Phân lập, tuyển chọn và đặc tính chủng vi khuẩn có khả năng chịu nhiệt, chịu ph và sinh tổng hợp cellulase để xử lý nước thải nhà máy giấy

Mục tiêu của đề tài: - Phân lập và tuyển chọn được chủng vi khuẩn có khả năng chịu nhiệt độ cao, chịu axit và có hoạt tính cellulase cao; - Xác định được ảnh hưởng một số yếu tố đến sự

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

VŨ THỊ DINH

PHÂN LẬP, TUYỂN CHỌN VÀ ĐẶC TÍNH CHỦNG VI KHUẨN CÓ KHẢ

LÝ NƯỚC THẢI NHÀ MÁY GIẤY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

HÀ NỘI -2017

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

VŨ THỊ DINH

PHÂN LẬP, TUYỂN CHỌN VÀ ĐẶC TÍNH CHỦNG VI KHUẨN CÓ KHẢ

LÝ NƯỚC THẢI NHÀ MÁY GIẤY

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: Các kết quả của luận văn được nhóm nghiên cứu chúng tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Trần Liên Hà trường Đại học Bách khoa Hà Nội, cùng sự giúp đỡ của tập thể cán bộ nghiên cứu, sinh viên đang học tập và làm việc tại phòng thí nghiệm bộ môn Vi sinh – Hóa sinh và Sinh học Phân tử, Viện Công nghệ Sinh học và Công nghệ Thực phẩm, trường Đại học Bách khoa Hà Nội và Lab Vi sinh phòng Thử nghiệm 1, công ty cổ phần Chứng nhận và

Giám định VinaCert

Nội dung luận văn có tham khảo và sử dụng các tài liệu, thông tin được đăng tải trên các tác phẩm, tạp chí và trang web theo danh mục tài liệu kham khảo của luận văn

Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm với sự cam đoan trên

Hà Nội, Ngày tháng năm 2017 Tác giả

Vũ Thị Dinh

LỜI CẢM ƠN

Bản luận văn thạc sỹ được thực hiện và hoàn thành tại Viện Công nghệ Sinh

học và Công nghệ Thực phẩm – Đại học Bách Khoa Hà Nội và phòng Lab Vi sinh

– Công ty cổ phần Chứng nhận và Giám định VinaCert

Để hoàn thành được luận văn này ngoài sự cố gắng nỗ lực của bản thân, tôi

đã nhận được nhiều sự giúp đỡ từ thầy cô, bạn bè, đồng nghiệp và gia đình

Trước tiên tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Trần Liên

Hà, công tác tại Viện Công nghệ Sinh học và Công nghệ Thực phẩm – Đại học

Bách Khoa Hà Nội, người đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ tôi tận tình, chu đáo

trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện luận văn

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới GS.TS Phạm Văn Ty người hướng

dẫn tôi trong quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu

Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Bùi Thị Việt Hà và các thầy cô giáo

trong bộ môn Vi sinh vật – Khoa Sinhhọc – Trường Đại học Khoa Học Tự nhiên –

Đại học Quốc gia Hà Nội đã tận tình dạy bảo, hướng dẫn, tạo điều kiện giúp đỡ tôi

trong quá trình học tập để hoàn thành khóa học

Tôi xin gửi lời cảm ơn tới em Phan Thị Thu Nga, Hoàng Trung Doãn thuộc

phòng thí nghiệm Bộ môn Vi sinh - Hóa sinh – Sinh học phân tử - Viện Công nghệ

sinh học và Công nghệ thực phẩm - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã cùng tôi

hoàn thành đề tài nghiên cứu này

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới bạn bè, đồng nghiệp và

gia đình đã giúp đỡ tôi trong suốt thời gian vừa qua

Xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, Ngày……Tháng… năm 2017

Tác giả

Vũ Thị Dinh

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN 3

1.1 Tình hình phát triển của ngành sản xuất giấy và bột giấy 3

1.1.1 Sự phát triển của công nghiệp giấy trên thế giới 3

1.1.2 Sự phát triển của ngành giấy ở Việt Nam 4

1.2 Công nghệ sản xuất giấy - bột giấy và đặc tính của nước thải 5

1.2.1 Công nghệ sản xuất bột giấy và đặc tính của nước thải 5

1.2.2 Công nghệ sản xuất giấy (xeo giấy) và đặc tính nước thải 10

1.3 Công nghệ xử lý nước thải nhà máy giấy 13

1.3.1 Tiền xử lý 14

1.3.2 Xử lý bậc 1 14

1.3.3 Xử lý bậc 2 15

1.3.4 Xử lý bậc 3 16

1.4 Các giải pháp công nghệ vi sinh ứng dụng xử lý nước thải 16

1.4.1 Phương pháp yếm khí 16

1.4.1.1 Nguyên tắc chung xử lý yếm khí 16

1.4.1.2 Quá trình công nghệ xử lý yếm khí 17

1.4.1.3 Các yếu tố chính ảnh hưởng tới hiệu suất công nghệ xử lý yếm khí 17

1.4.2 Phương pháp xử lý sinh học hiếu khí 18

1.4.2.1 Nguyên tắc xử lý hiếu khí 18

1.4.2.2 Quy trình công nghệ xử lý hiếu khí 18

1.4.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình xử lý hiếu khí 19

1.5 Vi sinh vật phân giải cellulose 20

1.5.1 Giới thiệu chung về vi sinh vật phân giải cellulose 20

1.5.2 Đặc điểm của loài Bacillus trong ứng dụng xử lý nước thải 22

1.6 Chế phẩm vi sinh trong công nghệ xử lý nước thải 23

CHƯƠNG 2 - VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 26

2.1 Đối tượng nghiên cứu 26

2.2 Thiết bị, dụng cụ và hóa chất 26

2.2.1 Thiết bị và dụng cụ 26

2.2.2 Hóa chất và môi trường 26

2.3 Phương pháp nghiên cứu 28

2.3.1 Phương phân tích xác định các thông số chất lượng nước thải 28

2.3.1.1 Xác định pH 28

2.3.1.2 Xác định COD 28

2.3.1.3 Hàm lượng các chất rắn lơ lửng 29

2.3.1.4 Chỉ số thể tích bùn 29

2.3.2 Phương pháp phân lập các chủng vi khuẩn 29

2.3.3 Phương pháp tuyển chọn chủng có hoạt tính cellulase 30

2.4 Định danh vi khuẩn 31

2.4.1 Phương pháp định danh dựa trên đặc tính sinh lý, sinh hóa 31

2.4.2 Định danh bằng phương pháp sinh học phân tử 34

2.5 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của chủng 36

2.5.1 Chuẩn bị giống 36

2.5.2 Các yếu tố khảo sát 36

2.6 Phương pháp xác định mật độ vi khuẩn 36

2.7 Phương pháp tạo chế phẩm 37

2.8 Thử nghiệm khả năng xử lý nước thải nhà máy giấy 38

2.8.1 Thử nghiệm khả năng xử lý nước thải nhà máy giấy quy mô 250 ml 38

2.8.2 Thử nghiệm khả năng xử lý nước thải nhà máy giấy ở quy mô 5l 38

CHƯƠNG 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 40

3.1 Khảo sát chỉ tiêu về chất lượng nước thải nhà máy giấy 40

3.2 Phân lập chủng vi khuẩn có hoạt tínhcellulase 41

3.3 Tuyển chọn chủng vi khuẩn có hoạt tính cellulase cao 42

3.3.1 Tuyển chọn dựa trên phương pháp cấy chấm điểm 42

3.3.2 Tuyển chọn dựa trên phương pháp đục lỗ thạch 44

3.3.3 Tuyển chọn dựa trên phương pháp xác định hoạt tính enzyme cellulase 45

3.4 Định tên chủng vi khuẩn tuyển chọn 46

3.4.1 Đặc tính hình thái và sinh lý – sinh hóa của chủng TD 46

3.4.2 Định danh sinh học phân tử 47

3.5 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới sự sinh trưởng của chủngB subtilisTD 50

