn lơ lửng (SS) mg/l 1000 3 Tổng Nitơ mg/l 200-250 4 Tổng Phospho mg/l 15-18 5 Nhu cầu Oxi hóa học (COD) mg/l 2000 6 Nhu cầu Oxi sinh hóa (BOD) mg/l 1200 7 Dầu mỡ động vật mg/l 200-250 8 Coliform MPN/100ml 11.104 - 11.105 (Nguồn: Công ty Việt Nam kỹ nghệ súc sản Vissan) SVTH: TÔ THÙY TRANG_MSSV: 107111190 Trang 16
  18. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. VÕ HỒNG THI Bảng 1.5 - Thành phần nước thải đầu vào của công ty TNHH chế biến gia cầm Phạm Tôn QCVN 5945- TT Thông số ô nhiễm Đơn vị tính Giá trị 2005 ( loại B) 1 pH - 6,5-8 5,5-9 2 SS mg/l 180 100 3 BOD mg/l 2000 50 4 COD mg/l 2700 100 5 NH4-N mg/l 30-70 1 6 Tổng Nito mg/l 50-100 30 7 Tổng Phospho mg/l 6-18 6 8 Sunfua mg/l 1-8 0,5 9 Dầu động thực vật mg/l 2-18 10 10 Colifom MPN/100ml 11.103-13.103 5000 (Nguồn: Viện môi trường tài nguyên) 1.2.2.4 Tác động của nước thải sản xuất và chế biến thịt (lò mổ) đến môi trường nước Tác động môi trường đáng kể nhất từ các cơ sở giết mổ gia súc, gia cầm là nước thải. Nước thải phát sinh tại các cơ sở giết mổ gia súc, gia cầm thường bị nhiễm bẩn nặng bởi huyết, mỡ, protein, phospho, các chất tẩy rửa và các chất bảo quản. Tuy nhiên, trước nhu cầu đòi hỏi của xã hội, nhiều lò giết mổ gia súc quy mô vừa và nhỏ đã hình thành. Tuy nhiên, quá trình giết mổ gia súc gia tăng dẫn đến tình trạng môi trường ngày càng ô nhiễm, nếu không kiểm soát chặt chẽ và xử lý đúng đắn sẽ gây ô nhiễm nghiêm trọng cho các thành phần môi trường không khí, đất, nước và vệ sinh an toàn thực phẩm cũng như gây ảnh hưởng xấu đến sức khoẻ con người. Do đó, các lò giết mổ gia súc cần được quản lý và có biện pháp giảm thiểu ô nhiễm môi trường ngay từ khi nước thải vừa sinh ra. Sản phẩm của các lò giết mổ động vật gồm có thịt, mỡ và các sản phẩm chế biến từ các nguyên liệu thô, một số phụ phẩm xương (chiếm 30%-40%), nội tạng, da, lông của các gia súc, gia cầm. Bên cạnh đó, nồng độ các chất gây ô SVTH: TÔ THÙY TRANG_MSSV: 107111190 Trang 17
  19. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. VÕ HỒNG THI nhiễm cao trong nước thương có nguồn gốc từ chất thải là huyết và từ khâu làm lòng. Trong huyết chứa nhiều chất hữu cơ có hàm lượng nitơ rất cao, vì huyết chiếm 6% trọng lượng của động vật sống. Những chất chứa bên trong lòng ruột thường chiếm 16% trọng lượng sống của trâu bò và 6% trọng lượng sống của heo. Do vậy, khâu làm lòng là khâu đặc biệt quan trọng góp một lượng lớn chất gây ô nhiễm vào nước thải. Như vậy, đặc thù của nước thải giết mổ rất giàu chất hữu cơ (protein, lipit, các acid amin, amon, peptit, các acid hữu cơ). Ngoài ra, còn có thể có xương, thịt vụn, mỡ thừa, lông, móng, vi sinh vật. Nồng độ các chất ô nhiễm hữu cơ đặc trưng bằng các thông số BOD5 tới 7000 mg/l và COD tới 9400 mg/l. 1.2.3 Giới hạn quá trình tự làm sạch của nước Giới thủy sinh có trong nước là vi sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn, nguyên sinh động vật, các động vật, thực vật phù du, tiêu biểu là tảo, các động thực vật bậc cao, như tôm, cá v.v Tuỳ mức độ nhiễm bẩn hay nồng độ các chất hữu cơ dinh dưỡng trong nước, mức độ oxi hòa tan, nồng độ các chất có độc tính sẽ ảnh hưởng đến đời sống của giới này có trong nước. Nói chung, nếu nước bị nhiễm bẩn quá nặng, trước hết sẽ không còn oxi hoà tan làm ảnh hưởng tới hệ sinh thái nước, tới đời sống của giới thuỷ sinh, dần theo thời gian nước sẽ được tự làm sạch, hệ sinh thái nước sẽ được cân bằng trở lại. Đó là quá trình tự làm sạch của nước. Quá trình tự làm sạch của nước liên quan tới hoạt động sống của giới thuỷ sinh. Quá trình hoạt động sống của chúng dựa trên quan hệ cộng sinh (hoặc hội sinh) của toàn bộ quần thể sinh vật có trong nước. Phần chất không tan của hợp chất hữu cơ khi vào nước sẽ lắng xuống đáy, phần hoà tan sẽ được hoà loãng trong nước. Vai trò của giới thuỷ sinh trong quá trình làm sạch nước có thể tóm tắt như sau: - Vi khuẩn đóng vai trò chủ yếu trong quá trình phân huỷ các chất hữu cơ. Chúng có khả năng phân huỷ chất hữu cơ bất kỳ nào có trong tự nhiên, các chất đường bột, protein, chất béo sẽ sớm được phân huỷ, xenlulozo, hemixenlulozo bị phân huỷ muộn hơn, cao su, chất dẻo, chất hoá học tổng hợp bị SVTH: TÔ THÙY TRANG_MSSV: 107111190 Trang 18
  20. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. VÕ HỒNG THI phân huỷ chậm và rất chậm (có khi đến vài chục hoặc hàng trăm năm). Các chất hữu cơ hidratcacbon, protein, chất béo cùng với nguồn nito, phospho là thức ăn dinh dưỡng của vi khuẩn. Bản thân tế bào vi khuẩn, kể cả vi khuẩn gây bệnh là nguồn thức ăn cho nguyên sinh động vật. Trong quá trình sống của vi khuẩn, CO2 được sinh ra là nguồn cacbon dinh dưỡng cho tảo và các loài thực vật nổi khác. - Tảo và các loài thực vật nổi khác sử dụng các chất khoáng, trong đó có CO2 cùng NH4 do vi khuẩn tạo thành, để phát triển tăng sinh khối và thải ra oxi. Oxi phân tử này làm giàu oxi hoà tan trong nước tạo thuận lợi cho vi khuẩn hiếu khí phát triển và được sử dụng vào các phản ứng oxi hoá khử trong quá trình phân huỷ hiếu khí các chất hữu cơ. Thực vật phù du, trong đó có tảo là thức ăn cho động vật nguyên sinh và tôm cá nhỏ. - Các thực vật bậc cao hơn như rong, rêu, cỏ lác, rau ngổ, các loại bèo v.v cũng tham gia vào chu trình này, khử các sản phẩm phân huỷ từ các chất hữu cơ do vi khuẩn, sử dụng CO2 cùng với nguồn amon, phosphat để tăng sinh khối và thải oxi. - Động vật phù du ăn thực vật phù du và vi khuẩn, đồng thời cũng tham gia phân huỷ các chất hữu cơ. Chúng có thể tách các chất lơ lửng ra khỏi nước và làm cho nước trong. Chúng làm giảm lượng oxi hoà tan trong nước. - Cá ăn các loại động vật, thực vật phù du. Cá lớn lại ăn cá bé. Người ăn cá và chất thải của người có thể lại làm bẩn nước. Quá trình tự làm sạch của nước là quá trình có giới hạn, khi số lượng vi sinh vật tăng dần lên trong nước thải thì khả năng tự làm sạch sinh học sẽ diễn ra mạnh mẽ, nước dần sẽ trở lại trạng thái bình thường. Tuy nhiên, khi nguồn nước bị ô nhiễm nghiêm trọng và liên tục được thải vào các lưu vực tự nhiên thì sẽ làm thay đổi toàn bộ hệ sinh thái trong nước, hàm lượng chất hữu cơ cao trong nước thải sẽ làm giảm lượng oxy hòa tan, ức chế sự phát triển của vi sinh vật và các sinh vật khác trong môi trường nước. Vi sinh vật không thể xử lý chất ô nhiễm kịp dẫn đến mất khả năng tự làm sạch. Nước dần bị ô nhiễm nặng. Vì vậy, cần phải có biện pháp xử lý nước thải ô nhiễm, trước khi đưa chúng vào nguồn nước. SVTH: TÔ THÙY TRANG_MSSV: 107111190 Trang 19
  21. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. VÕ HỒNG THI 1.3 Ứng dụng công nghệ sinh học trong xử lý nước thải sản xuất và chế biến thực phẩm 1.3.1 Quá trình phân giải các chất giàu protein nhờ vi sinh vật 1.3.1.1 Qúa trình amon hóa protein 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. Quá trình này có thể xảy ra trong điều kiện hiếu khí hoặc kỵ khí. * Cơ chế : Nhóm vi sinh vật phân hủy protein có khả năng tiết ra enzyme protease bao gồm proteinase 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 . 1.3.1.2 Enzyme protease của vi sinh vật Protease là enzyme được sử dụng nhiều nhất hiện nay trong một số ngành sản 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, SVTH: TÔ THÙY TRANG_MSSV: 107111190 Trang 20
  22. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. VÕ HỒNG THI 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: a. 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 1.3 - Quá trình hoạt động protease ngoại bào b. 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 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 SVTH: TÔ THÙY TRANG_MSSV: 107111190 Trang 21
