Nghiên cứu khả năng sử dụng vi sinh vật làm tác nhân sinh học xử lý nước thải tinh bột sắn

đối với nước thải ngành công nghiệp thực phẩm nói chung và nước thải ngành sản xuất tinh bột sắn nói riêng trong thành phần có chứa nhiều các hợp chất hữu cơ và nguyên tố vi lượng, là ng

VIỆN ðẠI HỌC MỞ HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC

=====o0o=====

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

ðề tài: Nghiên cứu khả năng sử dụng vi sinh vật làm tác

nhân sinh học xử lý nước thải tinh bột sắn

Giáo viên hướng dẫn : ThS.Lương Hữu Thành

Sinh viên : Nguyễn Thị Thu Trang

Lời cảm ơn

Trước hết, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới ThS Lương Hữu

Thành, phó trưởng phòng bộ môn Sinh học môi trường - Viện Môi

trường Nông nghiệp ựã nhiệt tình hướng dẫn em thực hiện ựề tài và hoàn thành khoá luận

Em xin chân thành cảm ơn ThS đào Thị Hồng Vân, giảng viên bộ môn Môi trường Ờ Viện đại học Mở Hà Nội; các thầy cô giáo trong khoa Công nghệ sinh học - Viện đại học Mở Hà Nội, các cán bộ công nhân viên trong bộ môn Sinh học môi trường Ờ Viện Môi trường Nông nghiệp

ựã tạo mọi ựiều kiện thuận lợi và nhiệt tình giúp ựỡ, dạy bảo em trong suốt quá trình học tập và thực hiện ựề tài

Cuối cùng em xin cảm ơn gia ựình và cảm ơn bạn bè ựã ựộng viên, khuyến khắch, giúp ựỡ em trong thời gian thực hiện ựề tài

Hà Nội, tháng 5 năm 2010

Sinh viên

Nguyễn Thị Thu Trang

Danh mục các từ viết tắt

BOD Biochemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy sinh hoá

CBTBS Chế biến tinh bột sắn Chế biến tinh bột sắn

COD Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hoá hoá

học

FAO Food Argricultural Organization Tổ chức lương thực thế

giới

SS Suspended Solids Chất rắn lơ lửng

TS Total Solids Chất rắn tổng số

Mục lục

MỞ ðẦU 1

PHẦN 1: TỔNG QUAN 3

1.1.Tình hình sản xuất tinh bột sắn trên thế giới và tại Việt Nam 3

1.1.1 Trên thế giới 3

1.1.2.Tại Việt Nam 4

1.2 Hiện trạng môi trường của quá trình sản xuất tinh bột sắn 8

1.2.1 Khí thải 8

1.2.2 Nước thải 8

1.2.3 Chất thải rắn 10

1.2.4 Ảnh hưởng của quá trình CBTBS ñến con người và môi trường 11

1.3.Tình hình nghiên cứu xử lý nước thải sau CBTBS 12

1.4 Các phương pháp xử lý 13

1.4.1 Xử lý cơ học 13

1.4.2 Xử lý hoá lý 14

1.4.3 Xử lý sinh học 14

1.5 Ứng dụng của VSV trong xử lý nước thải 16

1.6 Vai trò của VSV trong xử lý nước thải tinh bột sắn……… 18

1.6.1 VSV chuyển hoá hợp chất hydrat cacbon 18

1.6.2 VSV chuyển hoá các hợp chất chứa Nitơ liên kết 20

1.6.3 VSV chuyển hoá Protein 20

1.6.4 VSV chuyển hoá lipid 20

1.6.5 VSV gián tiếp làm giảm hàm lượng axit cyanic (HCN) 21

PHẦN 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 22

2.1 ðối tượng và phạm vi nghiên cứu 22

2.2 Nội dung nghiên cứu 22

2.3 Phương pháp nghiên cứu 23

2.3.1.Thiết bị, hoá chất và dụng cụ thắ nghiêm 23

2.3.2 Phương pháp lấy mẫu và bảo quản mẫu 24

2.3.3 Phân tắch tổng hợp các nguồn tài liệu và xử lý số liệu 24

2.4 Phương pháp phân tắch và các chỉ tiêu phân tắch 24

2.4.1 Kiểm tra mật ựộ vi sinh vật tổng số 24

2.4.2 đo pH 25

2.4.3 Chỉ tiêu BOD 25

2.4.4 Chỉ tiêu chất rắn lơ lửng SS 26

2.5 Mật ựộ tế bào vi sinh vật 26

2.6 Phương pháp xác ựịnh hoạt tắnh sinh học 26

2.6.1 Xác ựịnh hoạt tắnh phân giải xenluloza 26

2.6.2 Xác ựịnh hoạt tắnh phân giải tinh bột 27

2.7 Phương pháp cấy vạch 27

PHẦN 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 28

3.1 Một số ựặc ựiểm về hình thái, sinh lý của các chủng vi sinh vật ựược tuyển chọn 28

3.1.1 đặc ựiểm về hình thái 28

3.2.đặc ựiểm sinh học của các chủng vi sinh vật 31

3.2.1.Khả năng phân giải hợp chất hữu cơ của các chủng vi sinh vật 31

3.2.2.Mối quan hệ của các chủng vi sinh vật 34

3.3 Nghiên cứu sử dụng hỗn hợp vi sinh vật trong xử lý nước thải tinh bột sắn 35

3.3.1 Hiện trạng môi trường tại nhà máy CBTBS Elmaco Ninh Bình 35

3.3.2 đánh giá hiệu quả xử lý của các công thức sau 3 ngày thắ nghiệm37 3.3.3 đánh giá hiệu quả xử lý của các công thức sau 5 ngày thắ nghiệm38 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 42