3.5.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự sinh trưởng của chủng B.subtilis TD 50

3.5.2 Ảnh hưởng của tốc độ lắc đến sự sinh trưởng của chủng B subtilis TD 51

3.5.3 Ảnh hưởng của pH ban đầu đến sự sinh trưởng của chủng B subtilisTD 52

3.5.4 Ảnh hưởng của hàm lượng pepton đến sự sinh trưởng của B subtilisTD 54

3.5.5 Ảnh hưởng của tỷ lệ cấp giống đến sự sinh trưởng của chủng B subtilisTD 55 3.6 Chế phẩm BioTD 56

3.7 Thử nghiệm khả năng xử lý nước thải của chủng B subtilisTD 57

3.7.1 Thử nghiệm xử lý quy mô 250ml 57

3.7.2 Thử nghiệm xử lý nước thải quy mô bình 5 l 59

3.7.3 Tốc độ lắng của bùn sau xử lý 61

KẾT LUẬN 63

KIẾN NGHỊ 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

PHỤ LỤC BẢNG 69

PHỤ LỤC HÌNH 77

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 1: Chất lượng nước thải của một số nhà máy giấy và bột giấy 10

Bảng 1 2: Một số vi sinh vật phân hủy cellulose 21

Bảng 3 1: Chất lượng nguồn nước thải 40

Bảng 3 2: Các chủng phân lập được từ nước thải nhà máy giấy 41

Bảng 3 3: Khả năng phân giải cellulose của các chủng chọn lọc thông qua phương pháp cấy chấm điểm 43

Bảng 3 4: Khả năng phân giải cellulose của các chủng qua phương pháp đục lỗ thạch 44

Bảng 3 5: Hoạt lực enzyme của các chủng tuyển chọn 45

Bảng 3 6: Đặc tính sinh lý - sinh hóa chủng TD 47

Bảng 3 7: So sánh chất lượng bảo quản chế phẩm ở các điều kiện khác nhau 56

Bảng 3 8: Ảnh hưởng của tỷ lệ cấp giống đến hiệu suất xử lý ở quy mô 250 ml 58

Bảng 3 9: Hiệu suất xử lý COD của chủng B subtilis TD quy mô 5 l 60

Bảng 3 10: Tốc độ lắng của nước thải nhà máy giấy sau khi xử lý bằng chế phẩm BioTD 62

Bảng PL 1: Nồng độ đường glucose và OD540nm tương ứng xây dựng đường chuẩn đo hoạt lực enxyme phân giải celluose 69

Bảng PL 2: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự phát triển của chủng B subtilisTD 70

Bảng PL 3: Ảnh hưởng của tốc độ lắc đến sự phát triển của chủng B subtilisTD 71

Bảng PL 4: Ảnh hưởng của pH đến sự phát triển của chủng B subtilisTD 72

Bảng PL 5: Ảnh hưởng của hàm lượng pepton đến sự phát triển của chủng B subtilisTD 74

Bảng PL 6: Ảnh hưởng của tỷ lệ cấp giống đến sự phát triển của chủng B subtilisTD 75

Bảng PL 7: Khả năng xử lý nước thải của chủng B.subtilisTD quy mô 250 ml 76

Bảng PL 8: Khả năng xử lý nước thải chủng B.subtilisTD quy mô 5 l 76

DANH MỤC HÌNH

Hình 1 1: Cơ cấu thị trường xuất khẩu giấy và sản phẩm giấy 4 tháng 2016 4

Hình 1 2: Sơ đồ công nghệ Kraft, các nguồn thải và tác nhân gây ô nhiễm 6

Hình 1 3: Sơ đồ công nghệ sản xuất bột hóa nhiệt cơ 7

Hình 1 4: Sơ đồ công nghệ sản xuất bột giấy từ giấy thải 9

Hình 1 5: Sơ đồ công nghệ sản xuất giấy từ bột giấy 11

Hình 1 6: Sơ đồ hệ thống tuần hoàn nước trong quá trình xeo giấy 12

Hình 3 1: Các mẫu nước thải tại các cơ sở sản sử dụng cho quá trình phân tích 40

Hình 3 2: Hoạt lực cellulase của các chủng vi khuẩn qua phương pháp cấy chấm điểm 44

Hình 3 3: Hoạt lực cellulase của các chủng vi khuẩn qua phương pháp đục lỗ thạch 45

Hình 3 4: Đặc điểm hình thái khuẩn lạc và hình thái tế bào của chủng TD 46

Hình 3 5: Sản phẩm PCR chủng TD (Với: -ve: mẫu nước; +ve: chủng E.coli) 48

Hình 3 6: Tương quan cấu trúc 16S rRNA của chủng TD với các chủng khác 49

Hình 3 7: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự sinh trưởng của chủng B subtilisTD đo ở thời điểm 24 giờ 50

Hình 3 8: Ảnh hưởng của tốc độ lắc đến sự sinh trưởng của chủng B subtilisTD đo ở thời điểm 24 giờ 52

Hình 3 9: Ảnh hưởng của pH đến sự sinh trưởng của chủng B subtilisTD đo ở thời điểm 24 giờ 53

Hình 3 10: Ảnh hưởng của hàm lượng peptone đến sự sinh trưởng của chủng B subtilisTD đo ở thời điểm 24 giờ 54

Hình 3 11: Ảnh hưởng tỷ lệ cấp giống đến sự sinh trưởng của chủng B subtilisTD đo ở thời điểm 24 giờ 55

Hình 3 12: Chế phẩm B subtilis TD 56

Hình 3 13: Khả năng xử lý nước thải của chủng B subtilisTD ở các mật độ khác nhau quy mô 250 ml 57

Hình 3 14: Khả năng xử lý nước thải của chế phẩm BioTD ở quy mô 5 l 59

Hình 3 15: Biến đổi giá trị COD ở quy mô 5l 60

Hình 3 16: Khả năng lắng, tạo bùn và hiệu quả xử lý nước thải của chế phẩm BioTD ở quy mô 5 l 62

Hình PL 1: Đường chuẩn dựa trên hàm lượng đường glucose 77

Hình PL 2: Trình tự gen chủng TD 77

Hình PL 3: 10 chủng có độ tương đồng cao với chủng TD 77

Hình PL 4: Một số tính chất sinh hóa chủng TD 78

VŨ THỊ DINH 1

MỞ ĐẦU

Theo số liệu của Bộ Tài nguyên và Môi trường, 43,3 % khu công nghiệp Việt Nam có công trình xử lý nước thải tập trung, tuy nhiên thực tế trong số này, nhiều công trình hoạt động chưa đạt hiệu quả cao Nước thải của ngành sản xuất giấy là một trong những nguồn gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Nước thải nhà máy giấy chứa chất rắn lơ lửng, bột giấy, lignin, hóa chất tẩy trắng, chất phụ gia và các chất hữu cơ hòa tan là những hợp chất có độc tính sinh thái cao, có nguy

cơ gây ung thư, rất khó phân hủy trong môi trường Các chỉ số về chất lượng nước thải công nghiệp sản xuất giấy cao hơn giới hạn cho phép rất nhiều, cụ thể: Trong giai đoạn sản xuất bột giấy, hàm lượng TSS: 2000 mg/l, COD: 2500 mg/l, BOD5:1900 mg/l, pH: 6,4 – 7,5; trong giai đoạn xeo giấy hàm lượng TSS: 3500