  23. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. VÕ HỒNG THI 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. Hình 1.4 - 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)  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. SVTH: TÔ THÙY TRANG_MSSV: 107111190 Trang 22
  24. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. VÕ HỒNG THI 1.3.2 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng vi sinh vật trong xử lý nước thải 1.3.2.1 Trên thế giới Nhiều vi khuẩn tạo bông như Zoogloea đã được phân lập. Kiuchi và cộng sự đã phân lập 92 chủng vi khuẩn từ bùn hoạt tính và chọn được 12 chủng có khả năng tạo bông. Kato và cộng sự đã phân lập 140 chủng vi khuẩn bùn hoạt tính và chọn được 8-12 chủng kết bông trên môi trường có thành phần khác nhau. Fujita và nhiều nhà nghiên cứu khác ở Nhật đã nghiên cứu sự tạo hạt của nấm Aspergillus niger trong quá trình nuôi lắc, đánh giá sinh khối hạt và sử dụng hạt để xử lý nước thải tinh bột, nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu xuất xữ lý nước thải tinh bột của hạt nấm. Bên cạnh đó, còn có hàng loạt chế phẩm sinh học, tăng cường xử lý nước thải công nghiệp, nước thải chế biến thực phẩm và nuôi trồng thủy sản đang được thương mại hóa trên thế giới và Việt Nam như: BZT Petrobac, EPICI, BRF2 của Mỹ, EM và Boksi của Nhật. 1.3.2.2 Tại Việt Nam Trong khoảng 10 năm trở lại đây, vấn đề nghiên cứu và ứng dụng vi sinh vật trong xử lý chất thải đã được nhiều nhà khoa học và công nghệ quan tâm. Tại trung tâm công nghệ sinh học- đại học quốc gia Hà Nội đã nghiên cứu thành phần vi sinh vật trong chế phẩm EM của Nhật kết hợp với xạ khuẩn để tạo ra chế phẩm mới EMUNI ứng dụng trong xử lý chất thải làm phân bón hữu cơ vi sinh. Tại viên Công nghệ sinh học- Viện khoa học và công nghệ Việt Nam, Lý Kim Bảng và cộng sự đã phân lập tuyển chọn vi khuẩn và xạ khuẩn chịu nhiệt phân hủy cenluloze tạo chế phẩm Micromic 3 bổ sung vào hệ thống xử lý rác thải sinh hoạt làm tăng tỷ lệ mùn hữu cơ và rút ngắn thời gian ủ. Như vậy, nhiều chế phẩm sinh học được ra đời góp phần hữu hiệu vào xử lý nước thải, rác thải giảm ô nhiễm môi trường. 1.4 Các phương pháp sinh học trong xử lý nước thải sản xuất và chế biến thực phẩm 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 SVTH: TÔ THÙY TRANG_MSSV: 107111190 Trang 23
  25. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. VÕ HỒNG THI 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. 1.4.1 Hệ thống xử lý nước thải cho các nhà máy sản xuất chế biến thực phẩm điển hình Tại Việt Nam, quy trình xử lý nước thải thủy sản được lựa chọn theo phương án xử lí 3 bậc nhằm hạn chế tối đa hàm lượng chất thải.  Sơ bộ: Tách rác, lắng cát, cân bằng, tách dầu.  Bậc 1: Xử lí kị khí trong bể UASB.  Bậc 2: Xử lí hiếu khí trong bể Aeroten.  Bậc 3: Keo tụ, lắng lọc, khử trùng. Bùn lắng tụ được gom vào ngăn chứa bùn, bể phân hủy bùn và cuối cùng được thải vào bãi rác hoặc dùng để bón cây. Sau đây là dây chuyền công nghệ xử lý nước thải thủy sản điển hình ở Việt Nam hiện nay: 2 3 4 5 6 7 1 8 11 10 9 13 12 SVTH: TÔ THÙY TRANG_MSSV: 107111190 Trang 24
  26. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. VÕ HỒNG THI 1. Song chắn rác 8. Bể chứa bùn 2. Ngăn thu nước 9. Bể nén bùn trọng lực 3. Bể điều hoà 10. Bể Mêtan 4. Bể lắng 1 11. Thiết bị ép bùn 5. Bể UASB 12. Bể tiếp xúc 6. Bể Aeroten 13. Thùng đựng Clo 7. Bể lắng đứng 2 Hình 1.5 - Dây chuyền công nghệ xử lý nước thải thủy sản điển hình 1.4.2 Các phương pháp xử lý nước thải cơ bản 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: 1.4.2.1 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 1.4.2.2 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 học và trước công trình xử lý sinh học. 1.4.2.3 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 SVTH: TÔ THÙY TRANG_MSSV: 107111190 Trang 25
  27. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. VÕ HỒNG THI 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 1.4.2.4 Khối khử trùng Nước thải sau khi đã được xử lý qua ba khối trên sẽ được xử lý triệt để hơn theo 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 1.4.2.5 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 1.4.3 Phương pháp sinh học trong xử lý nước thải 1.4.3.1 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. SVTH: TÔ THÙY TRANG_MSSV: 107111190 Trang 26
  28. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. VÕ HỒNG THI 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 các chất chưa bị oxi hoá hoàn toàn. Sản phẩm của các quá trình này là khí CO2, H2O, khí N2, ion sulfat 1.4.3.2 Các quá trình sinh học chủ yếu xảy ra trong xử lý nước thải Trong nước thải các chất nhiễm bẩn chủ yếu là các chất hữu cơ hòa tan, ngoài ra còn có các chất hữu cơ ở dạng keo và phân tán nhỏ ở dạng lơ lửng. Các dạng này tiếp xúc với bề mặt tế bào vi khuẩn (trong nước thải vi khuẩn chiếm đa số trong hệ vi sinh vật) bằng cách hấp phụ hay keo tụ sinh học, sau đó sẽ xảy ra quá trình dị hóa và đồng hóa. Quá trình làm sạch nước thải gồm 3 giai đoạn:  Các hợp chất hữu cơ tiếp xúc với bề mặt tế bào vi sinh vật.  Khuyếch tán chất ô nhiễm nước qua màng bán thấm vào trong tế bào vi sinh vật.  Chuyển hóa các chất trong nội bào để sinh ra năng lượng và tổng hợp các vật liệu mới cho tế bào vi sinh vật. a. Quá trình phân huỷ hiếu khí (Aerobic process) Các phản ứng xảy ra trong quá trình này là do các vi sinh vật hoại sinh hiếu khí hoạt động, cần có oxi của không khí để phân huỷ các chất hữu cơ nhiễm bẩn trong nước. Sản phẩm của quá trình phân hủy hiếu khí là CO2, H2O, NH3 và sinh khối tế bào. Do đó hàm lượng chất thải hữu cơ giảm đáng kể trong quá trình phân hủy hiếu khí. Quá trình phân huỷ hiếu khí nước thải gồm 3 giai đoạn biểu thị bằng các phản ứng: Oxy hoá các chất hữu cơ (quá trình dị hóa) CxHyOz + O2 CO2 + H20 + ΔH SVTH: TÔ THÙY TRANG_MSSV: 107111190 Trang 27
  29. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. VÕ HỒNG THI Các hợp chất hữu cơ bị phân hủy hiếu khí được viết tổng quát theo phương trình trên. Tổng hợp tế bào mới (quá trình đồng hóa) enzym CxHyOz + NH3 + O2 CO2 +H2O + C5H7NO2 - ΔH Phương trình phản ứng tóm tắt quá trình sinh tổng hợp tạo thành tế bào vi sinh vật. Phân huỷ nội bào: enzyme C5H7NO2 + 5O2 5CO2 + 2H2O + NH3 ± ΔH Oxi hòa tan cung cấp cho các quá trình sống của vi sinh vật trong nước, ngoài lượng oxi hòa tan tự nhiên còn cần phải bổ sung thêm trong các công trình xử lý nước thải. Có như vậy mới đảm bảo cho quá trình xử lý đạt kết quả. Khi có mặt oxi hòa tan, song song với quá trình các chất hữu cơ bị phân giải thành CO2 và H2O, thì các chất hữu cơ chứa nitơ cũng bị amon hóa tạo NH3 + - và sau đó là quá trình nitrat hóa để chuyển hóa NH3 và NH4 thành NO3 Chuyển hoá amon thành nitrit: Nitrosomonas (N.europasa, N. obligocacbogenes) oxi hoá amon thành nitrit. Một số vi sinh vật khác oxi hoá + NH4 là Nitrosopira, Nitrosococcus và Nitrosolobus + + NH4 + 3/2 O2 NO2 + 2H + H2O + 275 KJ Chuyển hoá nitrit thành nitrat: Nitrobacter (N. agilis, N.winograski) chuyển hoá nitrit thành nitrat. Ngoài ra còn có sự tham gia của các vi khuẩn Nitrospira, Nitrococcus. - - NO2 + ½ O2 NO3 + 75 KJ Một số vi khuẩn hiếu khí điển hình có trong nước thải: Pseudomonas, Bacillus, Alcaligenes, Flavobacterium, Zooglea, Cytophaga, Micrococcus, Lactobacillus, Acromobacter, Clostridium, Corynebacterium, Acinobacterium, Brevibacterium b. Quá trình phân huỷ thiếu khí Quá trình phân huỷ thiếu khí là quá trình xảy ra kèm theo quá trình hiếu khí trong các công trình xử lý sinh học. Quá trình được thực hiện bởi các loài vi khuẩn SVTH: TÔ THÙY TRANG_MSSV: 107111190 Trang 28