MỞ ðẦU

Ở Việt Nam và nhiều nước trên thế giới, sắn là cây lương thực quan trọng, thích hợp với vùng ñất cằn cỗi và là loại cây trồng dễ chăm sóc, năng suất ổn ñịnh, ít bị sâu bệnh Sắn thường ñược trồng ở những vùng ñất bạc màu, những nơi ñất trống ñồi trọc mà ở ñó những cây lương thực khác không phát triển ñược

Sản phẩm của cây sắn ñược sử dụng trong nhiều lĩnh vực kinh tế và ñời sống Sắn là nguồn lương thực trực tiếp cho con người, là thức ăn cho gia súc, ngoài ra còn là nguyên liệu cho nhiều ngành công nghiệp: sản xuất cồn, hạt nêm, mỳ chính …

ðối với công nghiệp chế biến sắn, bên cạnh những giá trị to lớn do cây sắn mang lại thì vấn ñề môi trường cũng rất cần ñược quan tâm Trong quá trình sản xuất tinh bột thải ra một số lượng lớn nước thải và bã thải ñáng kể ra môi trường mà hầu hết chưa ñược xử lý hoặc xử lý chưa triệt ñể Quá trình chuyển hoá tự nhiên của các chất thải của nhà máy chế biến tinh bột sắn gây mùi hôi thối, ô nhiễm nguồn không khí, ñất và nước ngầm ảnh hưởng to lớn ñến sức khoẻ cộng ñồng

Ở nước ta ñang nghiên cứu nhiều hướng ñi ñể giải quyết vấn ñề cấp thiết này Nhưng một vấn ñề ñược ñặt ra là ñể xử lý nước thải trong quá trình sản xuất, các nước phát triển ñã ñưa ra ñược công nghệ thiết bị tiên tiến ñể hướng tới một nền sản xuất sạch, còn ở nước ta ñể mua trang thiết

bị của nước ngoài thì sẽ phải tốn một khoản ngoại tệ rất lớn Tuy nhiên nhiều cơ sở sản xuất của chúng ta không có khả năng thể hiện, do ñó ñã ảnh hưởng không nhỏ tới môi trường sinh thái Từ những ñiều kiện ñó, nước ta ñã nghiên cứu xử lý nước thải theo một hướng ñi mới mang tính kinh tế cao, hiệu quả xử lý lớn, an toàn với môi trường và sức khoẻ con người ñó là xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học Nguyên tắc của

phương pháp này là dựa vào hoạt ựộng sống của VSV có khả năng phân giải các chất hữu cơ hoặc vô cơ làm nguồn năng lượng và nguồn cacbon

ựể thực hiện quá trình sinh trưởng và phát triển của chúng

đối với nước thải ngành công nghiệp thực phẩm nói chung và nước thải ngành sản xuất tinh bột sắn nói riêng trong thành phần có chứa nhiều các hợp chất hữu cơ và nguyên tố vi lượng, là nguồn dinh dưỡng thắch hợp cho VSV sống và phát triển ựồng thời có ắt các nhân tố ựộc Do ựó ựây chắnh là cơ sở cho việc xử lý nước thải sản xuất tinh bột sắn bằng biện pháp sinh học

Nhằm góp phần bảo vệ môi trường và giảm thiểu ô nhiễm do sản xuất tinh bột sắn, ựề tài tiến hành :

Ộ Nghiên cứu khả năng sử dụng vi sinh vật làm tác nhân sinh học xử lý nước thải sau chế biến tinh bột sắn Ợ

Với nội dung nghiên cứu:

- Tuyển chọn một số chủng vi sinh vật có khả năng chuyển hoá các hợp chất hữu cơ giàu cacbon

- đánh giá khả năng sử dụng tổ hợp vi sinh vật làm tác nhân sinh học ựể xử lý nước thải tinh bột sắn

2008 là 557,40 nghìn ha, năng xuất bình quân 16,85 tấn /ha Việt Nam là ñiển hình của châu Á và thế giới về tốc ñộ phát triển sắn, so với năm 2000 năng xuất sắn là 8,66 tấn/ ha và sản lượng 2,03 triệu tấn thì năm 2008 năng xuất sắn ñã tăng gấp 2 lần và sản lượng sắn tăng 4,72 lần [18]

Bảng1: Diện tích, năng suất và sản lượng sắn của thế giới từ

lớn như ựể làm hồ, in, ựịnh hình trong công nghiệp dệt, làm bóng và tạo lớp phủ bề mặt cho công nghiệp giấy, tinh bột sắn còn là nguyên liệu chắnh dùng trong sản xuất cồn, bột nêm, mì chắnh [5]