Hiện nay, có nhiều phương pháp xử lý nước thải như: phương pháp vật lý, phương pháp cơ học, phương pháp hóa học, tuy nhiên, các phương pháp này có chi phí cao và chưa xử lý triệt để nguồn ô nhiễm Xử lý sinh học là phương pháp có nhiều ưu điểm, do thân thiện với môi trường và khắc phục được các hạn chế của

hợp để xử lý sinh học

Đặc tính của nước thải nhà máy giấy là môi trường nghèo dinh dưỡng chứa nhiều cellulose, nhiệt độ cao - biến động từ 36oC lên tới 70oC, pH thấp và nằm

trong dải từ 5 – 10 Do đó, chúng tôi tiến hành thực hiện đề tài “Phân lập, tuyển

chọn và đặc tính chủng vi khuẩn có khả năng chịu nhiệt, chịu pH và sinh tổng hợp cellulase để xử lý nước thải nhà máy giấy”

Mục tiêu của đề tài:

- Phân lập và tuyển chọn được chủng vi khuẩn có khả năng chịu nhiệt độ cao, chịu axit và có hoạt tính cellulase cao;

- Xác định được ảnh hưởng một số yếu tố đến sự sinh trưởng của chủng vi khuẩn phân lập được;

- Tạo được chế phẩm xử lý nước thải nhà máy giấy;

VŨ THỊ DINH 2

- Thử nghiệm ứng dụng vi khuẩn trong xử lý nước thải nhà máy giấy

Đồi tượng và phạm vi nghiên cứu:

- Nước thải của nhà máy giấy An Hòa và cụm công nghiệp giấy Phú Lâm

- Vi khuẩn có khả năng xử lý nước thải nhà máy giấy, sinh trưởng trong điều kiện nhiệt độ cao, pH thấp

- Thử nghiệm xử lý nước thải nhà máy giấy quy mô phòng thí nghiệm (quy

mô 250 ml và 5 l)

Nội dung nghiên cứu:

- Khảo sát một số chỉ tiêu về chất lượng nước thải nhà máy giấy

- Phân lập, tuyên chọn chủng vi khuẩn bản địa có hoạt tính phân hủy cellulose cao, có khả năng sinh trưởng trong môi trường nhiệt độ cao và pH thấp Định tên chủng vi khuẩn sinh tổng hợp cellulase

- Khảo các yếu tố ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của chủngBacillus subtilis

VŨ THỊ DINH 3

Chương 1 - TỔNG QUAN 1.1 Tình hình phát triển của ngành sản xuất giấy và bột giấy

1.1.1 Sự phát triển của công nghiệp giấy trên thế giới

vào năm 3500 trước Công nguyên Đến năm 105 sau Công nguyên, người Trung Quốc đã có bước đột phá mới trong công nghệ sản xuất giấy và được coi là nguồn gốc của ngành giấy, chất lượng giấy thời này có thể so sánh với giấy thủ công ngày nay Qua thời gian, ngành sản xuất giấy không ngừng phát triển, từ sản xuất thủ công ban đầu bằng cách kết những cây cỏ với nhau thành tấm, đến quy mô công nghiệp với công nghệ tiên tiến, tự động hóa trong các khâu sản xuất

giấy bình quân đầu người ở Nhật Bản đạt khoảng 130 kg/người[19] Trong đó, nhu cầu giấy bao bì và đóng gói chiếm tỷ lệ lớn nhất với 39% tổng sản lượng năm 1961

và 54% trong năm 2013[33] Để đáp ứng mức nhu cầu trên, sản lượng giấy không ngừng tăng qua các năm, năm 1961 sản lượng giấy và bột giấy thế giới khoảng hơn

70 triệu tấn, đến năm 2013 đạt khoảng 397,6 triệu tấn Trong đó, tổng sản lượng giấy của bốn nước Trung Quốc, Mỹ, Nhật Bản và Đức chiếm hơn một nửa, khoảng 56%[33] Ngoài 4 cường quốc giấy trên, các quốc gia kháccũng không ngừng đẩy mạnh đầu tư phát triển ngành giấy như: nhà máy Andritz của Anh với sản lượng 220.000 tấn/năm, nhà máy Metsa Group của Phần Lan với sản lượng 1,3 triệu tấn/năm[3]

trường đã và đang là mối nguy của cả xã hội Tuy nhiên với thiết bị công nghệ hiện đại, chu trình sản xuất tuần hoàn khép kín, các nhà máy sản xuất giấy và bột giấy của các nước phát triển trên thế giới đã giảm lượng nướccung cấp cho quá trình sản xuất và lượng nước thải thải ra môi trường tới mức tối đa: Lượng nước cung cấp

dụng trong giai đoạn nấu bột và nước trắng sinh ra trong quá trình xeo giấy được tuần hoàn sử dụng lại [9]

VŨ THỊ DINH 4

1.1.2 Sự phát triển của ngành giấy ở Việt Nam

Ngành giấy là một trong những ngành được hình thành từ rất sớm tại Việt Nam, khoảng năm 284 Từ giai đoạn này đến đầu thế kỷ 20, giấy được làm bằng phương pháp thủ công phục vụ cho việc ghi chép, làm tranh dân gian và vàng mã Đến thế

kỷ 20, có nhiều nhà máy giấy và bột giấy được thành lập với quy mô nhỏ (dưới 20.000 tấn/năm) [6]

Ngành công nghiệp sản xuất giấy và bột giấy ở Việt Nam đã có những bước phát triển vượt bậc, sản lượng giấy tăng trung bình 11%/năm trong giai đoạn 2000-

2006, sản lượng giấy cả năm 2010 tăng gần 10% so với năm 2009, ước đạt 1,85 triệu tấn[18] Theo số liệu thống kê từ Tổng cục Hải quan (TCHQ) Việt Nam, 4 tháng đầu năm 2016, Việt Nam đã xuất khẩu 161,7 triệu USD giấy và sản phẩm từ giấy, tăng 7,1% so với cùng kỳ năm 2015 Giấy và sản phẩm từ giấy của Việt Nam

có mặt tại 17 quốc gia trên thế giới, trong đó Hoa Kỳ là thị trường chủ yếu, chiếm 24%, kế đến là Nhật Bản và Đài Loan chiếm 18% và các thị trường khác chiếm 23%[2]

c

Hình 1 1: Cơ cấu thị trường xuất khẩu giấy và sản phẩm giấy 4 tháng 2016[2]

Quy mô sản xuất của ngành giấy Việt Nam còn nhỏ: 46% doanh nghiệp có công suất dưới 1.000 tấn/năm, 42% công suất từ 1.000-10.000 tấn/năm và chỉ có 4 doanh nghiệp có công suất trên 50.000 tấn/năm Công suất trung bình của Việt Nam

1.2 Công nghệ sản xuất giấy - bột giấy và đặc tính của nước thải

Công nghệ sản xuất giấy gồm hai quá trình cơ bản: Sản xuất bột giấy từ nguyên liệu thô và sản xuất giấy từ bột giấy (xeo giấy)[11] Công nghiệp giấy và bột giấy có thể coi như hai ngành độc lập, sản xuất bột và sản xuất giấy Nguyên liệu chủ yếu để sản xuất bột giấy từ xơ sợi thực vật (tre và gỗ mềm) và giấy tái chế (giấy đã qua sử dụng, giấy phế liệu và các chất thải từ các xưởng đóng sách[3]

Do quá trình sản xuất giấy và bột giấyvới các công nghệ hoàn toàn khác nhau nên nước thải khác nhau về lưu lượng và tính chất[18]

1.2.1 Công nghệ sản xuất bột giấy và đặc tính của nước thải

gỗ thành xơ sợi, hay nói cách khác là phá vỡ các liên kết trong cấu trúc của nguyên liệu mà thành phần chính của nó là cellulose (40 – 45%), hemicellulose (20 – 30%),

là các hợp chất cao phân tử (polyme), được bao bọc xung quanh bởi lignin (20 – 30%) và các chất trích ly (chất keo nhựa) (2 – 15%)[27]