  30. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. VÕ HỒNG THI khử nitrat và chúng cũng hoạt động trong điều kiện có oxy như vi sinh vật hiếu khí, nhưng lượng oxy cung cấp không đòi hỏi nhiều. Quá trình này chủ yếu để loại bỏ hoàn toàn các hợp chất cứa nitơ trong nước thải. c.Quá trình phân huỷ kị khí Phân huỷ kị khí là quá trình phân huỷ các hợp chất hữu cơ và vô cơ trong điều kiện không có oxy phân tử của không khí bởi các vi sinh vật kị khí. Quá trình phân huỷ kị khí các hợp chất hữu cơ có trong nước thải nhờ sự hoạt động của các vi sinh vật gồm 3 giai đoạn sau: Giai đoạn thuỷ phân: dưới tác dụng của các enzyme thuỷ phân do vi sinh vật tiết ra, các chất hữu cơ cao phân tử bị thuỷ phân thành các phân tử đơn giản, dễ phân huỷ hơn. Hidrocacbon phức tạp sẽ thành các đường đơn giản, protein thành peptid, acid amin, chất béo bị thuỷ phân thành glycerin và các axit béo. Quá trình xảy ra chậm, tốc độ phân huỷ phụ thuộc vào pH, kích thước và đặc tính dễ phân huỷ của phân tử: hidrocacbon bị phân huỷ sớm nhất và nhanh nhất, chất béo thuỷ phân rất chậm Giai đoạn axit hoá: vi khuẩn lên men chuyển hoá các phân tử hữu cơ được tạo ra từ giai đoạn thuỷ phân thành những chất đơn giản hơn như: axit béo dễ bay hơi (axit acetic, axit propionic, axit lactic ), alcohol, methanol, CO2, H2, NH3, H2S. Trong giai đoạn này sự hình thành axit có thể làm giảm pH xuống 4. Và các vi khuẩn acetic sẽ chuyển hoá tiếp các sản phẩm trên thành acetat, H2 và CO2 trong điều kiện thế [H] thấp . Lượng H2 sinh ra trong giai đoạn này có thể ức chế ngược lại quá trình acetic hoá. Tuy nhiên lượng H2 được tiêu thụ một phần nhờ vi khuẩn metan trong giai đoạn sau, trong đó Methanobacterium dùng H2 như chất nhận điện tử để sinh ra khí CH4. Giai đoạn metan hoá: vi sinh vật metan chuyển hoá sản phẩm của giai đoạn trên: acetat, CO2, H2 thành CH4, CO2, H2O, ngoài ra còn tạo ra một số khí khác như H2, N2, H2S. Lượng H2 dư được tạo ra từ giai đoạn axit hoá đã được vi khuẩn metan sử dụng, tuy nhiên lượng H2 vẫn nhiều và sẽ được vi khuẩn sulfat hoá có trong nước thải sử dụng tiếp như chất cho điện tử để chuyển hoá các hợp SVTH: TÔ THÙY TRANG_MSSV: 107111190 Trang 29
  31. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. VÕ HỒNG THI chất hữu cơ chứa lưu huỳnh thành khí H2S sinh mùi. Do đó trong các công trình xử lý kị khí thường có mùi hôi sinh ra. GIAI ĐOẠN VẬT CHẤT LOẠI VI KHUẨN VẬT CHẤT HƯU CƠ PROTEINS HYDROCARBON LIPIDS Thủy phân Vi khuẩn lipolytic, proteolytic và ACID AMIN / ĐƯỜNG cellulytic Acid hóa Vi khuẩn lên men ACID BÉO Acetic hóa Vi khuẩn tạo khí H2 ACETATE / H2 Methane hóa Vi khuẩn methane hóa CH / CO 4 2 Hình 1.6 - Sơ đồ chuyển hóa vật chất trong điều kiện kỵ khí 1.4.4 Các hình thức xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học Hai quá trình bùn hoạt tính (bông sinh học) và màng sinh học có sự khác nhau cơ bản về thành phần vi sinh vật và cơ chế phân huỷ chất hữu cơ: - Bùn hoạt tính chủ yếu là vi khuẩn hiếu khí hoạt động trong điều kiện hiếu khí, cần có oxy. Và quá trình phân huỷ chất hữu cơ dựa vào sự tiếp xúc của chất hữu cơ với tế bào sinh vật (bông bùn) chuyển động lơ lửng trong nước thải, diễn ra quá trình tăng trưởng lơ lửng. SVTH: TÔ THÙY TRANG_MSSV: 107111190 Trang 30
  32. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. VÕ HỒNG THI - Màng sinh học gồm hệ vi sinh vật tuỳ tiện: ở màng hiếu khí, phần ngoài màng là vi khuẩn hiếu khí, ở giữa là các vi khuẩn tuỳ tiện và trong cùng là các vi khuẩn kị khí, ở màng kị khí gồm các vi khuẩn kị khí chủ yếu và một số ít là tuỳ nghi. Và quá trình phân hủy chất hữu cơ của màng sinh học dựa vào cơ chế hấp phụ các thành phần hữu cơ trong nước thải một cách cố định, diễn ra quá trình tăng trưởng dính bám. 1.4.4.1 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 μm. 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 1mg chất khô (chất rắn tách ra từ bùn hoạt tính bằng cách lọc hoặc ly tâm ở SVTH: TÔ THÙY TRANG_MSSV: 107111190 Trang 31
  33. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. VÕ HỒNG THI 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 thì cứ 1 triệu tế bào vi khuẩn phải có 10 – 15 protozoa. 1.4.4.2 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 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 SVTH: TÔ THÙY TRANG_MSSV: 107111190 Trang 32
  34. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. VÕ HỒNG THI 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. 1.4.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học 1.4.5.1 Nồng độ 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 ≤ 2 hoặc SVTH: TÔ THÙY TRANG_MSSV: 107111190 Trang 33
  35. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. VÕ HỒNG THI BOD/COD ≥ 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 bột 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 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 . 1.4.5.2 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 động 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. 1.4.5.3 Nhiệt độ Nhiệt độ của nước thải cũng ảnh hưởng rất lớn đến hoạt động sống của vi sinh vật. Hầu hết các vi sinh vật có trong nước thải là các thể ưa ấm (mesophilic), chúng có nhiệt độ sinh trưởng tối đa là 40oC và tối thiểu là 5oC. Vì vậy, nhiệt độ 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. 1.4.5.4 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 SVTH: TÔ THÙY TRANG_MSSV: 107111190 Trang 34
  36. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. VÕ HỒNG THI 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 thể loại bỏ các cặn lớn và một phần các chất rắn lơ lửng. 1.4.5.5 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 lương 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. 1.4.5.6 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. SVTH: TÔ THÙY TRANG_MSSV: 107111190 Trang 35
  37. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. VÕ HỒNG THI 1.4.5.7 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 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. SVTH: TÔ THÙY TRANG_MSSV: 107111190 Trang 36
  38. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. VÕ HỒNG THI CHƯƠNG 2 – NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Nguyên vật liệu nghiên cứu * Mẫu nước thải sử dụng cho công tác nghiên cứu - Mẫu nước thải thủy sản lấy tại hố thu – công ty TNHH thủy sản Hai Thanh – KCN Hiệp Phước lô A – Nhà Bè – TP.HCM. - Mẫu nước thải sản xuất và chế biến thịt gia cầm lấy tại hố thu – công ty TNHH chế biến gia cầm Phạm Tôn – ấp Tân Thắng – Tân Bình –Dĩ An – Bình Dương. * Giống VSV 10 chủng vi khuẩn có tiềm năng phân hủy protein tốt đã được phân lập, thuần khiết, bảo quản và giữ giống từ 2 nguồn nước thải cơ bản: - 7 chủng được phân lập từ nước thải chế biến thủy sản của công ty cổ phần thủy sản số 4 – 320 Hưng Phú, phường 9, quận 8, TP.HCM và công ty chế biến thủy sản trực thuộc KCN Đức Hòa, Long An: M1, M2, M3, M4, M5, M6, M7. - 3 chủng được phân lập từ nước thải sản xuất và chế biến thịt của công ty Việt Nam kỹ nghệ súc sản Vissan: V1, V2, V3. Qua các phép thử nghiệm trong giai đoạn định danh vi sinh vật (khả năng di động, kết quả nhuộm gram, khả năng sinh bào tử, kết quả thử nghiệm sinh hóa và khả năng phân giải cơ chất trên môi trường thạch dinh dưỡng) đã xác định 10 chủng trên đều thuộc chi Bacillus. * Môi trường sử dụng để tăng sinh - Môi trường dinh dưỡng có nguồn protein (NA): + Cao thịt : 1g + Pepton : 0.3g + NaCl : 0.5g + Nước cất : 100 ml * Hóa chất sử dụng để phân tích các chỉ tiêu ô nhiễm đặc trưng của nước thải - COD - BOD SVTH: TÔ THÙY TRANG_MSSV: 107111190 Trang 37