Tuy nhiên, bên cạnh những giá trị và hiệu quả về kinh tế, hiện nay các quốc gia có công nghiệp chế biến tinh bột sắn ựang phải ựối mặt với sự ô nhiễm môi trường do phế thải từ các nhà máy chế biến tinh bột sắn thải ra trong quá trình sản xuất và chế biến tinh bột sắn.[2]

1.1.2 Tại Việt Nam

Cây sắn (Cây khoai mỳ) là một trong những cây trồng lương thực chủ yếu, lâu ựời của nước ta sau cây lúa, cây ngô Mục ựắch dùng làm thức

ăn gia súc và lương thực, ựặc biệt ựối với người dân vùng trung du, miền núi xa xôi hẻo lánh, ựồng bào dân tộc cây sắn ựược coi là cây lương thực quan trọng Trong những năm gần ựây do yêu cầu phát triển của một số ngành công nghiệp, nhu cầu thị trường trong và ngoài nước, cây sắn ựang chuyển dần thành cây có sản phẩm làm nguyên liệu không thể thiếu cho các nhà máy chế biến tinh bột sắn

Ở nước ta, sắn ựược trồng ở hầu hết các tỉnh song tập trung nhiều nhất

ở các vùng núi và trung du phắa bắc, các tỉnh ven biển miền Trung, Tây Nguyên và miền đông Nam Bộ Hiện nay, ở Việt Nam có rất nhiều loại hình chế biến sắn, tuỳ thuộc vào quy mô công nghệ, vốn, lao ựộngẦ nhưng về cơ bản có thể chia thành 3 loại hình chế biến sắn như sau :

- Doanh nghiệp tư nhân quy mô nhỏ (Quy mô hộ gia ựình nông dân): Loại hình này chủ yếu phát triển mạnh ở một số vùng ựồng bằng và trung du như Hoà Bình, Vĩnh Phúc, Phú Thọ, Hà Tây cũ Ầ sản phẩm chủ yếu là tinh bột sắn và các sản phẩm từ tinh bột sắn như bún khô, bánh ựa Ầvề thiết bị và công nghệ chế biến ở ựây có mức ựộ cơ giơắ hoá thấp, chủ yếu lao ựộng thủ công trong những làng nghề truyền thống ở các vùng nông thôn, một vấn ựề chung ựối với doanh nghiệp loại này là nguồn ô nhiễm phân tán

- Doanh nghiệp tư nhân qui mô vừa: Mô hình “Hợp tác xã” Hiện nay có rất ít doanh nghiệp qui mô vừa, ở mỗi tỉnh sản xuất nhiều sắn thường có khoảng 4-6 doanh nghiệp loại này Các doanh nghiệp này sản xuất chủ yếu 2 loại sản phẩm: Tinh bột ướt và tinh bột khô Mức ñộ cơ giới hoá ở các công ñoạn: bóc

vỏ, nạo sắn, thái, lọc và sấy khô Do ñó quá trình chế biến ñòi hỏi nhiều vốn, ít công lao ñộng và sử dụng nhiều nước hơn Các doanh nghiệp này không sử dụng SO2 ñể tẩy trắng tinh bột như trong các nhà máy lớn

- Nhà máy qui mô lớn: ðể ñáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của các ngành công nghiệp như giấy, dệt, bột ngọt … trong những năm qua ñã có nhiều nhà máy chế biến tinh bột sắn qui mô lớn ñược xây dựng Hiện nay cả nước có 52 nhà máy chế biến tinh bột sắn với công suất từ 50-200 tấn tinh bột/ngày/nhà máy, tổng công suất chế biến sắn của cả nước khoảng 3.500 tấn/ngày Trong ñó, riêng ñịa bàn các tỉnh miền Trung - Tây Nguyên ñã chiếm hơn 50% số lượng [2,5]

Tuy nhiên, do chỉ tập trung ñầu tư ñể nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm, vấn ñề quản lý và kiểm soát lượng phế thải thải ra trong quá trình sản xuất chưa ñồng bộ Kết quả kiểm tra và ñánh giá cho mức ñộ ô nhiễm môi trường do ảnh hưởng của hoạt ñộng sản xuất chế biến tinh bột sắn tại một số nhà máy nằm trên ñịa bàn các tỉnh ðăk Nông, ðăk Lăk, Ninh Bình, Nghệ An ñều cho thấy quá trình sản xuất ñã thải ra khói bụi không ñược xử lý, phế thải rắn gây mùi hôi thối, hệ thống xử lý nước thải, phế thải rắn không ñồng bộ hoặc không ñủ công suất Các chỉ tiêu lý hoá sinh học ñều vượt ngưỡng cho phép rất nhiều, gây ô nhiễm nghiêm trọng môi trường sinh thái xung quanh Các vấn ñề về ô nhiễm môi trường xung quanh khu vực nhà máy chế biến tinh bột sắn ñã và ñang xuất hiện ngày càng tăng về qui mô và mức ñộ nghiêm trọng, ñặc biệt là mối quan hệ giữa các doanh nghiệp và cộng ñồng dân cư xung quanh ñang dần xấu ñi do hoạt ñộng sản xuất ñang gây ảnh hưởng xấu