 Công nghệ bột hóa học

Bản chất của công nghệ bột hóa: sử dụng hóa chất để hòa tan các thành phần không phải sợi cellulose trong nguyên liệu[18] Các dăm gỗ được nấu với những dinh dịch hóa chất thích hợp ở nhiệt độ cao và áp suất cao với mục đích tách lignin

ra khỏi gỗ, thu hồi cellulose và hemicellulose Quy trình làm giảm và phân hủy một

VŨ THỊ DINH 6

phần cellulose và hemicellulose, tuy nhiên có khả năng loại bỏ lignin khá triệt để và sản phẩm giấy có độ bền tương đối cao [3] Hai công nghệ bột hóa chính:

Công nghệ Kraft: là công nghệ nấu bột bằng kiềm (hỗn hợp NaOH và

Na2S) có chức năng hòa tan lignin và hemicellulose để giải phóng sợi cellulose Nước thải - dịch nấu chứa hóa chất nấu và các hợp chất tự nhiên có trong gỗ, nhiều nhất là lignin, chứa nhiều kiềm (pH cao) và có mùi đặc trưng của các hợp chất lưu huỳnh, chỉ số COD và độ màu (do lignin) rất cao Đây là công nghệ phổ biến nhất trên thế giới và các nhà máy hiện đại ở Việt Nam Nước, năng lượng và hóa chất được tuần hoàn tối đa trong quá trình sản xuất

Hình 1 2: Sơ đồ công nghệ Kraft, các nguồn thải và tác nhân gây ô nhiễm[18]

Nguyên liệu (mảnh gỗ, tre) qua các công đoạn nấu, sàng (loại bỏ mấu, mảnh chưa chín), rửa, tẩy bằng oxygen, rửa trước khi sang công đoạn tẩy trắng bằng hóa chất Nước sạch hầu như chỉ sử dụng để rửa bột ở công đoạn cuối của quá trình nấu bột, sau đó đi ngược dòng để rửa bột thô, dịch thải ở đây có nồng độ hóa chất và chất hữu cơ rất cao và có màu đen nên được gọi là dịch đen

lò thu hồi để khử SO42- thành S2-, phần hữu cơ cháy sinh ra nhiệt dùng để sản xuất

VŨ THỊ DINH 7

hơi thu hồi hóa chất vừa đóng vai trò thu hồi 95% hóa chất nấu bột vừa đóng vai trò

xử lý trên 90% chất ô nhiễm của toàn nhà máy bột Hiện nay ở Việt Nam, chỉ có Công ty giấy Bãi Bằng (nay là Tổng công ty giấy Việt Nam) và Công ty giấy An Hòa có hệ thống cô-đốt dịch đen và thu hồi hóa chất [18]

Công nghệ sunphit: quy trình tương tự như công nghệ Kraft, tuy nhiên sử

có độ trắng cao hơn nhưng ảnh hưởng đến độ bền của sợi cellulose hơn công nghệ Kraft[18]

 Công nghệ sản xuất bột hóa nhiệt cơ

Hình 1 3: Sơ đồ công nghệ sản xuất bột hóa nhiệt cơ[18]

Gỗ nguyên liệuChặt mảnh

Bột giấy

Sàng, rửa mảnhThẩm thấu hóa chấtNghiền thô, ép vítTẩy trắngNghiền tinhLàm sạchSấy

VŨ THỊ DINH 8

Công nghệ này là sự kết hợp giữa cơ, nhiệt và hóa học Gỗ được làm mềm bằng biện pháp thẩm thấu hóa chất ở nhiệt độ cao (trung bình 80 - 90oC), sau đónguyên liệu chuyển sang nghiền cơ học và tẩy trắng bằng hóa chất.Phương pháp

có hiệu quả thu hồi bột giấy cao khoảng 75 - 85% nhưng tiêu tốn nhiều năng lượng hơn và không loại bỏ hết lignin vàchất lượng giấy không cao [3] Nước thải của quá trình gồm các nguồn chính: Dịch tẩy trắng chứa nhiều hóa chất tẩy và COD; Nước

từ máy làm khô bột; Dịch ngưng từ lò nấu, lò đốt thu hồi và dịch đen chảy tràn[18]

Nước thải của các nhà máy sản xuất bột giấy thường đậm đặc và khó xử lý, nhất là dịch đen, lượng kiềm dư có thể lên tới 20 g/l, COD dao động ở mức hàng chụcngàn tới 100.000 mg/l[18] Tại các nhà máy mà bột giấy được tẩy trắng, công đoạn tẩylà công đoạn gây ô nhiễm nhiều nhất Nước thải từ công đoạn tẩy chiếm 50-75% tổng lượng nước thải và chiếm 80-95% tổng lượng dòng thải ô nhiễm [3] Trong quá trình sản xuất bột giấy có những công đoạn cần gia nhiệt và sử dụng kiềm hoặc axit (ví dụ: nấu nguyên liệu,…) do đó nước thải có nhiệt độ dao động từ

35oC – 90oC, pH từ 5,2 – 6,5[27]

 Công nghệ sản xuất bột giấy tái chế

Tùy thuộc vào nguồn gốc nguyên liệu và yêu cầu sản phẩm chia quy trình sản xuất bột tái chế thành2 loại:

- Công nghệ tái chế nguyên liệu từ hộp, bìa carton: Bột sau khi tách bỏ tạp chất, phân loại xơ sợi, bột giấy sẽ được sử dụng cho sản xuất giấy bao gói, hòm hộp công nghiệp

- Công nghệ tái sinh giấy loại qua in (ví dụ: báo): thường có thêm công đoạn tách mực bằng kiềm Sau khi tiến hành sàng sơ bộ, dịch nhuyễn chứa xơ được đưa qua các bể tuyển nổi, mực nổi trên mặt bể và đẩy đi nhờ dòng khí sục từ đáy bể hoặc sau khi sàng sơ bộ, các xơ thô từ máy nghiền sẽ được xử lý bằng các bước rửa liên tiếp, qua đó mực và các tạp chất khác sẽ được loại bỏ qua phần nước lọc Sau

đó, bột giấy được tẩy trắng bằng hydro peoxit hoặc muối hydrosulphit[18] Bột giấy tái chế sẽ được sử dụng một phần cho quá trình sản xuất giấy in báo, giấy in, giấy viết, giấy in tạp chí, …

VŨ THỊ DINH 9

Hình 1 4: Sơ đồ công nghệ sản xuất bột giấy từ giấy thải [3]

Giấy loại được nghiền bằng máy nghiền thuỷ lực, sau đó giấy được trộn với nước thành một hỗn hợp đồng nhất Các chất bẩn nặng như cát và đá sẽ được loại

bỏ nhờ quá trình di chuyển dịch chứa các chất lơ lửng qua các sàng đãi Tại đây, kim loại nặng sẽ lắng xuống và được định kỳ loại khỏi hệ thống Bột từ nghiền thuỷ lực được làm sạch trong thiết bị làm sạch nồng độ cao, tiếp theo sử dụng máy phân tách turbo dùng để phân riêng các chất bẩn nặng nhẹ tương ứng Sau khi qua sàng,

Hộp phân tách

Làm đặcLọc tinh khiết

Phần tách loạiNước

trắng

VŨ THỊ DINH 10

bột được chuyển đến thiết bị rửa ly tâm, cát sẽ được tách ra nhờ lực ly tâm Sau đó, bột giấy được chuyển đến thiết bị làm đặc Tại đây, nước sẽ được tách bớt và bột giấy đặc hơn Bột giấy sau làm đặc sẽ được chuyển qua thiết bị lọc tinh để bột đạt tới độ mịn yêu cầu, rồi tới một bể chứa [3]

Trong công nghệ sản xuất bột giấy tái chế thành phần nước thải chủ yếu là mực in, chất độn (trong giấy có khoảng 30% là chất độn như là: bột đá, tinh bột, chất trợ in…) và các kim loại nặng (có trong mực in như chì …)[18]