  39. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. VÕ HỒNG THI - Phospho tổng - N kjeldahl * Một số hóa chất khác và các dụng cụ, máy móc sử dụng phục vụ thí nghiệm 2.2 Phương pháp nghiên cứu 2.2.1 Phương pháp lấy mẫu nước thải * Địa điểm lấy mẫu: - Công ty TNHH thủy sản Hai Thanh, Lô A – KCN Hiệp Phước, huyện Nhà Bè, TP.HCM. - Công ty TNHH chế biến gia cầm Phạm Tôn – ấp Tân Thắng – Tân Bình –Dĩ An – Bình Dương. Mẫu được lấy tại các bể thu gom nước thải trong hệ thống, cho vào thiết bị chứa, đưa về phòng thí nghiệm ngay sau khi lấy phân tích các chỉ tiêu đặc trưng trước khi tiến hành thử nghiệm xử lý. 2.2.2 Đo đạc các thông số ô nhiễm môi trường Bảng 2.1 – Phương pháp xác định các thông số ô nhiễm môi trường Các thông số ô nhiễm môi Phương pháp xác định trường - Oxy hóa chất hữu cơ trong mẫu bằng hỗn hợp K2Cr2O7 và H2SO4 có xúc tác. - Lượng K2Cr2O7 và H2SO4 sẽ giảm tương ứng với lượng chất hữu cơ có trong mẫu. COD (nhu cầu oxy hóa học) Lượng K2Cr2O7 dư sẽ được định phân bằng dung dịch Fe(NH4)2(SO4)2 với chỉ thị feroin. Từ đó tính được lượng chất hữu cơ trong mẫu tỉ lệ với lượng K2Cr2O7 đã phản ứng với chất hữu cơ. - Sử dụng chai DO có V = 300ml. Đo hàm lượng DO ban đầu và sau 5 ngày ủ ở 20oC BOD (nhu cầu oxy sinh học) (trong bóng tối). Lượng oxy chênh lệch do vi sinh vật sử dụng chính là BOD. SVTH: TÔ THÙY TRANG_MSSV: 107111190 Trang 38
  40. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. VÕ HỒNG THI pH - Máy đo pH N Kjeldahl (Nitơ hữu cơ + NH3) - Phương pháp chưng cất Kjeldahl - Trong môi trường axit các dạng của phosophat được chuyển về dạng orthophosphate và phản ứng với ammonium Tổng P molybdate và SnCl2 cho phức molybdenum màu xanh dương. Xác định độ hấp thu của phức tạo thành bằng phương pháp đo quang ở bước sóng 690nm. 2.2.3 Thí nghiệm xác định khả năng xử lý nước thải giàu protein của các chủng vi sinh vật đã phân lập Xử lý nước thải bằng các phương pháp sinh học hiếu khí thông thường chỉ có thể áp dụng khi nồng độ các chất hữu cơ trong nước thải đầu vào (nước thải cần xử lý) không quá cao (COD ≈ 400 – 700 mg/l). Nhưng trên thực tế, sau khi qua quá trình sản xuất và chế biến lượng nước thải được các công ty, nhà máy, xí nghiệp thải ra luôn có nồng độ chất hữu cơ rất cao.Vì vậy trong các thử nghiệm khả năng xử lý của các chủng vi khuẩn, nước thải được pha loãng với hệ số từ cao đến thấp dần sao cho hàm lượng chất hữu cơ mà vi sinh vật xử lý được tăng dần từ khoảng giá trị cơ bản nhằm xem xét ngưỡng nồng độ phù hợp mà vi sinh vật có thể tiếp nhận. Các chất dinh dưỡng N (dạng dung dịch NH4NO3) và P (dạng dung dịch K2HPO4) được bổ sung vào mẫu nước thải với lượng phù hợp nhằm đảm bảo tỉ lệ BOD: N: P = 100:5:1 cho các vi sinh vật có thể phát triển trong điều kiện tốt nhất. - Bổ sung các chủng Bacillus đã phân lập được vào mẫu nước thải (đã bổ sung dinh dưỡng và pha loãng) theo các tỉ lệ giống khác nhau: 1%, 2% và tiến hành sục khí để cung cấp lượng oxy cần thiết cho quá trình xử lý. Sử dụng mẫu đối chứng là nước thải ở cùng điều kiện nhưng không bổ sung chủng vi sinh vật nào từ bên ngoài. - Xác định hiệu quả xử lý nước thải của từng chủng sau mỗi khoảng thời gian 24 giờ, 48 giờ và 72 giờ. SVTH: TÔ THÙY TRANG_MSSV: 107111190 Trang 39
  41. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. VÕ HỒNG THI - Xác định tỉ lệ giống và thời gian nuôi cấy ứng với hiệu quả xử lý tốt nhất của mỗi chủng. - Phối hợp các chủng có hiệu quả xử lý cao và ổn định ở cùng tỉ lệ giống và thời gian xét trên hiệu quả xử lý với nhau để tiếp tục xác định hiệu quả xử lý nước thải của hỗn hợp các chủng đó bằng cách lặp lại thí nghiệm đo COD của nước thải sau mỗi 24 giờ, 48 giờ, 72 giờ. - Mỗi thí nghiệm được lặp lại 3 lần để lấy giá trị trung bình nhằm loại bỏ sai số thô đại. 2.2.3.1 Bố trí thí nghiệm xác định khả năng xử lý nước thải sản xuất và chế biến thủy sản của các chủng vi sinh vật đã phân lập Nước thải sản xuất và chế biến thủy sản được tiến hành thử nghiệm xử lý như sau: Nước thải sản xuất và chế biến thủy sản Pha loãng nước thải để có: - 2500 ml nước thải có nồng độ COD 500mgO2/l - 2500 ml nước thải có nồng độ COD 800mgO2/l Bố trí lượng nước thải trên ( ở cả 2 nồng độ ): - COD 500mgO2/l: 200ml/bình 250ml ( 20 bình) - COD 800mgO2/l: 200ml/bình 250ml ( 20 bình) 10 chủng vi sinh vật sau khi đã tăng sinh được 24h, cấy vào 40 bình trên. - COD 500 mgO2/l: + 10 bình cấy giống ở tỷ lệ 1%/ chủng/ bình + 10 bình cấy giống ở tỷ lệ 2%/ chủng/ bình - COD 800 mgO2/l: + 10 bình cấy giống ở tỷ lệ 1%/ chủng/ bình + 10 bình cấy giống ở tỷ lệ 2%/ chủng/ bình Sục khí liên tục và tiến hành theo dõi giá trị COD ở 24 giờ, 48 giờ , 72 giờ. SVTH: TÔ THÙY TRANG_MSSV: 107111190 Trang 40
  42. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. VÕ HỒNG THI Sau đó, chọn ra 6 chủng xử lý đạt hiệu quả nhất để tiến hành phối cả 6 chủng (tỷ lệ mỗi chủng trong hỗn hợp H6 tính theo thể tích dịch thô là tương đương nhau) tạo 1 chế phẩm sinh học. Tiếp tục xác định hiệu quả xử lý của hỗn hợp các chủng đó bằng cách lặp lại thí nghiệm như trên nhưng chỉ với 2 bình cho mỗi nồng độ và tỷ lệ cấy giống cũng là 1%, 2%. Cũng tiến hành đo COD ở 24 giờ, 48 giờ và 72 giờ. Nâng tiếp COD lên 1150 mgO2/l, khảo sát lần lượt ở 6 chủng cho hiệu quả xử lý cao và hỗn hợp của cả 6 chủng đó. Thí nghiệm được bố trí tương tự như ở nồng độ COD 500 mgO2/l hoặc COD 800 mgO2/l. Mẫu đối chứng chính là mẫu nước thải với cùng nồng độ nhưng không bổ sung chủng vi sinh vật nào từ bên ngoài. Hình 2.1 – Mô hình thí nghiệm xử lý nước thải chế biến thủy sản với 10 chủng Bacillus đã phân lập SVTH: TÔ THÙY TRANG_MSSV: 107111190 Trang 41
  43. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. VÕ HỒNG THI Hình 2.2 – Quá trình sục khí cung cấp khí Oxy cho hoạt động của Bacillus 2.2.3.2 Bố trí thí nghiệm xác định khả năng xử lý nước thải sản xuất và chế biến thịt của các chủng vi sinh vật đã phân lập Nước thải sản xuất và chế biến thịt được tiến hành như sau: SVTH: TÔ THÙY TRANG_MSSV: 107111190 Trang 42
  44. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. VÕ HỒNG THI Nước thải sản xuất chế biến thịt Pha loãng nước thải để có: - 2500 ml nước thải có nồng độ COD 500mgO2/l - 2500 ml nước thải có nồng độ COD 800mgO2/l Bố trí lượng nước thải trên ( ở cả 2 nồng độ ): - COD 500mgO2/l: 200ml/bình 250ml ( 20 bình) - COD 800mgO2/l: 200ml/bình 250ml ( 20 bình) 10 chủng vi sinh vật sau khi đã tăng sinh được 24h, cấy vào 40 bình trên. - COD 500 mgO /l: 2 + 10 bình cấy giống ở tỷ lệ 1%/ chủng/ bình + 10 bình cấy giống ở tỷ lệ 2%/ chủng/ bình - COD 800 mgO /l: 2 + 10 bình cấy giống ở tỷ lệ 1%/ chủng/ bình + 10 bình cấy giống ở tỷ lệ 2%/ chủng/ bình Sục khí liên tục và tiến hành theo dõi giá trị COD ở 24 giờ, 48 giờ, 72 giờ Chọn 6 chủng xử lý đạt hiệu quả cao nhất - Nâng tiếp nồng độ COD của nước thải lên 1200mgO2/l và 2000mgO2/l - Khảo sát hiệu quả xử lý của lần lượt 6 chủng đã chọn ở tỷ lệ 1% và 2% sau 24h, 48h và 72h sục khí - Phối 6 chủng đạt hiệu quả xử lý tốt đã chọn tạo thành một chế phẩm sinh học, tỷ lệ mỗi chủng trong hỗn hợp H6 (tính theo thể tích dịch thô) là tương đương nhau. - Xác định hiệu quả của chế phẩm vừa tạo trên cả 4 nồng độ 500, 800, 1200 và 2000mgO2/l. Mỗi nồng độ khảo sát ở 2 tỷ lệ 1% và 2% sau 24h, 48h và 72h sục khí SVTH: TÔ THÙY TRANG_MSSV: 107111190 Trang 43
  45. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. VÕ HỒNG THI Mẫu đối chứng cũng là nước thải ở nồng độ đó nhưng không bổ sung vi sinh vật từ bên ngoài vào. 2.3 Địa điểm và thời gian nghiên cứu 2.3.1 Địa điểm nghiên cứu Thí nghiệm được tiến hành tại phòng thí nghiệm khoa Môi trường và Công nghệ sinh học, Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ TPHCM. 2.3.2 Thời gian nghiên cứu Từ ngày 15/03/2011 đến ngày 15/06/2011. SVTH: TÔ THÙY TRANG_MSSV: 107111190 Trang 44