ñến môi trường ñất, nước, không khí ảnh hưởng ñến sức khoẻ cộng ñồng và môi trường sinh thái [2]

SƠ ðỒ SẢN XUẤT TINH BỘT SẮN

* SƠ ðỒ SẢN XUẤT THỦ CÔNG

Nước thải 15-20m3

* SƠ đỒ SẢN XUẤT TỰ đỘNG HOÁ VỚI HỆ THỐNG THIẾT BỊ

Ép nén

Bã sắn Trắch ly, chiết xuất

SO2

Xử lý nước thải Tinh lọc

Sấy khô

Xử lý

bã

đóng gói sản phẩm

Trong sản xuất và chế biến tinh bột sắn phải sử dụng một lượng nước rất lớn từ khâu rửa nguyên liệu ñến quá trình kết lắng và làm sạch tinh bột ðể sản xuất ra 1 tấn tinh bột cần phải sử dụng 15-20m³ nước, lượng nước phục

vụ cho sản xuất chủ yếu ñược khai thác từ nguồn nước ngầm, do vậy lượng nước thải thải ra trong quá trình sản xuất là rất lớn Theo các báo cáo quan trắc môi trường, hầu hết hệ thống xử lý nước thải tại các nhà máy chế biến tinh bột sắn ñều không ñáp ứng ñược trong việc xử lý nước thải, ngay cả trong thời gian sản xuất không chính vụ.[2]

1.2 Hiện trạng môi trường của quá trình sản xuất tinh bột sắn

1.2.1 Khí thải

Khí thải phát sinh trong quá trình sản xuất tinh bột sắn không lớn Tuy nhiên chúng lại gây ảnh hưởng rất lớn tới môi trường, có thể kể ñến các loại khí sau ñây:

- Khí phát sinh do quá trình ñốt dầu, thành phần chính của các loại khí này là: CO2, NOX, SOX, CXHY, muội, bụi…

- ðể tẩy trắng bột ở quy mô sản xuất lớn có thể lò ñốt lưu huỳnh tạo ra sunfua dioxit, quá trình này làm phát sinh SO2

- Trong sản xuất tinh bột sắn hợp chất cyanogenic glucozit thủy phân giải phóng HCN ðây là axit dễ bay hơi, chúng phát tán vào không khí gây ảnh hưởng tới sức khỏe của con người và gia súc.[3]

1.2.2 Nước thải

Qúa trình sản xuất tinh bột từ sắn tươi và chế biến các sản phẩm từ tinh bột là một quá trình công nghệ có nhu cầu sử dụng nước khá lớn, ñịnh mức khoảng 5 - 6 m3\ tấn củ tươi, tương ñương với 15 - 20m3\tấn sản phẩm tuỳ thuộc vào các công nghệ khác nhau Lượng nước thải từ quá trình này ra môi trường thường chiếm 80- 90% tổng lượng nước sử dụng Nước thải sinh ra từ dây chuyền sản xuất tinh bột sắn có các thông số ñặc trưng như: pH thấp, hàm lượng chất hữu cơ và vô cơ cao, thể hiện qua hàm lượng chất rắn lơ lửng

(SS), các chất dinh dưỡng chứa N, P, K, các chỉ số về nhu cầu oxy sinh hoá học (BOD), nhu cầu oxy hoá học (COD), ñộ mầu với nồng ñộ rất cao, vượt nhiều lần so với tiêu chuẩn môi trường Nguồn phát sinh nước thải :

+ Nước thải nguyên liệu

+ Nước tách từ các máng lắng tinh bột

+ Nước từ các quá trình lọc tinh, lọc thô

+ Nước rửa máy móc thiết bị

+ Nước vệ sinh nhà xưởng

Nước thải từ các thiết bị rửa và làm tróc vỏ có chứa chủ yếu là các chất rắn lơ lửng (ñất, cát, vỏ …) và xianua Nước thải từ hệ thống bể lắng trích ly tinh bột chứa tinh bột, xenlulo, các chất hữu cơ khác như protein thực vật, lignin…

Xianua sinh ra do quá trình lên men xyanolaza Như vậy nước thải từ công ñoạn này có BOD, COD, SS rất cao, pH thấp, ñộ ñục cao

Với ñặc trưng của nước thải tinh bột sắn như vậy cho thấy nếu nước thải không ñược xử lý trước khi thải vào môi trường sẽ gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng và tác ñộng xấu tới sức khoẻ cộng ñồng Cụ thể :

* Nước thải chế biến tinh bột sắn có hàm lượng chất hữu cơ cao làm giảm oxy hoà tan trong nước, thúc ñẩy quá trình phân huỷ yếm khí các VSV trong nước phát sinh mùi xú uế ảnh hưởng nghiêm trọng tới chất lượng môi trường và gây mất mỹ quan

* Bên cạnh ñó, quá trình chuyển hoá tinh bột thành axit hữu cơ làm cho pH trong nước thải giảm, pH thấp trong nước thải có tác ñộng xấu tới các ñộng vật thuỷ sinh, ñặc biệt các loài vốn ưa môi trường kiềm, làm chết tảo,

cá di chuyển nơi sống, làm chua ñất …

* Hàm lượng TS, SS trong nước thải cao là nguyên nhân gây lắng ñọng và thu hẹp diện tích các mương dẫn, các dòng tiếp nhận nước thải [2,5] Nước thải từ công ñoạn rửa củ và trích ly chiết suất là 2 nguồn gây ô nhiễm chính trong công nghệ chế biến tinh bột sắn