Thành phần nước thải của các nhà máy giấy tái chế gần giống với nước thải nhà máy giấy hơn Tuy nhiên, độ ô nhiễm của chúng cao hơn vì có quá trình tái sinh

cao Mức độ ô nhiễm của nước thải phụ thuộc vào loại hóa chất tẩy sử dụng, tẩy trắng tốt nhất và phổ biến nhất vẫn là clo hoặc các hợp chất clo (nước javen hay hypoclozo), các nhà máy hiện đại sử dụng clo dioxit Oxy, ôzôn cũng như hyđroperoxit cũng được sử dụng, tuy nhiên hiệu quả tẩy trắng không bằng clo[18]

Bảng 1 1: Chất lượng nước thải của một số nhà máy giấy và bột giấy[18]

Sản phẩm giấy vệ sinh Sản phẩm giấy bao bì

VŨ THỊ DINH 11

Hiện nay, hầu hết các nhà máy sản xuất giấyđều sử dụng công nghệ xeo giấy trong môi trường kiềm tính (trừ các nhà máy sản xuất giấy bao bì sử dụng công nghệ xeo giấy trong môi trường axit), nhờ vậy chất lượng sản phẩm được nâng lên, tiết kiệm được nguyên vật liệu [6]

Hình 1 5: Sơ đồ công nghệ sản xuất giấy từ bột giấy [10]

Từ nguyên liệu là bột giấy, giấy được sản xuất trên máy xeo giấy, bao gồm các công đoạn: đánh rã, nghiền, phối chế, xeo giấy, cắt cuộn, và giấy thành phẩm[18] Trước khi đưa vào máy xeo, bột được nghiền nhỏ để làm đồng đều và mềm mại, sau đó bột được phối trộn với phụ gia như: bột đá, tinh bột, cationic, keo AKD và một số chất khác với tỷ lệ nhất định rồi bơm lên hòm phun bột của máy xeo Từ đây bột được phun lên lưới hình thành tờ giấy ướt, sau đó được tách nước, sang hệ thống hộp sấy, gia keo bề mặt, (có hoặc không) làm nhẵn bề mặt rồi được chuyển

Cắt cuộn

Sợi các chất bẩn hòa tan

Hơi nước từ

lò hơi

Các hợp chất có trong giấy cũ

VŨ THỊ DINH 12

sang bộ phận hộp quang, cuộn, cắt khổ và chuyển đến bộ phận bao gói và gia công [10]

Các hóa chất thường sử dụng như sau:

- Nhóm keo:có tác dụng làm tăng khả năng chống thấm chất lỏng (nước) của

giấy Ví dụ: keo nhựa thông, nhựa thông biến tính, …

- Nhóm chất độn: Là những chất trộn lẫn vào trong bột giấy, nó vừa có vai trò

thay thế bớt lượng xơ sợi trong giấy đồng thời tăng độ nhẵn, độ đục, độ đồng đều

- Nhóm phụ gia, phẩm màu: Là những chất cho vào hỗn hợp bột giấy làm cho

giấy có chất lượng cao hơn, tăng một số tính chất thẩm mỹ như màu, độ bóng láng, giảm giá thành sản phẩm Tỷ lệ của nhóm chất này chiếm một lượng nhỏ trong giấy Ví dụ: polyacrylamit, tinh bột cation, chất tăng độ trắng, chất khử bọt [26]

Giấy, bìa có thể được sản xuất từ bột giấy mới hoặc bột giấy tái sinh hoặc hỗn hợp, tẩy trắng hoặc chưa tẩy trắng Quá trình sản xuất giấy chủ yếu là “xeo”, khi đó huyền phù bột giấy sẽ được trộn với các chất độn, các phụ gia chức năng như

gia hữu cơ khác như tinh bột biến tính, latex, các chất phân tán, hoạtđộng bề mặt

… Hỗn hợp được phun lên băng máy xeo để ép thành “tờ” giấy, qua bộ phận sấy khô, cuộn lại thành sản phẩm [10]

Hình 1 6: Sơ đồ hệ thống tuần hoàn nước trong quá trình xeo giấy [11]

VŨ THỊ DINH 13

Nước thải từ nhà máy giấy (không sản xuất bột) khá sạch, chủ yếu là nước thải từ khâu xeo giấy, tạp chất cơ bản là cặn lơ lửng (thường là xơ sợi giấy, bột độn, bột màu, phụ gia…), thành phần chất hữu cơ thường không quá cao, BOD5 của nước xeo thường dao động từ 150-350 mg/l[18] Tuy nhiên, do sử dụng nhiều phụ gia vô cơ, nước thải của nhà máy giấy thường đụchơn nhiều so với nước thải nấu bột Trong phần lớn các nhà máy giấy, nướcthải thường được xử lý sơ bộ bằng các thiết bị tách cặn, thu hồi bột và nước,vì vậy chất lượng nước thải phụ thuộc rất nhiều vào mức độ tuần hoàn tái sửdụng nước, nước thải sẽ có độ đậm đặc cao hơn nếu tái sử dụng nhiều hơn [11]

1.3 Công nghệ xử lý nước thải nhà máy giấy

Xử lý nước thải của nhà máy sản xuất bột giấy được chia làm hai loại dựa vào nguồn nguyên liệu sử dụng:

Nguồn nguyên liệu thô từ rừng/gỗ mềm: Công nghệ xử lý nước thải được

áp dụng phổ biến là quá trình hoá lý (keo tụ/tạo bông), sinh học (hiếu khí, và yếm khí kết hợp hiếu khí) và xử lý bậc ba với quá trình keo tụ/tạo bông hay quá trình oxy hóa (ozon hay fenton) để đạt quy chuẩn xả thải QCVN: 12/2008 cột B hay A

Nguồn nguyên liệu thô là giấy thải: Công đoạn ban đầu của hệ thống xử lý

được áp dụng là tách bột giấy khỏi nước thải với mục đích tái sử dụng nước thải và thu hồi bột giấy Đối với những nhà máy có công suất lớn và vừa, sàng nghiêng (lọc) được áp dụng để thu hồi bột giấy Tiếp theo quá trình tách bột giấy là quá trình tuyển nổi áp lực khí hoà tan kết hợp keo tụ hay keo tụ/tạo bông và lắng để tách triệt

để phần bột giấy trong nước thải Sau quá trình hoá lý là công đoạn xử lý sinh học bao gồm kỵ khí kết hợp hiếu khí hay chỉ có quá trình hiếu khí được áp dụng Quá trình sinh học hiếu khí được áp dụng là bùn hoạt tính lơ lửng hiếu khí và bùn hoạt tính với vật liệu dính bám Để xử lý nước thải đạt cột A của QCVN12:2008/BTNMT, một số hệ thống xử lý đã áp dụng thêm công đoạn hóa lý sau quá trình sinh học hiếu khí và lọc áp lực nhằm xử lý triệt để các chất ô nhiễm Đối với các nhà máy công suất nhỏ quá trình lắng (trọng lực) thường được áp dụng

để thu hồi bột giấy Các quá trình xử lý được áp dụng sau đó là keo tụ/tạo bông và

Công nghệ xử lý nước thải bao gồm các giai đoạn sau[18]:

1.3.1 Tiền xử lý

thu gom và qua hệ thống sàng để giữ lại các chất rắn có kích thước lớn rồi tập trung

ở bể thu gom nước thải Từ bể thu gom, nước thải sẽ được bơm lên hệ thống sàng hoặc lưới lọc để thu hồi sơ sợi có trong nước thải Nước sau khi sàng, lọc sẽ được đưa sang bể chứa trung gian hoặc bể cân bằng (bể điều hòa) và tháp giải nhiệt trước khi đưa sang xử lý cấp 1