  46. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. VÕ HỒNG THI CHƯƠNG 3 – KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN 3.1 Kết quả thử nghiệm khả năng xử lý nước thải sản xuất và chế biến thủy sản với các chủng Bacillus đã phân lập 3.1.1 Mức độ ô nhiễm môi trường trong nước thải thủy sản Hai Thanh Kết quả phân tích mẫu nước thải công ty TNHH thủy sản Hai Thanh được trình bày ở bảng 3.1 như sau: Bảng 3.1 - Tính chất ô nhiễm trong nước thải công ty TNHH thủy sản Hai Thanh Thông số Hàm lượng trung Tiêu chuẩn thải (QCVN ô nhiễm bình (mg/l) 11 : 2008, Loại B) BOD5 890 50 COD 1150 80 pH 6.5 5,5 – 9 N Kjeldahl 45 60 P tổng 15 6 So với loại B trong QCVN 11 : 2008 là quy chuẩn Việt Nam quy định về mức độ ô nhiễm cho phép trong nước thải chế biến thủy sản hiện hành, giá trị của các thông số và nồng độ chất ô nhiễm trong mẫu nước thải của nhà máy Hai Thanh cao hơn rất nhiều, vượt quá nhiều lần so với qui định cho phép xả vào nguồn (COD gấp 15 lần, BOD5 gấp 17,8 lần). Vì vậy, cần có biện pháp xử lý phù hợp trước khi xả vào nguồn tiếp nhận. Tỷ lệ BOD5/COD = 0,773 > 0,5 cho thấy nước có chứa hàm lượng lớn các chất hữu cơ có thể phân giải nhờ vi sinh vật nên rất thích hợp để xử lý bằng phương pháp sinh học. Cụ thể hơn, chất hữu cơ trong nước thải nhà máy thủy sản đặc biệt giàu protein là cơ chất dinh dưỡng, nguồn cacbon và năng lượng cho vi sinh vật phát triển. 3.1.2 Kết quả thử nghiệm xử lý nước thải công ty TNHH thủy sản Hai Thanh Dịch tăng sinh các chủng Bacillus sau 24 giờ trên môi trường NA dùng làm nguồn chế phẩm bổ sung vào nước thải theo các tỷ lệ 1% và 2%. Các tỷ lệ này SVTH: TÔ THÙY TRANG_MSSV: 107111190 Trang 45
  47. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. VÕ HỒNG THI được lựa chọn dựa trên kết quả nghiên cứu đã có (Trương Thị Mỹ Khanh, Đồ án tốt nghiệp đại học, Đại học Kỹ Thuật Công Nghệ Tp.HCM, 2010). Tiến hành pha loãng sao cho nước thải đem xử lý đạt đến nồng độ COD như mong muốn. Do nước thải ban đầu đã có sẵn lượng Nitơ và Phospho đủ cho quy trình phát triển và sinh trưởng của vi sinh vật (tỉ lệ BOD:N:P = 100:5:1 đã được đáp ứng) nên không cần bổ sung thêm lượng Nitơ và Phospho từ ngoài vào. Tất cả các mẫu bổ sung vi sinh vật và mẫu đối chứng (ký hiệu ĐC, là mẫu nước thải ở cùng điều kiện thí nghiệm nhưng không bổ sung vi sinh vật) được thử nghiệm khả năng xử lý bằng cách tiến hành sục khí liên tục nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho hoạt động sống của vi sinh vật. Định kỳ sau mỗi 24 giờ xác định hiệu quả xử lý của từng chủng trong mẫu thí nghiệm thông qua thông số COD của dung dịch sau khi đã để lắng 2 giờ. 3.1.2.1 Kết quả khả năng xử lý nước thải của các chủng Bacillus đã phân lập ở nồng độ COD 500 mgO2/l So sánh hiệu quả xử lý COD của 10 chủng Bacillus ở 2 tỷ lệ giống 1% và 2% sau các thời gian khác nhau Hiệu quả xử lý COD của 10 chủng Bacillus đã phân lập được (trong giai đoạn thí nghiệm trước đó) sau khi đã bổ sung vào nước thải theo 2 tỷ lệ giống được thể hiện như sau: Sau 24 giờ 100 80 60 40 20 Hiệu quả xử lý (%) 0 ĐC V1 V2 V3 M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 Mẫu ĐC Mẫu bổ sung 1% chế phẩm Mẫu bổ sung 2% chế phẩm Hình 3.1 Hiệu quả xử lý nước thải thủy sản có COD ban đầu 500mg/l (%) của 10 chủng Bacillus ở 2 tỷ lệ giống 1% và 2% sau 24 giờ SVTH: TÔ THÙY TRANG_MSSV: 107111190 Trang 46
  48. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. VÕ HỒNG THI Sau 48 giờ 100 80 60 40 20 Hiệu quả xử lý (%) 0 ĐC V1 V2 V3 M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 Mẫu ĐC Mẫu bổ sung 1% chế phẩm Mẫu bổ sung 2% chế phẩm Hình 3.2 Hiệu quả xử lý nước thải thủy sản có COD ban đầu 500mg/l (%) của 10 chủng Bacillus ở 2 tỷ lệ giống 1% và 2% sau 48 giờ Sau 72 giờ 100 80 60 40 Hiệu quả xử Hiệu lýquả xử (%) 20 0 ĐC V1 V2 V3 M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 Mẫu ĐC Mẫu bổ sung 1% chế phẩm Mẫu bổ sung 2% chế phẩm Hình 3.3 Hiệu quả xử lý nước thải thủy sản có COD ban đầu 500mg/l (%) của 10 chủng Bacillus ở 2 tỷ lệ giống 1% và 2% sau 72 giờ Như vậy, sự có mặt của 10 chủng Bacillus ở các tỷ lệ giống 1% và 2% đã mang lại hiệu quả xử lý khá cao sau 24 giờ, 48 giờ và 72 giờ, góp phần làm giảm đáng kể COD của nước thải so với mẫu đối chứng. Qua kết quả so sánh các tỷ lệ giống trên thì tỷ lệ 1% tỏ ra là tối ưu hơn. Vì vậy, tiếp tục sử dụng tỷ lệ giống 1% cho các thử nghiệm tiếp theo. SVTH: TÔ THÙY TRANG_MSSV: 107111190 Trang 47
  49. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. VÕ HỒNG THI So sánh hiệu quả xử lý COD của 10 chủng Bacillus phân lập được ở tỷ lệ giống 1% theo thời gian Hiệu quả xử lý theo thời gian của 10 chủng Bacillus trong nghiên cứu khi bổ sung vào nước thải với tỉ lệ giống 1 % được trình bày ở bảng 3.2. Bảng 3.2 Hiệu quả xử lý COD của 10 chủng Bacillus ở tỷ lệ giống 1% sau 24 giờ, 48 giờ và 72 giờ Thời gian 24 giờ 48 giờ 72 giờ Chủng V1 66.4% 74.6% 80.2% V2 71.7% 75.8% 83.8% V3 72.5% 75.4% 82.5% M1 62.5% 68.5% 72.1% M2 72.7% 78.3% 82.5% M3 68.6% 72.5% 81.5% M4 71.7% 82.6% 82.5% M5 71.1% 77.5% 84.3% M6 61.6% 66.2% 70.4% M7 72.8% 74.5% 83.2% ĐỐI CHỨNG 38.6% 40.2% 42.1% Từ bảng 3.2 có thể thấy hầu hết các chủng ở tỷ lệ giống 1% đều cho hiệu quả xử lý cao nhất sau 72 giờ, cụ thể sự khác biệt trong hiệu quả xử lý của các chủng được thấy rõ hơn ở hình 3.4. SVTH: TÔ THÙY TRANG_MSSV: 107111190 Trang 48
  50. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. VÕ HỒNG THI 100 83.8 84.3 80.2 82.5 82.5 81.5 82.5 83.2 80 72.1 70.4 60 42.1 40 20 Hiệu quả xử lý (%) quảxửlý Hiệu 0 ĐC V1 V2 V3 M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 Mẫu ĐC Mẫu bổ sung 1% chế phẩm Hình 3.4 Hiệu quả xử lý nước thải thủy sản có COD ban đầu 500mg/l (%) của 10 chủng Bacillus ở tỷ lệ giống 1% sau 72 giờ Kết quả thử nghiệm khả năng xử lý nước thải của 10 chủng Bacillus ở tỷ lệ giống 1% cho thấy chúng đều có khả năng loại bỏ trên 70% COD so với mẫu đối chứng chỉ loại bỏ được trên 40%. Sau 72 giờ, các chủng V1, V2, V3, M2, M3, M4, M5 và M7 đều làm giảm đến trên 80% COD của nước thải ban đầu, và các chủng còn lại cũng làm giảm 65 – 70% hàm lượng chất hữu cơ. Vậy hiệu quả xử lý COD của nước thải công ty TNHH thủy sản Hai Thanh ở nồng độ 500 mgO2/l của 10 chủng Bacillus đã phân lập cho kết quả như sau: + Hầu hết 10 chủng đều cho hiệu quả xử lý cao (đa số trên 80%) ở tỷ lệ 1% sau 72 giờ. + 6 chủng cho hiệu quả xử lý cao nhất là V2, V3, M2, M4, M5, M7 (mức độ loại bỏ COD lần lượt đạt 73,5%, 74,8%, 74,5%, 78,5%, 81,3% và 79,6%). 3.1.2.2 Kết quả khả năng xử lý nước thải của các chủng Bacillus ở nồng độ COD 800 mgO2/l Hiệu quả xử lý COD của 10 chủng Bacillus ở 2 tỷ lệ giống 1% và 2% sau 24 giờ, 48 giờ và 72 giờ được thể hiện trên các đồ thị hình 3.5, 3.6 và 3.7 như sau: SVTH: TÔ THÙY TRANG_MSSV: 107111190 Trang 49
  51. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. VÕ HỒNG THI Sau 24 giờ 100 80 67.7 65.6 67.6 65.6 61.6 60.7 63.6 60.6 63.6 60 51.5 40 31.2 Hiệu quả xử lý (%) 20 0 ĐC V1 V2 V3 M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 Mẫu ĐC Mẫu bổ sung 1% chế phẩm Mẫu bổ sung 2% chế phẩm Hình 3.5 Hiệu quả xử lý nước thải thủy sản có COD ban đầu 800mg/l (%) của 10 chủng Bacillus ở 2 tỷ lệ giống 1% và 2% sau 24 giờ Sau 48 giờ 100 80 73.4 74.4 75.2 73.5 72.4 72.5 72.6 73.1 66.8 66.4 60 38.6 40 Hiệu quả xử lý (%) 20 0 ĐC V1 V2 V3 M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 Mẫu ĐC Mẫu bổ sung 1% chế phẩm Mẫu bổ sung 2% chế phẩm Hình 3.6 Hiệu quả xử lý nước thải thủy sản có COD ban đầu 800mg/l (%) của 10 chủng Bacillus ở 2 tỷ lệ giống 1% và 2% sau 48 giờ SVTH: TÔ THÙY TRANG_MSSV: 107111190 Trang 50