Bảng 2: ðặc trưng của nước thải sản xuất tinh bột sắn[6]

1.2.3 Chất thải rắn

Trong quá trình sản xuất tinh bột sắn từ củ tươi, chất thải rắn chủ yếu phát sinh từ các công ñoạn rửa củ, bóc vỏ, công ñoạn lọc Chất thải rắn từ khâu rửa củ bao gồm ñất, cát, lớp vỏ lụa và một phần thịt củ bị vỡ do va chạm mạnh hoặc do sắn nguyên liệu bị dập, thối Lượng chất thải này chiếm khoảng 5% sắn nguyên liệu Trong công ñoạn lọc tách bã, phần bã còn lại là nguồn phát sinh chất thải rắn vô cùng lớn, chiếm khoảng 40% sắn nguyên liệu Chất thải rắn từ quá trình sản xuất tinh bột sắn gồm các loại sau:

+ Vỏ củ và tạp chất ở công ñoạn rửa củ và bóc vỏ

+ Bã sắn từ công ñoạn trích ly, chiết suất

+ Bùn từ công ñoạn xử lý nước thải

Lượng bã thải thải ra môi trường rất lớn, nếu không ựược xử lý kịp thời các chất hữu cơ trong bã thải sẽ bị phân hủy gây mùi khó chịu, làm ô nhiễm môi trường không khắ, ảnh hưởng tới sức khỏe con người.[5]

1.2.4 Ảnh hưởng của quá trình CBTBS ựến con người và môi trường

Theo một số thông tin cho biết, các khu vực dân cư sống quanh nhà máy chế biến tinh bột sắn bị ảnh hưởng rất nặng nề về nguồn nước, ựất, không khắ và ựiều kiện sinh hoạt của người dân Họ phải ngửi mùi hôi thối suốt ngày, ựêm không thể ngủ ựược, trẻ em còi cọc, thường xuyên viêm ựường hô hấpẦ do hắt thở mùi hôi thối và dùng nguồn nước không ựảm bảo vệ sinh.[14]

Không những ảnh hưởng về sức khỏe mà còn ảnh hưởng về kinh tế rất nghiêm trọng Khi lượng bã thải theo dòng nước chảy ra kênh mương, ao hồ ngăn cản dòng chảy, làm ô nhiễm các ao, hồ, sông, suối gây tác hại trực tiếp ựến hệ thủy sinh vật, ảnh hưởng ựáng kể ựến hoạt ựộng nuôi trồng thủy sản, làm ô nhiễm nguồn nước ngầm, ô nhiễm môi trường ựất, tác ựộng xấu ựến năng suất cây trồng, gây chết thủy sản, lúa và hoa màu của người dân [16] Vấn ựề ô nhiễm môi trường do quá trình sản xuất tinh bột sắn ựang là một vấn ựề bức xúc cho ngành môi trường và xã hội đã rất nhiều các nhà máy sản xuất tinh bột sắn như: đak Lak, Nghệ An, Hà Tĩnh Ầ ựã bị ựóng cửa

vì thải ra ngoài môi trường một lượng phế thải và nước thải quá lớn gây ô nhiễm trầm trọng Vì vậy, việc tìm ra biện pháp xử lý là một ựiều cấp thiết ựể giải quyết tình trạng ô nhiễm này và bảo vệ cuộc sống cho nhân dân

Cá bị chết do ô nhiễm nước

1.3.Tình hình nghiên cứu xử lý nước thải sau CBTBS

Hiện tại, tại phần lớn các nhà máy chế biến tinh bột sắn trên thế giới và tại Việt Nam, nước thải ñược xử lý theo phương pháp sử dụng hệ thống bể lắng và hồ sinh học Phương pháp này ñòi hỏi phải có diện tích mặt bằng lớn, khi nhà máy tinh bột tinh sắn sản xuất tập trung thì công suất xử lý của hệ thống này không ñáp ứng ñược lượng nước thải tại các nhà máy, do vậy gây mùi hôi thối ñặc trưng gây ô nhiễm môi trường ñất, nước và không khí

Công nghệ xử lý nước thải ñang ñược áp dụng chủ yếu là công nghệ ngoại nhập cùng với hệ thống thiết bị chế biến tinh bột sắn, về cơ bản là không ñáp ứng ñủ cho nhu cầu xử lý nước thải Ở nước ta ñã có một số công nghệ xử lý nước thải từ quá trình chế biến tinh bột sắn theo phương pháp sinh học kỵ khí UASB, keo tụ kết hợp bùn hoạt tính hoặc xử lý bằng hệ thống các

thử nghiệm cấp Nhà nước mã số KC.05.11 “Hoàn thiện thiết kế và công nghệ chế tạo dây chuyền thiết bị chế biến tinh bột sắn ñạt yêu cầu xuất khẩu, công suất 50 tấn/ngày” do viện nghiên cứu thiết kế chế tạo máy nông nghiệp chủ trì, dự án ñã bước ñầu tiến hành nội dung nghiên cứu khả năng sử dụng vi sinh vật trong xử lý nước thải nhà máy chế biến tinh bột sắn Tuy nhiên, ñến hiện nay vẫn chưa có giải pháp hiệu quả trong việc chế tạo chế phẩm vi sinh vật cho xử lý nước thải sau chế biến tinh bột sắn hoặc sử dụng kết hợp chế phẩm vi sinh vật với các giải pháp khác ñể nâng cao hiệu quả xử lý nước thải