1.3.2 Xử lý bậc 1

Phương pháp phổ biến được áp dụng là phương pháp lắng và phương pháp tuyển nổi, hoặc kết hợp cả phương pháp lắng và phương pháp tuyển nổi Ngoài ra

có nhiều phương pháp xử lý lý – hóa khác nhưng ít được áp dụng hơn

Phương pháp lắng: Chất rắn lắng xuống nhờ trọng lực Thông số quan

trọng của phương pháp lắng là tải trọng bề mặt (lưu lượng trên một đơn vị bề mặt lắng theo thời gian (giờ)).Bể lắng thường có chiều cao khoảng 3 - 5 m và thời gian lưu khoảng 6 - 12 giờ Đường kính của bể lắng hình tròn không nên lớn hơn 50 m

và chiều rộng của bể lắng hình chữ nhật không nên lớn hơn 30 m, để giảm nguy cơ

bị xáo trộn do gió và phá vỡ dòng chảy Hiệu quả lắng được tăng cường bằng cách

bổ sung các chất keo tụ và tạo bông Các chất rắn lắng xuống tạo thành bùn và được lấy ra bằng các thiết bị nạo bùn hoặc bằng các bơm hút

Phương pháp tuyển nổi: Lượng lớn bọt khí được đưa vào nước thải Các

bọt khí nhờ sức căng bề mặt hút dính các chất huyền phù rắn, tạo nên các khối có tỷ

VŨ THỊ DINH 15

trọng nhỏ hơn nước, nhờ vậy khối chất này nổi lên trên mặt nước và được tách đi Mặt khác, bọt khí cung cấp oxy cho các chất ô nhiễm hòa tan trong nước thải (COD, BOD5), thực hiện quá trình ion hóa Kết quả giảm lượng TSS,COD và

oxy khuếch tán vào nước của bọt khí, tốc độ chuyển động của nước, diện tích bề mặt và chiều cao của bể tuyển nổi.Tùy thuộc vào công nghệ và thiết bị tuyển nổi có

Phương pháp kết hợp lắng và tuyển nổi:

Các chất keo tụ, tạo bông và bọt khí được đưa vào bể xử lý Bọt khí thường lớn hơn, có tác dụng làm vật mang chất rắn lơ lửng lên trên mặt nước và cung cấp oxy cho nước trong bể Ở phương pháp này, bùn nổi được cơ cấu hút bùn lấy đi chuyển vào bể chứa bùn, còn bùn chìm dưới đáy được các thiết bị nạo vét bùn lấy đi đưa vào bể chứa

1.3.3 Xử lý bậc 2

Các vi sinh vật tự nhiên dùng chất hữu cơ trong nước thải để làm thức ăn sinh trưởng và tạo ra tế bào mới (oxy hóa các chất hữu cơ, tổng hợp tế bào mới, phân hủy nội bào) Một số vi sinh vật bị tách ra dưới dạng bùn Quá trình này có thể

là hiếu khí hoặc yếm khí hoặc xử lý yếm khí tiếp nối xử lý hiếu khí vì cả hai cách

xử lý này bổ sung cho nhau Khi nồng độ của chất hữu cơ cao, sử dụng kết hợp quá trình yếm khí và hiếu khí hay quá trình xử lý hiếu khí kéo dài.Hoạt động sinh học phụ thuộc vào các thông số như loại tạp chất hữu cơ, hàm lượng chất dinh dưỡng, nhiệt độ, pH và sự có mặt của các chất độc hại với vi sinh vật

Quá trình xử lý cấp 2 có thể được cải thiện bằng việc bổ sung các chất dinh dưỡng Các nguyên tố photpho (P) và nitơ (N) được cho vào để tăng hoạt tính của

vi khuẩn ở dạng các hợp chất amoni photphat, amoni nitrat, ure, axit photphoric, phân đạm Thường các hệ thống hiếu khí và yếm khí hoạt động ở khoảng nhiệt độ

20 – 40oC vì ở nhiệt độ cao hơn thì khả năng lắng của bùn kém

VŨ THỊ DINH 16

1.3.4 Xử lý bậc 3

- Quá trình keo tụ/tạo bông, lắng và khử trùng (bể tiếp xúc);

- Quá trình keo tụ, tuyển nổi và khử trùng;

- Ngoài ra có thể áp dụng oxi hóa để xử lý độ màu

1.4 Các giải pháp công nghệ vi sinh ứng dụng xử lý nước thải

Cơ sở của phương pháp xử lý sinh học dựa trên hoạt động sống của vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ gây nhiễm bẩn trong nước thải Các vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ và một số khoáng chất làm nguồn dinh dưỡng và năng lượng Trong quá trình sinh trưởng, vi sinh vật nhận các chất dinh dưỡng để xây dựng tế bào và phát triển nên sinh khối của chúng được tăng lên, sinh khối này dễ dàng loại

ra khỏi môi trường nước thải, khi tách phân ly bùn hoạt tính Nước thải xử lý bằng

các phương pháp sinh học dựa trên cơ sở khác nhau, song có thể chia chúng thành hai loại chính:

- Phương pháp hiếu khí: Phương pháp sử dụng nhóm vi sinh vật hiếu khí, cần cung cấp oxy liên tục và duy trì nhiệt độ trong khoảng 20 oC - 40oC

- Phương pháp yếm khí: Phương pháp sử dụng các vi sinh vật yếm khí [11]

1.4.1 Phương pháp yếm khí

1.4.1.1 Nguyên tắc chung xử lý yếm khí

Xử lý sinh học yếm khí là quá trình xử lý không có oxy, sản phẩm cuối cùng của quá trình lên men là cồn, các axit, axeton, H2, CH4, và CO2 Phương pháp xử lý dựa trên quá trình lên men khí metan, gồm 2 pha:

- Pha axit: vi khuẩn tạo axit (vi khuẩn tùy tiện, vi khuẩn yếm khí) hóa lỏng các chất hữu cơ rắn, sau đó lên men các chất hữu cơ phức tạp thành các axit bậc thấp như axit béo, cồn, axit amin, amoniac, glyxerin, axeton, dihydrosunfua,

CO2, H2

và CO2

VŨ THỊ DINH 17

Phản ứng chính tạo thành metan diễn ra như sau:

CO2 + 4H2A  CH4 + 4A + H2O (trong đó H2A là chất hữu cơ chứa hydro) Cũng có thể xảy ra theo các phản ứng khác khi có và không có hydro:

khử SO42-thành H2S như sau:5AH2 + SO42-5A + H2S + 4H2O

Ngoài ra còn có quá trình nitrat hóa:6H2A + 2NO3- 6A + 6H2O + N2

1.4.1.2 Quá trình công nghệ xử lý yếm khí

Gồm 3 giai đoạn:

- Giai đoạn lỏng hóa nguyên liệu để vi khuẩn dễ sử dụng các chất dinh dưỡng;

- Giai đoạn tạo thành axit:

- Giai đoạn tạo thành metan

nước phần trên được rút ra đi xử lý tiếp

khí của quá trình được tích giữ ở két khí là nắp nổi của bể

1.4.1.3 Các yếu tố chính ảnh hưởng tới hiệu suất công nghệ xử lý yếm khí

Nhiệt độ: ảnh hưởng tới cường độ của quá trình Nhiệt độ tối ưu cho quá trình là 35oC, quá trình thực hiện ở điều kiện từ 30oC – 55oC, khi nhiệt độ dưới

Liều lượng nạp nguyên liệu (bùn) và mức độ khuấy trộn: Nguyên liệu nạp cho quá trình cần có hàm lượng chất rắn bằng 7 – 9% Tác dụng của khuấy trộn để phân bố đều dinh dưỡng và tạo điều kiện tiếp xúc tốt với các vi sinh vật và giải phóng sản phẩm ra hỏi hỗn hợp lỏng – rắn

pH: pH tối ưu cho quá trình dao động từ 6,5 – 7,5 Do lượng vi khuẩn tạo ra bao giờ cũng bị giảm trước khi quan sát thấy pH thay đổi, nên nếu pH giảm thì ngừng nạp nguyên liệu, do nếu tiếp tục nạp nguyên liệu thì hàm lượng axit tăng lên

sẽ gấy chết vi khuẩn tạo CH4

VŨ THỊ DINH 18

Ngoài ra, cần lưu ý đến ảnh hưởng của dòng vi khuẩn và thời gian lưu cần đủ

để đảm bảo hiệu suất khử các chất gây ô nhiễm và trong nguồn thải không chứa các chất độc như kim loại nặng Cu, Ni, Zn,…