  52. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. VÕ HỒNG THI Sau 72 giờ 100 82.6 80.2 82.5 82.4 80 77.2 80.1 77.8 78.9 70.2 70.1 60 40.2 40 20 Hiệu quả xử Hiệu lýquả xử (%) 0 ĐC V1 V2 V3 M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 Mẫu ĐC Mẫu bổ sung 1% chế phẩm Mẫu bổ sung 2% chế phẩm Hình 3.7 Hiệu quả xử lý nước thải thủy sản có COD ban đầu 800mg/l (%) của 10 chủng Bacillus ở 2 tỷ lệ giống 1% và 2% sau 72 giờ Như vậy, khi tiến hành thử nghiệm vai trò của các chủng Bacillus đã phân lập trên nước thải thủy sản ở nồng độ COD 800mgO2/l thì hiệu quả xử lý cũng cho kết quả tương tự như ở nồng độ 500mgO2/l. Tuy ở thời gian đầu (24 giờ và 48 giờ) hiệu quả xử lý có thấp hơn (ở tỷ lệ 1%: từ 50% - 75%; ở tỷ lệ 2%: từ 45% - 70%) nhưng sau 72 giờ thì hiệu quả đạt được cũng khá cao ( từ 65% - 82.6%). Đặc biệt, tỷ lệ giống 1% luôn làm giảm COD đáng kể, mang lại hiệu quả xử lý tối ưu. Tóm lại, kết quả thử nghiệm khả năng xử lý nước thải ở nồng độ COD ban đầu 800mgO2/l của 10 chủng Bacillus ở tỷ lệ giống 1% cho thấy các chủng đều có khả năng loại bỏ trên 70% COD của nước thải. Trong đó: + Các chủng V2, V3, M2, M3, M4, M5 và M7 làm giảm đến trên dưới 80% nồng độ COD của nước thải sau 72 giờ. + Các chủng còn lại cũng làm giảm hơn 70% COD của nước thải sau 72 giờ. Điều này chứng tỏ khả năng thích nghi và phân hủy chất hữu cơ giàu protein rất tốt của 10 chủng Bacillus do chúng mang nhiều đặc tính như khả năng sinh nội bào tử nên có thể sống được trong những điều kiện khắc nghiệt, có khả năng tiết ra nhiều loại ezyme thuộc nhóm carbohydrase (gồm: chitinase, - amylase, -amylase ), protease, penicillinase, nuclease, lipase, collagenase (Trần SVTH: TÔ THÙY TRANG_MSSV: 107111190 Trang 51
  53. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. VÕ HỒNG THI Liên Hà, 2005) Theo Phạm Thị Tuyết Ngân (2008), khả năng sinh nhiều loại enzyme của Bacillus là do sự đa dạng về hình thái của chủng này, và đó cũng là nguyên nhân khiến Bacillus có khả năng phân hủy rất tốt các cơ chất có bản chất là protein, carbohydrate, lipid. Vì vậy, thí nghiệm tiếp theo tiến hành khảo sát khả năng phân giải chất hữu cơ trong nước thải khi tải trọng hữu cơ (COD đầu vào) tăng lên của các chủng Bacillus nói trên. 3.1.2.3 Kết quả khả năng xử lý nước thải của 10 chủng Bacillus ở nồng độ COD 1150 mgO2/l Ở thí nghiệm này, lựa chọn 6 chủng có hiệu quả xử lý cao và ổn định ( từ 2 thí nghiệm trước) bao gồm: V2, V3, M2, M4, M5 và M7. Thí nghiệm được tiến hành tương tự như ở 2 mức nồng độ COD trước đó ( 500mg/l và 800mg/l). Hiệu quả xử lý COD của 6 chủng Bacillus đã chọn sau khi bổ sung vào nước thải theo 2 tỷ lệ giống được trình bày ở các đồ thị hình 3.8 và 3.9 dưới đây: 100 80 70.5 72 72 65.2 66.2 65.4 60 24 giờ 48 giờ 40 35.8 72 giờ 20 Hiệu quả xử lý (%) quảxửlý Hiệu 0 ĐC V2 V3 M2 M4 M5 M7 Hình 3.8 Hiệu quả xử lý nước thải thủy sản có COD ban đầu 1150mg/l (%) của 6 chủng Bacillus tuyển chọn ở tỷ lệ giống 1% sau 24 giờ, 48 giờ và 72 giờ. SVTH: TÔ THÙY TRANG_MSSV: 107111190 Trang 52
  54. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. VÕ HỒNG THI 100 80 58.6 60 52.6 53 54.6 52.1 55 24 giờ 40 35.8 48 giờ 72 giờ 20 Hiệu quả xử lý (%) quảxửlý Hiệu 0 ĐC V2 V3 M2 M4 M5 M7 Hình 3.9 Hiệu quả xử lý nước thải thủy sản có COD ban đầu 1150mg/l(%) của 6 chủng Bacillus tuyển chọn ở tỷ lệ giống 2% sau 24 giờ, 48 giờ và 72 giờ Ở nồng độ COD ban đầu 1150mg/l, hiệu quả xử lý của 6 chủng Bacillus đã chọn cũng có xu hướng tăng lên theo thời gian tương tự như ở các nồng độ COD thấp hơn (trong 2 thí nghiệm trước), đạt hiệu quả cao nhất sau 72 giờ. Bên cạnh đó, hiệu quả xử lý ở tỷ lệ giống 1% cũng vẫn tỏ ra trội hơn ( từ 65% - 72%) so với 2% ( chỉ đạt từ 52% - 58.6%). Tuy nhiên, khi so sánh với hiệu quả xử lý ở nồng độ COD ban đầu 500mg/l và 800mg/l thì mức độ loại bỏ chất hữu cơ đã kém hơn, cụ thể là: - Ở nồng độ COD 500mg/l, hiệu quả xử lý tối ưu sau 72 giờ đạt đến 84,3%. - Ở nồng độ COD 800mg/l, hiệu quả xử lý tối ưu sau 72 giờ đạt đến 82.6%. Trong khi: - Ở nồng độ COD 1150mg/l, hiệu quả xử lý tối ưu sau 72 giờ đạt 72%. Như vậy, dù tải trọng chất hữu cơ trong nước thải đầu vào đã được nâng lên đến mức 1150mg/l nhưng hiệu quả xử lý của các chủng vi sinh vẫn còn khá cao, vì vậy về nguyên tắc có thể thử nghiệm tiếp tục ở mức nồng độ COD ban đầu cao hơn nữa nhưng do giới hạn thời gian của đồ án nên phải dừng thí nghiệm xử lý nước thải thủy sản ở mức COD đầu vào 1150mg/l. Tóm lại, ở cả 3 mức nồng độ chất hữu cơ ban đầu là 500mgO2/l, 800mgO2/l và 1150mgO2/l thì hiệu quả xử lý của cả 10 chủng Bacillus đã phân lập SVTH: TÔ THÙY TRANG_MSSV: 107111190 Trang 53
  55. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. VÕ HỒNG THI ở tỷ lệ 1% đều cao hơn 2%. Kết quả này khá tương đồng với kết quả nghiên cứu của Ngô Tự Thành (2005) khi ứng dụng vi sinh phân lập từ các mẫu đất ở các vùng địa lý khác nhau vào xử lý nước thải sông Tô Lịch với hai tỉ lệ chế phẩm khác nhau thì cũng cho thấy hiệu quả xử lý cao hơn đối với mẫu mà chế phẩm sử dụng với tỉ lệ thấp hơn. Điều này có thể liên quan đến hiệu ứng phụ do việc bổ sung các chủng vi sinh ở tỷ lệ giống cao vào nước thải thì cũng đồng thời đưa thêm chất hữu cơ vào. Do đó, bù lại một phần COD được giảm do tác dụng của chế phẩm dẫn đến hiệu quả xử lý kém hơn. Ngoài ra, với tất cả các mẫu ở cả 3 mức nồng độ COD ban đầu thì hiệu quả xử lý đạt được cao nhất khoảng 80% ứng với thời gian nuôi cấy (thời gian xử lý) 72 giờ. Kết quả này khá thống nhất với kết quả nghiên cứu của Trần Liên Hà, Đặng Ngọc Sâm về các chủng Bacillus phân lập được từ nước hồ bị ô nhiễm (Hồ Sài Đồng, Hồ Ba Mẫu) và đất ruộng (Yên Sở, Ba Vì) có khả năng loại bỏ 72 – 79 % COD của nước hồ bị ô nhiễm sau 7 ngày nuôi cấy. Tuy nhiên, hiệu quả xử lý COD của 10 chủng Bacillus phân lập được ứng dụng trong nghiên cứu này lại có thời gian xử lý ngắn hơn so với kết quả nghiên cứu của Trần Liên Hà và Đặng Ngọc Sâm. Điều này có thể do 10 chủng Bacillus được phân lập từ nguồn nước thải giàu protein, cụ thể là từ nước thải chế biến thịt và thủy sản, nên việc ứng dụng chúng trở lại vào xử lý nước thải thủy sản đã làm rút ngắn thời gian thích nghi của các chủng dẫn đến hiệu quả xử lý đạt được khá cao chỉ trong thời gian ngắn. 3.1.2.4 Phối hợp các chủng có cùng thời gian đạt hiệu quả xử lý cao nhất Trong nước thải tồn lại rất nhiều vi sinh vật khác nhau. Quá trình hoạt động sống của chúng dựa trên quan hệ cộng sinh (hoặc hội sinh) của toàn bộ quần thể sinh vật có trong nước. Chúng có tác dụng hỗ trợ nhau trong sự phát triển và phân hủy các chất hữu cơ trong môi trường. Một số vi sinh vật, ngoài việc phân hủy chất hữu cơ để tổng hợp tế bào, còn sử dụng sản phẩm phân hủy của vi sinh vật khác làm nguồn năng lượng cho việc xây dựng tế bào. Chính vì vậy, sự có mặt đồng thời của nhiều chủng vi sinh vật trong quá trình phát triển có khả năng làm cho quá trình phân hủy chất hữu cơ trong nước diễn ra nhanh hơn. (hiệu ứng “synergy” giữa các vi sinh vật). SVTH: TÔ THÙY TRANG_MSSV: 107111190 Trang 54
  56. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. VÕ HỒNG THI Việc tiến hành thử nghiệm phối hợp các chủng Bacillus phân lập với nhau nhằm kết luận về khả năng nâng cao hiệu quả xử lý chất hữu cơ trong nước thải. Trong thí nghiệm này, ký hiệu H6 là hỗn hợp 6 chủng V2, V3, M2, M4, M5, M7 với tỷ lệ mỗi chủng trong hỗn hợp (theo thể tích dịch thô) là tương đương nhau. Hiệu quả xử lý COD của hỗn hợp các chủng sau khi phối hợp với nhau đối với các mẫu nước thải có mức ô nhiễm từ thấp đến cao được trình bày trên các hình từ 3.10 đến 3.11 và được tổng hợp lại ở bảng 3.3. * Khi COD ban đầu trong nước thải là 500mg/l 100 88.7 85 75.5 80 82.3 84.5 Tỷ lệ 1% 70 60 Tỷ lệ 2% 40 38.6 40.2 42.1 ĐC Hiệu quả xử lýHiệu quả xử (%) 20 0 24 giờ 48 giờ 72 giờ Thời gian sục khí (giờ) Hình 3.10 Hiệu quả xử lý nước thải thủy sản của hỗn hợp chủng H6 có COD ban đầu 500mg/l với tỷ lệ 1% và 2% Hình 3.10 cho thấy hỗn hợp chủng H6 làm giảm đáng kể COD của nước thải sau xử lý, mang lại hiệu quả xử lý cao nhất có thể lên đến 88.7% sau 72 giờ (COD giảm từ 500mg/l xuống còn 56.5mg/l). Trong khi đó, ở cùng thời gian thì mẫu đối chứng chỉ giảm 42.1% ( nồng độ COD còn lại sau 72 giờ là 290mg/l). Hình 3.10 cũng cho thấy hỗn hợp 6 chủng H6 xử lý nước thải ở tỷ lệ 2% kém hiệu quả hơn 1%, cũng tương tự như kết quả áp dụng từng chủng riêng rẽ đã đề cập ở trên. SVTH: TÔ THÙY TRANG_MSSV: 107111190 Trang 55