Do vậy chất lượng nước thải khi thải ra môi trường chưa ñảm bảo tiêu chuẩn

B theo TCVN 5945- 2005.[2]

1.4 Các phương pháp xử lý

Với những ñặc trưng chủ yếu của nước thải chế biến tinh bột sắn là: Hàm lượng chất hữu cơ cao và cặn lơ lửng lớn, pH thấp, nước thải sản xuất tinh bột còn chứa các chất khó hoặc chậm chuyển hoá như dịch bào, xơ sắn, peptin … vì vậy công nghệ xử lý nước thải tương ñối phức tạp Phương pháp khả thi và hiệu quả ñể xử lý nước thải sản xuất tinh bột sắn là xử lý bằng phuơng pháp sinh học Tuy nhiên ñể nâng cao hiệu quả xử lý người ta thường kết hợp với các phương pháp cơ học và hoá lý

1.4.1 Xử lý cơ học

Bao gồm các quá trình xử lý sơ bộ, lắng và lọc Phương pháp này thường ñược sử dụng trong giai ñoạn tiền xử lý nhằm tách các vật rắn nổi có kích thước lớn, tách các tạp chất có thể lắng (lọc) ra khỏi nước thải ñể giảm tải lượng chất ô nhiễm cho hệ thống xử lý tiếp theo

Có thể áp dụng phương pháp lắng lọc cơ học ñể xử lý nước thải của quá trình chuẩn bị nguyên liệu Quá trình bóc vỏ, rửa sạch cuốn theo một lượng lớn ñất, cát, sạn, vỏ gỗ … Những tạp chất này có kích thước tương ñối lớn, dễ dàng tách loại bằng lắng trọng lực Phần cặn lơ lửng có kích thước nhỏ hơn ñược tách nhờ lọc và phương pháp lọc ñơn giản là lọc cát

Ngoài ra ñối với nước thải quá trình trích ly, chiết xuất (lọc thô) có hàm lượng tinh bột và xenluloza lớn cũng cần lắng ñể tách cặn thô trước khi xử lý sơ cấp Nước sau lắng có hàm lượng SS, TS giảm, tạo thuận lợi cho quá trình xử lý tiếp theo

1.4.3 Xử lý sinh học

Là phương pháp ñặc biệt hiệu quả ñể xử lý nước thải của ngành chế biến thực phẩm nói riêng và các loại nước thải có chứa hàm lượng chất hữu

cơ cao nói chung

Cơ sở của phương pháp là dựa vào hoạt ñộng sống của các VSV ñể oxy hoá các chất bẩn, hữu cơ ở dạng keo và hoà tan có trong nước thải

Cơ chế của quá trình xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học là quá trình gồm ba giai ñoạn:

- Giai ñoạn 1: Giai ñoạn khuyếch tán di chuyển chất hữu cơ từ nước thải tới bề mặt các tế bào VSV

- Giai ñoạn 2: Chuyển các chất hữu cơ ñó qua màng bán thấm bằng khuyếch tán do sự chênh lệch nồng ñộ bên trong và bên ngoài tế bào

- Giai ñoạn 3: Quá trình chuyển hoá các chất trong tế bào VSV tạo ra năng lượng và tổng hợp tế bào mới ðây là giai ñoạn có vai trò quan trọng

ñể phân huỷ các chất hữu cơ nhờ hệ enzyme thuỷ phân tiết ra môi trường theo nguyên tắc cảm ứng với từng cơ chất tương ứng Các VSV này sử dụng

các sản phẩm của phản ứng thuỷ phân ñể xây dựng tế bào mới cho quá trình sinh trưởng và phát triển

Quá trình xử lý sinh học thường ñược thực hiện nhờ phức hợp các quần thể sinh học tương tác với nhau Khi sử dụng phương pháp này cần quan tâm ñến cả một hệ sinh thái VSV có trong nước thải Các VSV trong nước thải gồm: Nấm men, nấm mốc, vi khuẩn, các thể ký sinh, cộng sinh…trong ñó vi khuẩn chiếm phần lớn, về số lượng cũng như về chủng loại

Dựa vào phương thức dinh dưỡng người ta chia ra làm hai nhóm VSV :

- Nhóm VSV tự dưỡng: Khả năng xử lý nước thải của nhóm này không nhiều

- Nhóm VSVdị dưỡng: Có thể chia các VSV này thành ba nhóm dựa vào hoạt ñộng sống của nó với oxy

+ VSV hiếu khí: Cần có oxy ñể sống và phân huỷ các chất hữu cơ + VSV thiếu khí: có thể sinh trưởng và phát triển trong ñiều kiện có hoặc không có oxy