1.4.2 Phương pháp xử lý sinh học hiếu khí

Tác nhân tham gia vào quá trình phân hủy các chất bẩn hữu có là vi khuẩn,

xạ khuẩn, nấm và một số sinh vật bậc thấp

1.4.2.2 Quy trình công nghệ xử lý hiếu khí

Quá trình phân huỷ hiếu khí hay chu kỳ sinh trưởng của các vi khuẩn trong

bể xử lý nước thải gồm 3 giai đoạn chủ yếu sau:

- Giai đoạn 1: Vận chuyển các chất gây ô nhiễm từ pha lỏng tới bề mặt của tế bào vi sinh vật do khuếch tán đối lưu vào phân tử

- Giai đoạn 2: Nhờ tác động của enzyme ngoại bảo của vi sinh vật các chất ô nhiễm được phân cắt, khuếch tán vào bên trong màng thế bào do sự chênh lệch nồng độ các chất trong và ngoài tế bào

- Giai đoạn 3: Quá trình chuyển hoá các chất ở trong tế bàovi sinh vật đã sản sinh ra năng lượng và tổng hợp nên các chất mới của tế bào, giúp cho các tế bào sinh trưởng và nhân lên

Các phản ứng hóa học diễn ra trong nguyên sinh chất của tế bào vi sinh vật:

- Oxi hoá các chất hữu cơ đáp ứng nhu cầu năng lượng của tế bào:

Hợp chất hữu cơ có chứa nitơ như protein sẽ oxy hóa thành các hợp chất hữu

cơ chứa nitơ và giải phóng NH3 hay NH4+, là nguồn dinh dưỡng được vi sinh vật sử

chuyển thành nitrit (NO2-) và vi khuẩn Nitrobacterchuyển từ nitrit thành nitrat

- Tự phân huỷ chất liệu tế bào:

C5H7NO2 + 5O2 VSV 5CO2 + 2H2O + NH3 + ATP

lượng vi khuẩn được sinh ra, do đó mật độ vi khuẩn trong bể giảm nhanh

1.4.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình xử lý hiếu khí

Nhiệt độ: Trong khoảng nhiệt độ tối ưu, tốc độ phản ứng oxy hóa tăng khi nhiệt độ tăng, nhiệt độ duy trì trong khoảng từ 20oC – 30oC Khi nhiệt độ tăng quá ngưỡng có thể làm vi khuẩn chết đi (có thể khắc phục bằng các chủng chịu nhiệt), ngoài ra nhiệt độ tăng gây giảm độ hòa tan oxy trong nước (khắc phục bằng cách sục khí) Khi nhiệt độ quá thấp, tốc độ xử lý giảm và quá trình thích nghi của vi sinh vật với môi trường chậm lại

lý, làm giảm sinh trưởng của bùn hoạt tính và giảm cường độ quá trình oxy hóa,

pH: pH tối ưu cho quá trình xử lý từ 6,5 đến 8,5

1.5 Vi sinh vật phân giải cellulose

1.5.1 Giới thiệu chung về vi sinh vật phân giải cellulose

Vi sinh vật phân giải cellulose khá phong phú, bao gồm: Nấm, xạ khuẩn và vi khuẩn [11] Hầu hết các vi khuẩn ứng dụng trong xử lý nước thải đều sử dụng chất hữu cơ để trao đổi chất (vi sinh vật dị dưỡng), nhưng có một số vi khuẩn khác lại sử dụng chất vô cơ (vi sinh vật tự dưỡng), do đó hai nhóm vi khuẩn này không có sự cạnh tranh về dinh dưỡng nên có thể cùng phát triển trong một môi trường[37]

Alternaria Actinomyces Acetobacter xylinum

Aspergillus ustus Micromonospora Achromobacter

Proactinomyces Cellvibrio fulvus

Aspergillus niger Streptopmyces

Cellulomonas biazotea

Fusarium

moniliforme

Thermomonospora fusca

Aerobacter, Brevibacterium, Algaligenes, Proteus, Spirillum Các giống vi khuẩn

dị dưỡng như: Bacillus, Lactobacillus, Pseudomonas, Algaligenes, Clostridium, Cytophaga, Micrococcus, Ruminococcus, Arthrobacter, Methylobacterium, Achromobacter, Spirochaeta Hệ vi khuẩn rất đa dạng, bao gồm cả vi khuẩn hiếu

khí, vi khuẩn kỵ khí và vi khuẩn hô hấp tùy tiện với đặc điểm sinh trưởng nhanh với

VŨ THỊ DINH 22

thời gian thế hệ ngắn Các chủng vi khuẩn này sẽ sử dụng cả các hợp chất cacbon hữu cơ, các hợp chất nitơ, các muối phosphat làm nguồn vật liệu để tăng sinh khối hay làm nguồn cung cấp năng lượng, qua đó làm giảm tải trọng ô nhiễm các cấu tử này cho môi trường

Vi sinh vật xử lý nước thải có 2 dạng sinh trưởng chính là sinh trưởng lơ lửng tạo bùn hoạt tính và sinh trưởng bám dính tạo màng sinh học [11]:

Vi sinh vật sinh trưởng trong các bông cặn bùn hoạt tính ở trạng thái lơ lửng trong các bể xử lý sinh học Các vi sinh vật này tạo thành bùn hoạt tính có vai trò phân huỷ các chất hữu cơ để xây dựng tế bào mới và tạo thành sản phẩm cuối cùng dạng khí Chúng sinh trưởng ở trạng thái lơ lửng và xáo trộn cùng với nước, cuối cùng các chất dinh dưỡng cạn kiệt, các bông cặn lắng thành bùn Bùn này được gọi

là bùn hoạt tính Bùn hoạt tính có dạng màu nâu, dễ lắng, có kích thước từ 3 µm – 5µm Những bông này gồm các vi sinh vật sống, động vật bậc thấp (giun, giòi, ) và chất rắn Hệ thống xử lý mới đưa vào hoạt động chưa có bùn hoạt tính, người ta phải tạo bùn hoạt tính Khi đó cần chú ý tới một số yếu tố ảnh hưởng đến sinh trưởng của vi sinh vật có trong bùn hoạt tính như nhiệt độ, pH, các nguyên tố có tính độc làm kìm hãm sinh trưởng của vi sinh vật, hàm lượng chất dinh dưỡng

Màng sinh học (sinh trưởng bám dính) ở bề mặt các hạt vật liệu lọc có dạng nhầy, dài 1 – 3 mm Màu của nó thay đổi theo thành phần nước, từ vàng xám đến nâu tối Các vi sinh vật phân huỷ các chất hữu cơ tạo thành màng dính bám hay gắn kết vào các vật liệu trơ như đá, xỉ, chất dẻo, Màng 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 oxi hoá chất hữu cơ có trong nước khi chảy qua hoặc tiếp xúc, ngoài ra màng này còn có khả năng hấp phụ các chất bẩn lơ lửng hoặc trứng giun sán,

1.5.2 Đặc điểm của loài Bacillus trong ứng dụng xử lý nước thải

Vi khuẩn Bacillus là trực khuẩn gram dương, có khả năng sinh bào tử, rất phổ biến trong tự nhiên [5] Bacillus có khả năng thích ứng cao với môi trường và

sinh ra nhiều loại enzyme ngoại bào trong đó có cellulase nên chúng được ứng dụng

trong nhiều lĩnh vực, trong đó có bảo vệ môi trường[40] Các vi khuẩn Bacillus

VŨ THỊ DINH 23

thường được ứng dụng trong xử lý nước thải là: B subtilis, B licheniformis, B megaterium, B polymyxa…