  57. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. VÕ HỒNG THI * Khi COD ban đầu trong nước thải là 800mgO2/l 100 83.5 80 77 70 82.4 79 Tỷ lệ 1% 60 67 Tỷ lệ 2% 40 38.6 40.2 ĐC 20 31.2 Hiệu quả xử lý Hiệu quả xử (%) 0 24 giờ 48 giờ 72 giờ Thời gian sục khí (giờ) Hình 3.11 Hiệu quả xử lý nước thải thủy sản của hỗn hợp 6 chủng H6 có COD ban đầu 800mg/l với tỷ lệ 1% và 2% Hình 3.11 cho thấy ở nồng độ COD 800mgO2/l, hỗn hợp 6 chủng H6 vẫn mang lại hiệu quả xử lý ở mức cao: đạt đến 83.5% sau 72 giờ ở tỷ lệ 1% và 82.4% ở tỷ lệ 2%. Trong khi đó, ở mẫu đối chứng COD còn 478.4 mg/l, hiệu quả xử lý chỉ đạt 40.2%. * Khi COD ban đầu trong nước thải là 1150mgO2/l 100 80 70.4 74.6 65 Tỷ lệ 1% 60 60.3 62.2 53.6 Tỷ lệ 2% 40 31.6 35.8 20 26 ĐC Hiệu quả xử lý Hiệu quả xử (%) 0 24 giờ 48 giờ 72 giờ Thời gian sục khí (giờ) Hình 3.12 Hiệu quả xử lý nước thải thủy sản của hỗn hợp chủng H6 có COD ban đầu 1150mg/l với tỷ lệ 1% và 2% Hiệu quả xử lý đạt 74,6% là giá trị mà ở tỷ lệ giống 1% mang lại sau 72 giờ sục khí. SVTH: TÔ THÙY TRANG_MSSV: 107111190 Trang 56
  58. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. VÕ HỒNG THI Bảng 3.3 Hiệu quả xử lý COD của hỗn hợp các chủng H6 COD Thời gian Tỷ lệ giống (mgO2/l) (giờ) 1% 2% 24 75.5% 70% 500 48 85% 82.3% 72 88.7% 84.5% 24 70% 67% 800 48 77% 79% 72 83.5% 82.4% 24 65% 53.6% 1150 48 70.4% 60.3% 72 74.6% 62.2% Bảng 3.3 cho thấy, khi nồng độ COD đầu vào (đóng vai trò là nguồn cơ chất cho vi sinh vật) của nước thải càng cao thì hiệu quả xử lý càng giảm. Theo phương trình động học Michaelis-Menten, khi nồng độ cơ chất (COD) phù hợp với lượng enzyme do vi sinh vật tiết ra thì phản ứng biến đổi cơ chất diễn ra rất nhanh. Tuy nhiên, nếu tiếp tục tăng nồng độ cơ chất (COD đầu vào tăng lên) đến khi lớn hơn nhiều so với nồng độ enzyme thì lượng cơ chất được biến đổi ngày càng giảm. Nói cách khác, khi nồng độ cơ chất (COD) tăng cao, tốc độ tăng trưởng của vi sinh vật cũng chỉ tăng theo tương ứng với mức COD còn thấp. Đến một thời điểm nào đó, nồng độ cơ chất (COD) vẫn tăng nhưng tốc độ tăng trưởng không tăng nữa và đạt tới một giá trị ổn định, dẫn đến sự chênh lệch giữa nồng độ cơ chất và nồng độ enzyme. Lúc này, tốc độ phản ứng chậm dần và sự tích lũy các sản phẩm phân hủy trong hệ lại có tác động kìm hãm quá trình, khiến khả năng phân hủy cơ chất (COD) giảm dần. Sau đây là một vài hình ảnh về mặt cảm quan của nước thải thủy sản sau xử lý ở các nồng độ 500mg/l, 800mg/l và 1150mg/l (72 giờ). SVTH: TÔ THÙY TRANG_MSSV: 107111190 Trang 57
  59. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. VÕ HỒNG THI 1%H6 2%H6 COD ban đầu 500mg/l COD ban đầu 800mg/l 1%H6 2%H6 COD ban đầu 1150mg/l Hình 3.13 Mẫu nước thải thủy sản sau xử lý có nồng độ COD ban đầu 500mg/l,800mg/l và 1150mg/l của 6 chủng hỗn hợp H6 ở 2 tỷ lệ giống sau 72 giờ 3.1.3 Kết luận chung về khả năng xử lý nước thải thủy sản của các chủng Bacillus trong nghiên cứu Tóm lại, thí nghiệm khảo sát khả năng xử lý nước thải thủy sản của các chủng Bacillus phân lập được đã đưa đến một số kết quả nổi bật: - Hầu hết, tất cả các chủng đều mang lại hiệu quả xử lý cao nhất ở tỷ lệ giống 1% sau 72 giờ. + Ở nồng độ COD ban đầu 500mg/l, chủng M5 có hiệu quả xử lý cao nhất 83,4%). + Ở nồng độ COD ban đầu 800mg/l, chủng V3 có hiệu quả xử lý cao nhất (82,6%). + Ở nồng độ COD ban đầu 1150mg/l, chủng M5 và M7 có hiệu quả xử lý cao nhất cùng đạt 72%. - Việc phối hợp các chủng thành chế phẩm mang lại hiệu quả xử lý cao hơn so với khi sử dụng từng chủng riêng lẻ, tuy nhiên sự khác biệt cũng chưa thật SVTH: TÔ THÙY TRANG_MSSV: 107111190 Trang 58
  60. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. VÕ HỒNG THI sự rõ ràng. Hỗn hợp 6 chủng H6 có khả năng loại bỏ COD của nước thải cao nhất đến 88,7%. 3.2 Kết quả thử nghiệm khả năng xử lý nước thải sản xuất và chế biến thịt với các chủng Bacillus đã phân lập 3.2.1 Mức độ ô nhiễm môi trường trong nước thải công ty TNHH chế biến gia cầm Phạm Tôn Kết quả phân tích mẫu nước thải công ty TNHH chế biến gia cầm Phạm Tôn, kết quả được trình bày ở bảng 3.4 Bảng 3.4 Thành phần và tính chất nước thải công ty TNHH chế biến gia cầm Phạm Tôn N- P Thông số ô nhiễm pH BOD5 COD Kjeldahl tổng Giá trị trung bình 6.5 - 7 1236 2010 35 18 (mg/l) Rõ ràng là nước thải sản xuất và chế biến gia cầm ở công ty TNHH Phạm Tôn bị ô nhiễm chất hữu cơ khá cao. Nếu không có biện pháp xử lý thích hợp thì lượng nước thải hàng ngày ra môi trường là vấn đề đáng lo ngại cho hệ sinh thái ở các khu vực lân cận. Vì vậy, cần có biện pháp xử lý phù hợp trước khi xả vào nguồn tiếp nhận. Đối với loại nước thải này, tỷ lệ BOD5/COD = 0.62 > 0,5 cho thấy nước có chứa hàm lượng lớn các chất hữu cơ có thể phân giải bằng vi sinh vật nên việc xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là một giải pháp phù hợp. Cụ thể hơn, thành phần chủ yếu của chất hữu cơ trong nước thải sản xuất và chế biến thịt là protein, đóng vai trò là cơ chất cung cấp cacbon và năng lượng cho vi sinh vật phát triển. 3.2.2 Kết quả thử nghiệm xử lý nước thải công ty TNHH chế biến gia cầm Phạm Tôn Sử dụng dịch tăng sinh các chủng Bacillus sau 24 giờ trên môi trường NA làm chế phẩm bổ sung vào nước thải sau khi đã bổ sung N, P để tỷ lệ BOD:N:P SVTH: TÔ THÙY TRANG_MSSV: 107111190 Trang 59
  61. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. VÕ HỒNG THI được đáp ứng (100:5:1) và pha loãng theo tỷ lệ phù hợp để đạt được nồng độ COD mong muốn. Trong thí nghiệm này cũng sử dụng mẫu đối chứng (ký hiệu ĐC) là mẫu nước thải ở cùng điều kiện nhưng không bổ sung chế phẩm. Tiến hành thí nghiệm tương tự như đối với nước thải thủy sản (sục khí để tạo điều kiện thích hợp cho hoạt động sống của vi sinh vật và định kỳ mỗi 24 giờ kiểm tra khả năng xử lý của từng chủng thông qua thông số COD của nước thải sau khi để lắng 2 giờ). 3.2.2.1 Kết quả khả năng xử lý nước thải chế biến gia cầm của các chủng Bacillus ở nồng độ COD đầu vào 500 mgO2/l So sánh hiệu quả xử lý COD của 10 chủng ở 2 tỷ lệ giống 1% và 2% sau 24 giờ, 48 giờ và 72 giờ. Hiệu quả xử lý COD trong nước thải sản xuất và chế biến thịt của 10 chủng Bacillus phân lập ở 2 tỷ lệ giống như sau: Sau 24 giờ 100 80 65.5 66.2 61.4 63.5 63.5 64.2 62.5 60 58.5 58.2 57.6 40 35.6 20 Hiệu quả xử lýHiệu quả xử (%) 0 ĐC V1 V2 V3 M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 Mẫu ĐC Mẫu bổ sung 1% chế phẩm Mẫu bổ sung 2% chế phẩm Hình 3.14 Hiệu quả xử lý nước thải thịt có COD ban đầu 500mg/l (%) ở 2 tỷ lệ giống 1% và 2% sau 24 giờ SVTH: TÔ THÙY TRANG_MSSV: 107111190 Trang 60