+ VSV kỵ khí: Có khả năng sống không cần oxy và sử dụng oxy ñể phân huỷ các chất hữu cơ

VSV dị dưỡng là thành phần VSV chủ yếu của nước thải Chúng có khả năng phân giải các hợp chất hữu cơ làm nguồn năng lượng, nguồn C, N

… ðể thực hiện quá trình sinh tổng hợp, phát triển sinh khối vì vậy xử lí nước thải bằng biện pháp sinh học chủ yếu dựa vào hoạt ñộng sống của VSV

dị dưỡng Từ ñó người ta ñã ñưa ra 3 phương pháp cơ bản ñể xử lý nước thải

- Phương pháp hiếu khí (aerobic)

- Phương pháp thiếu khí (anoxic)

- Phương pháp kị khí (anaerobic)

Phương pháp sinh học có nhiều ưu ñiểm:

- Là phương pháp xử lí nước thải có tính triệt ñể nhất (hiệu suất ñạt 90 -95 % theo BOD)

- Là phương pháp có tính kinh tế cao

- Hiệu quả chuyển hóa BOD cao

- Không gây ô nhiễm thứ cấp

- Thiết kế và trang thiết bị ñơn giản

- Không ñộc ñối với người và không gây hại với môi trường.[3,6,7]

1.5 Ứng dụng của VSV trong xử lý nước thải

VSV là những sinh vật ñơn bào có kích thước rất nhỏ bé mà mắt thường

không quan sát ñược phải sử dụng kính hiển vi VSV bao gồm virut, vi khuẩn,

vi nấm, vi tảo, ñộng vật nguyên sinh … Có thể nói, phần lớn VSV ñóng vai trò rất quan trọng trong các quá trình chuyển hoá sinh hóa, chúng có tác dụng làm giảm lượng chất hữu cơ trong nước thải, ñồng thời giúp ổn ñịnh nồng ñộ chất hữu cơ trong các dòng chảy VSV có các ñặc ñiểm chung sau ñây:

* Kích thước nhỏ bé

VSV thường ñược ño kích thước bằng ñơn vị micromet Virut ñược ño kích thước ñơn vị bằng nanomet (1 nm = 1/106 mm) Kích thước càng bé thì diện tích bề mặt của vi sinh vật trong một ñơn vị thể tích càng lớn

VD: ñường kính của một cầu khuẩn (coccus) chỉ có 1 mm, nhưng nếu xếp ñầy chúng thành một khối lập phương có thể tích là 1 cm3 thì chúng có diện tích bề mặt rộng tới 6m2

* Hấp thu nhiều, chuyển hoá nhanh

Tuy VSV có kích thước rất nhỏ bé nhưng chúng lại có năng lực hấp thụ và chuyển hoá vượt xa các sinh vật khác

VD: vi khuẩn lactic (lactobacillus) trong 1h có thể phân giải ñược 1 lượng ñường lactose lớn hơn 100 - 10000 lần so với khối lượng của chúng Tốc ñộ tổng hợp protein của nấm men cao gấp 1000 lần so với ñậu tương và gấp 100000 lần so với trâu bò

* Sinh trưởng nhanh phát triển mạnh

So với các sinh vật khác thì VSV có tốc ñộ sinh trưởng cực lớn

VD: 1 trực khuẩn ñại tràng (Escherichia coli) trong các ñiều kiện thích hợp chỉ sau 12 - 20 phút lại phân cắt 1 lần Nếu lấy thời gian thế hệ

là 20 phút thì mỗi giờ phân cắt 3 lần, sau 24 giờ phân cắt 72 lần tạo ra 4.722.366 x 1018 tế bào

* Có năng lực thích ứng mạnh mẽ và dễ dàng phát sinh biến dị

Trong quá trình tiến hoá lâu dài VSV ñã tạo cho mình những cơ chế ñiều hoà trao ñổi chất ñể thích ứng ñược với những ñiều kiện sống rất khác nhau, kể cả những ñiều kiện hết sức bất lợi mà các sinh vật khác không thể tồn tại ñược

VSV ña số là ñơn bào, ñơn bội, sinh sản nhanh, số lượng nhiều, tiếp xúc trực tiếp với môi trường sống … Do ñó dễ dàng phát sinh biến dị Tần số biến dị thường ở mức 10-5- 10-10 Chỉ sau một thời gian ngắn ñã có thể tạo ra một số lượng rất lớn các cá thể biến dị ở các thế hệ sau Những biến dị có ích

sẽ ñưa lại hiệu quả rất lớn trong sản xuất

* Phân bố rộng, chủng loại phong phú

- VSV có mặt ở khắp mọi nơi trên trái ñất, trong không khí, trên núi cao, dưới biển sâu, trên cơ thể người, ñộng vật, thực vật …

- VSV tham gia tích cực vào việc thực hiện các vòng tuần hoàn sinh -ñịa- hoá học như vòng tuần hoàn C, vòng tuần hoàn N, vòng tuần hoàn P …

- Trong nước, VSV có nhiều ở vùng duyên hải, vùng nước nông, ngay cả

ở vùng nước sâu, vùng ñáy ao hồ

- Trong không khí, càng lên cao số lượng VSV càng ít Số lượng VSV trong không khí ở các khu dân cư ñông ñúc cao hơn rất nhiều so với không khí trên mặt biển và nhất là trong không khí ở nam cực và bắc cực …

- Hầu như không có hợp chất C nào (trừ kim cương, ñá graphit …)

mà không là thức ăn của nhóm VSV nào ñó (kể cả dầu mỏ, khí thiên nhiên, foocmol…) VSV rất phong phú ở các kiểu dinh dưỡng khác nhau: quang tự dưõng, quang dị dưỡng, tự dưõng chất sinh trưởng, dị dưỡng chất sinh trưởng [3,6]

1.6 Vai trò của VSV trong xử lý nước thải tinh bột sắn [9]

Nước thải sau quá trình chế biến tinh bột sắn có chứa hàm lượng các

chất hữu cơ, hợp chất chứa lưu huỳnh cao và một lượng ñộc tố xianua Các

hợp chất hữu cơ chủ yếu là các hợp chất cacbon cao phân tử như: Xenluloza,

pectin, tinh bột … Trong môi trường tự nhiên các hợp chất này tiếp tục bị

phân giải bởi hệ enzym của VSV trong môi trường nước, không khí xung

quanh ñể tạo thành các chất vô cơ, hữu cơ ñơn giản hơn

VSV không trực tiếp phân huỷ các hợp chất hữu cơ mà chúng chỉ tham gia

chuyển hoá thành những chất ñơn giản như ñường, aminoacid … nhờ các enzim

ngoại bào Quá trình phân giải có thể ñược thông qua 3 con ñường sau:

- Hợp chất cacbon tự nhiên thành ñường ñơn thông qua phân huỷ hoàn toàn

- Mỡ thành ñường ñơn và acid béo

- Protein thành amon hoặc nitrat

1.6.1 VSV chuyển hoá hợp chất hydrat cacbon

Chu trình chuyển hoá hydrat cacbon ñược chuyển hoá thông qua hàng

loạt các phản ứng hoá học Xúc tác cho mỗi phản ứng hoá học là một loại

enzym có tính ñặc hiệu Hydrat cacbon tồn tại chủ yếu ở thực vật, chiếm

80-90% ở hai dạng tinh bột và xenluloza

* VSV chuyển hoá xenluloza

VSV có khả năng phân giải xenluloza là những VSV có khả năng tổng

hợp ñựơc hệ enzym xenlulaza Hệ enzim xenlulaza gồm 4 enzim khác nhau:

Xellobiohydrolaza: Có tác dụng cắt ñứt liên kết hydro làm biến dạng

xelluloza tự nhiên, phân giải vùng kết tinh tạo dạng cấu trúc vô ñịnh hình

Endoglucanaza: có khả năng cắt ñứt các liên kết β1-4 glucozit bên trong

phân tử tạo thành những chuỗi dài

Exo – gluconnaza: Tiến hành phân giải các chuỗi dài trên thành các

disacarit gọi là xellobioza

β – Gluconaza: Tiến hành thuỷ phân xellobioza thành glucoza

Trong tự nhiên có rất nhiều nhóm VSV có khả năng phân huỷ xenluloza nhờ hệ enzym xenlulaza ngoại bào

Vi khuẩn : Nhiều loài vi khuẩn cũng có khả năng phân huỷ xenluloza tuy nhiên cường ñộ không mạnh bằng vi nấm Nguyên nhân do lượng enzym tiết ra môi trường ít hơn, thành phần lại không ñầy ñủ Ở trong ñất có rất ít loài vi khuẩn có khả năng tiết ra ñủ bốn loại enzyme trong hệ enzyme xenlulaza mà thường thì nhóm này tiết ra một loại còn nhóm kia tiết ra một loại khác, chúng phối hợp với nhau ñể phân giải cơ chất trong mối quan hệ

tương hỗ: Pseudemonas, Xellulomonas, Achromonobacter, Clostridium,

Ruminococus

Xạ khuẩn: Góp phần tích cực trong chuyển hoá xenluloza Các chủng

xạ khuẩn ñược ứng dụng phổ biến hiên nay thuộc chi Streptomyxin Các

chủng xạ khuẩn này thuộc nhóm ưa nóng, sinh trưỏng và phát triển tốt ở nhiệt ñộ 45 – 500C, rất thích hợp cho các quá trình phân huỷ các hợp chất hữu cơ

Nấm men: Có khả năng sinh enzyme phân huỷ xelluloza: Candida,

Saccharomyces…

* VSV chuyển hoá tinh bột

Tinh bột là polysacarit bao gồm hai cấu tử là amiloza và amilopectin Amiloza là những chuỗi không phân nhánh bao gồm các ñơn phân glucoza liên kết với nhau bằng liên kết 1,4 glucozit Amilopectin là chuỗi phân nhánh các ñơn phân gắn với nhau không chỉ nhờ liên kết 1,4 - glucozit mà còn nhờ liên kết 1,6 - glucozit

VSV phân giải tinh bột phải có khả năng tiết ra môi trường hệ enzym amylaza gồm 4 enzym: α – amilaza, β – amilaza, phosphorilaza, amiloglucodaza (glucoamilaza)