  62. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. VÕ HỒNG THI Sau 48 giờ 100 80 74.6 75.2 72.1 72.8 75 71.2 67.6 64.5 68.5 64.2 60 38.2 40 20 Hiệu quả xử lýHiệu quả xử (%) 0 ĐC V1 V2 V3 M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 Mẫu ĐC Mẫu bổ sung 1% chế phẩm Mẫu bổ sung 2% chế phẩm Hình 3.15 Hiệu quả xử lý nước thải thịt có COD ban đầu 500mg/l (%) ở 2 tỷ lệ giống 1% và 2% sau 48 giờ Sau 72 giờ 100 78.6 82.1 80.5 81.5 82.3 79.2 80 72.4 68.5 72.6 68.4 60 43.1 40 20 Hiệu quả xử lý (%) 0 ĐC V1 V2 V3 M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 Mẫu ĐC Mẫu bổ sung 1% chế phẩm Mẫu bổ sung 2% chế phẩm Hình 3.16 Hiệu quả xử lý nước thải thịt có COD ban đầu 500mg/l (%) ở 2 tỷ lệ giống 1% và 2% sau 72 giờ Như vậy, đối với nước thải sản xuất và chế biến thịt, sự có mặt của 10 chủng Bacillus phân lập cũng góp phần làm giảm đáng kể nồng độ các chất ô nhiễm. Tuy nhiên, hiệu quả xử lý có thấp hơn một chút so với nước thải thủy sản, cụ thể là: - Hiệu quả xử lý cao nhất đối với nước thải thịt đạt 82,3% trong khi ở nước thải thủy sản là 84,3%. SVTH: TÔ THÙY TRANG_MSSV: 107111190 Trang 61
  63. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. VÕ HỒNG THI - Hiệu quả xử lý thấp nhất là 68.4% và 70.4% ứng với nước thải thịt và thủy sản. Như vậy, hiệu quả xử lý trên hai loại nước thải mặc dù có chênh lệch nhưng sự khác biệt không nhiều. Điều này có thể lý giải là do cấu trúc protein của thịt và thủy sản ( tôm, cá, mực) là không giống nhau. Protein thịt có chứa nhiều cầu nối disulfide, là liên kết được hình thành giữa các acid amin có gốc lưu huỳnh (cystin, cystein) còn protein cá thì dễ phân hủy hơn do có chứa các thành phần dễ hòa tan (miogenfibrin có trong tương cơ) đồng thời hàm lượng protein trong cá cũng thấp hơn (9-22%) trong thịt (18-22%). Bên cạnh đó,các protein collagen và elastin khó phân hủy có trong mô cá chiếm khoảng 3%, thấp hơn rất nhiều so với tỷ lệ các thành phần trên trong mô thịt (20%) dẫn đến sự liên kết giữa các thành phần trong mô cá lỏng lẻo hơn, khả năng thủy phân nhanh hơn (Lê Văn Hoàng, 2004).Vì vậy, việc phân giải chất hữu cơ có bản chất là protein cá và protein thịt của 10 chủng Bacillus sử dụng cũng có sự khác biệt. Tuy nhiên, tương tự như nước thải thủy sản, đối với nước thải thịt, hiệu quả xử lý cao hơn cũng đạt được khi bổ sung 1% các dịch chứa giống vào nước thải và thấp hơn khi bổ sung 2%. So sánh hiệu quả xử lý COD của các chủng ở tỷ lệ 1% theo thời gian. Hiệu quả xử lý COD của 10 chủng Bacillus phân lập sau khi bổ sung vào nước thải ở tỷ lệ giống 1% được trình bày ở bảng 3.5. SVTH: TÔ THÙY TRANG_MSSV: 107111190 Trang 62
  64. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. VÕ HỒNG THI Bảng 3.5 Hiệu quả xử lý nước thải thịt có COD ban đầu 500mg/l (%) của 10 chủng Bacillus ở tỷ lệ giống 1% sau 24 giờ, 48 giờ và 72 giờ. Thời gian 24 giờ 48 giờ 72 giờ Chủng V1 61.4% 67.6% 72.4% V2 65.5% 74.6% 78.6% V3 66.2% 75.2% 82.1% M1 58.5% 64.5% 68.5% M2 63.5% 72.1% 80.5 % M3 58.2% 68.5% 72.6% M4 63.5% 72.8% 81.5% M5 64.2% 75% 82.3% M6 57.6% 64.2% 68.4% M7 62.5% 71.2% 79.2% ĐỐI CHỨNG 35.6% 38.2% 43.1% Ở tỷ lệ giống 1%, khả năng xử lý COD của 10 chủng Bacillus trong nghiên cứu tăng dần theo thời gian, cụ thể là sau 24 giờ, hiệu quả xử lý của các chủng chỉ dừng lại ở mức từ 57,6% đến 66.2% nhưng đến 72 giờ đã vượt mức 65%. Thậm chí, chủng M5 có khả năng xử lý cao nhất đạt đến 82.3% (mặc dù ở 24 giờ hiệu quả chỉ là 64,2%). Như vậy, hiệu quả loại bỏ COD của các chủng vi sinh tăng lên theo thời gian (trong một giới hạn nhất định). Kết quả này cũng khá thống nhất với kết quả nhóm nghiên cứu của Lâm Thị Dung (2009) khi sử dụng vi khuẩn Bacillus subtilis để xử lý nước máu cá thì cũng cho thấy khi thời gian càng dài, hiệu quả xử lý COD càng tăng (đạt hiệu quả cao nhất sau 15 ngày và ổn định đến ngày thứ 20, COD giảm từ 1820mg/l xuống 320mg/l). Ở thời gian đầu, số lượng vi sinh còn ở mức thấp, trong khi nguồn cơ chất dồi dào nên hiệu suất sử dụng cơ chất (hiệu quả xử lý) không cao. Tuy nhiên, sau một khoảng thời gian sục khí, với điều kiện thuận lợi thì vi sinh vật sẽ thích nghi dần, sinh trưởng và phát triển dẫn đến số lượng và khối lượng tế bào đều tăng, do đó nhu cầu sử dụng cơ chất cũng tăng SVTH: TÔ THÙY TRANG_MSSV: 107111190 Trang 63
  65. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. VÕ HỒNG THI theo, tức là khối lượng các chất hữu cơ bị oxy hóa giảm dần, hay chính là hiệu quả xử lý chất hữu cơ tăng. Trong thí nghiệm này, hiệu quả xử lý đạt cao nhất sau 72 giờ sục khí cũng hoàn toàn thống nhất với kết quả khảo sát hoạt tính protease theo thời gian trong giai đoạn định danh trước đó (10 chủng Bacillus ứng dụng để xử lý nước thải trong nghiên cứu đều thể hiện hoạt tính protease cao nhất sau 72 giờ nuôi cấy trên môi trường thạch dinh dưỡng). 3.2.2.2 Kết quả khả năng xử lý nước thải của 10 chủng Bacillus ở nồng độ COD đầu vào 800 mgO2/l Trình tự khảo sát hiệu quả xử lý của 10 chủng Bacillus ở nồng độ 800mgO2/l giống như ở nồng độ 500 mgO2/l. Hiệu quả xử lý nước thải sản xuất chế biến thịt của công ty TNHH chế biến gia cầm Phạm Tôn của 10 chủng Bacillus phân lập ở 2 tỷ lệ giống 1% và 2% sau 24 giờ, 48 giờ và 72 giờ được thể hiện ở các hình 3.17 đến 3.19. Sau 24 giờ 100 80 58.5 61.5 63.6 62.5 60.2 61.8 62.2 60.5 60 54.5 55.6 40 31 20 Hiệu quả xử lýHiệu quả xử (%) 0 ĐC V1 V2 V3 M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 Mẫu ĐC Mẫu bổ sung 1% chế phẩm Mẫu bổ sung 2% chế phẩm Hình 3.17 Hiệu quả xử lý nước thải thịt có COD ban đầu 800mg/l (%) ở 2 tỷ lệ giống 1% và 2% sau 24 giờ SVTH: TÔ THÙY TRANG_MSSV: 107111190 Trang 64
  66. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. VÕ HỒNG THI Sau 48 giờ 100 80 68 70.2 68.8 68.5 67.5 63.6 60.5 64.5 60.2 65.2 60 40 35.2 Hiệu quả xử lýHiệu quả xử (%) 20 0 ĐC V1 V2 V3 M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 Mẫu ĐC Mẫu bổ sung 1% chế phẩm Mẫu bổ sung 2% chế phẩm Hình 3.18 Hiệu quả xử lý nước thải thịt có COD ban đầu 800mg/l (%) ở 2 tỷ lệ giống 1% và 2% sau 48 giờ Sau 72 giờ 100 80 74.5 76.8 74.5 72.8 76.5 74.2 68.4 70.6 64.5 64.4 60 39.2 40 20 Hiệu quả xử lýHiệu quả xử (%) 0 ĐC V1 V2 V3 M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 Mẫu ĐC Mẫu bổ sung 1% chế phẩm Mẫu bổ sung 2% chế phẩm Hình 3.19 Hiệu quả xử lý nước thải thịt có COD ban đầu 800mg/l (%) ở 2 tỷ lệ giống 1% và 2% sau 72 giờ Các hình 3.17 – 3.19 đều thể hiện, hiệu quả xử lý nước thải của 10 chủng vi khuẩn phân lập đều tỷ lệ thuận với thời gian sục khí (tối ưu ở 72 giờ) và tỷ lệ nghịch với tỷ lệ cấy giống (tối ưu ở 1%), cho kết quả: + Chủng V3 cho hiệu quả xử lý cao nhất (76,8%). + Chủng M6 cho hiệu quả xử lý thấp nhất (66,4%). Như vậy, tương tự với nước thải thủy sản, ở nước thải thịt, khả năng thích nghi và phân hủy chất hữu cơ giàu protein của 10 chủng Bacillus cũng rất tốt, do SVTH: TÔ THÙY TRANG_MSSV: 107111190 Trang 65
  67. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. VÕ HỒNG THI đó tiếp tục khảo sát khả năng thích ứng của chúng trong môi trường nước thải có nồng độ chất hữu cơ cao hơn. 3.2.2.3 Kết quả khả năng xử lý nước thải công ty Phạm Tôn của 10 chủng Bacillus ở các nồng độ COD đầu vào 1200mgO2/l và 2000mgO2/l Trên thực tế, nồng độ các chất ô nhiễm có trong nước thải tại các công ty sản xuất và chế biến thực phẩm luôn ở mức cao. Chẳng hạn, trong nước thải sản xuất của công ty TNHH chế biến gia cầm Phạm Tôn, nồng độ COD lên đến 2010mgO2/l. Sau khi tiến hành thử nghiệm hiệu quả xử lý của các chủng Bacillus phân lập trên 2 nồng độ COD 500 và 800 mgO2/l, hầu hết chúng đều biểu hiện hiệu quả xử lý cao, trong đó 6 chủng cho hiệu quả xử lý cao nhất và ổn định nhất là: V2, V3, M2, M4, M5 và M7. Điều này chứng tỏ khả năng thích nghi và phân hủy chất hữu cơ giàu protein vượt trội của các chủng này. Do đó, tiếp tục khảo sát khả năng loại bỏ COD trong nước thải thịt của các chủng này khi nâng tải trọng chất hữu cơ lên ở các thí nghiệm tiếp theo. Trình tự thí nghiệm cũng tương tự như ở 2 mức nồng độ trên. Hiệu quả xử lý của 6 chủng tuyển chọn ở 2 tỷ lệ giống theo thời gian trên nước thải chế biến gia cầm với 2 mức độ ô nhiễm chất hữu cơ khác nhau được tổng hợp lại trên bảng 3.6 như sau: SVTH: TÔ THÙY TRANG_MSSV: 107111190 Trang 66