Sử dụng Bacillus trong sản xuất chế phẩm xử lý nước là hướng nghiên cứu

và ứng dụng đang được quan tâm hiện nay trong cả lĩnh vực xử lý nước thải công nghiệp, nước nuôi trồng thủy sản và nước thải sinh hoạt: Nguyễn Như Ngọc và

cộng sự (2016), đã phân lập được các chủng B.subtilis NT1, B.methylotrophycus BA1 và B.amyloquefaciens H12 xử lý tốt nước thải chế biến tính bột dong riềng với

hiệu suất xử lý COD đạt 94,3% [14].Huỳnh Văn Tiền và cộng sự (2015), sử dụng

chủng Bacillus aryabhattai KG12S xử lý nước thải chăn nuôi lợn [17].Ngô Tự Thành và cộng sự (2007), đã phân lập được 236 chủng Bacillus trong đó có các

chủng T20, TR6 và TH5 có tác dụng tốt trong xử lý nước thải sinh hoạt [16] Deng

và cộng sự (2003), sản xuất ra chế phẩm MBFA9 từ chủng B.mucilaginosusđể xử lý

nước thải, chủng nàyhoàn toàn không gây độc đối với môi trường, có khả năng loại

tạo chế phẩm, tỷ lệ TSS bị loại bỏ 85,5% và COD giảm tới 68,5% sau 5 phút xử lý[28]

Ứng dụng vi khuẩn Bacillus trong xử lý nước thải nhà máy giấycòn ít công

bố, tuy nhiên, với những ưu điểm như trên vàtính an toàn với con người và môi

trườngnên việc ứng dụng vi khuẩn Bacillus để xử lý các loại nước thải là có triển vọng Từ đó, hướng nghiên cứu của đề tài tập trung vào loài Bacillus có tiềm năng

lớn trong xử lý nước thải

1.6 Chế phẩm vi sinh trong công nghệ xử lý nước thải

Chế phẩm sinh học là sản phẩm của quá trình bổsung sinh khối vi sinh vật,

có thểbao gồm 1 chủng hoặc nhiều chủng trộn với chất mang, đưa vào hệ thống xử

lý đểcải thiện hiệu quả xử lý và giải quyết các sựcốbất ngờ về vi sinh của hệ thống Nhiều loại chất mang đã được nghiên cứu và sử dụng như: cao lanh, trấu, tro, khoáng sét, Chất mang có chức năng chính là vật liệu bám dính cho các tế bào vi sinh vật, tạo điều kiện cho quá trình lưu trữ và bảo quản Các chất mang khác nhau thì sự kết dính của chúng với vi sinh vật cũng khác nhau Hiện nay, cao lanh là chất

vi sinh vật Tuy nhiên, việc này sẽ làm tăng chi phí xử lý và không thể chắc chắn

về hiệu quả xử lý sau đó Do đó, cần phải dựa vào đặc tính nước thải và đặc tính của hệvi sinh vật để lựa chọn bổ sung các chủng vi sinh vật thích hợp

Vi sinh vật bổ sung vào chế phẩm cần phải đáp ứng: có thể thực hiện quá trình trao đổi chất sinh hóa các chất hữu cơ ô nhiễm khi có các chất ô nhiễm gây ức chếkhác, sinh trưởng mạnh mẽ và có sức cạnh tranh với các chủng vi sinh vật bản địa sau khi bổsung vào môi trường nước thải và phải tương thích với các chủng vi sinh vật cùng bổsung vào chế phẩm Ngoài ra, các chủng vi sinh vật này không được gây bệnh cho người và gây hại cho hệsinh thái [20] Do đó, mỗi chủng vi sinh vật cần được lựa chọn cẩn thận, phải trải qua khảo sát và thử nghiệm Có một cách hiệu quả để việc lựa chọn các chủng vi sinh vật trở nên dễ dàng hơn: Lựa chọn các chủng vi sinh vật bản địa ngay từnguồn ô nhiễm cần xử lý Các chủng này được phân lập từnguồn ô nhiễm, qua quá trình sàng lọc, tuyển chọn dựa trên các đặc tính phân hủy sinh học tốt nhất đáp ứng yêu cầu của từng hệ thống xử lý

VŨ THỊ DINH 25

Trong các hệ thống xử lý có bổ sung chế phẩm sinh học, để duy trì hiệu suất

xử lý, ngoài vấn đề lựa chọn được chủng vi sinh vật phù hợp, cần duy trì mật độ vi sinh vật trong chế phẩm Mật độ vi sinh vật phải duy trì ở mức đủ lớn để có được hiệu quả phân hủy sinh học các chất ô nhiễm trong nước thải tốt nhất

Trong những năm gần đây, đã có nhiều công trình nghiên cứu ứng dụng vi sinh vật vào xử lý nước thải, bước đầu đã thu được kết quả đáng khích lệ, một số chế phẩm sinh học đang được sử dụng như:

Chế phẩm Biomidoli 2 phân giải cellulose của công ty TNHH Midoli Thành

spp với mật độ107 CFU/g

Chế phẩm Bioproduct I được sản xuất từ một nhóm vi khuẩn Bacillus phân

lập từ nước hồ, có tác dụng làm sạch nước hồ bị ô nhiễm[7]

Chế phẩm TN2D do nhóm tác giả Võ Văn Nhân và cộng sự nghiên cứu với

thành phần: Bacillus subtilis (1012 CFU/g), Nitrosomonas spp (1011 CFU/g),

Nitrobacterspp (1011CFU/g), Saccharomyces (1012CFU/g), vi khuẩn phân giải lân (1012 CFU/g), sử dụng xử lý nước thải chế biến thủy sản [12]

Thực tế cho thấy, phần lớn các chế phẩm vi sinh xử lý nước thải có thành

phần vi khuẩn Bacillus

VŨ THỊ DINH 26

Chương 2 - VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Đối tượng nghiên cứu

Nước thải sử dụng trong quá trình nghiên cứu là nước thải lấy tại các bể cân bằng, bể vi sinh, bể lắng của hệ thống xử lý nước thải nhà máy giấy An Hòa thuộc thôn An Hòa, xã Vĩnh Lợi, huyện Sơn Dương, tỉnh Tuyên Quang và nước thải chưa qua xử lý của cụm công nghiệp giấy Phú Lâm thuộc thôn Tam Tảo, xã Phú Lâm, huyện Tiên Du, tỉnh Bắc Ninh

Mẫu nước thải được bảo quản ở 2oC – 4oC trong quá trình nghiên cứu

2.2 Thiết bị, dụng cụ và hóa chất

2.2.1 Thiết bị và dụng cụ

Thiết bị và dụng cụ được sử dụng trong quá trình nghiên cứu là của Viện Công nghệ sinh học và Công nghệ thực phẩm – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

và phòng Thử nghiệm 1 – Công ty cổ phần Chứng nhận và Giám định VinaCert: Tủ

cấy ESCO (Indonesia), tủ sấy Binder (Đức), nồi hấp Sturdy (Đài Loan), nồi hấp Hirayama (Nhật Bản), tủ ấm LabTech (Hàn Quốc), tủ ấm Memmert (Đức), tủ ấm lạnh Memmert (Đức), bể ổn nhiệt (Đức), máy quang phổ tử ngoại khả biến UV-VIS (Mỹ), máy lắc (Đài Loan), máy ly tâm lạnh (Đức), cân phân tích KERN (Đức),…

2.2.2 Hóa chấtvà môi trường

 Hóa chấtvà môi trường

Hóa chất và thuốc thử sử dụng trong quá trình nghiên cứu bao gồm:

Merck: Cao thịt, K2HPO4, KH2PO4, (NH4)2SO4, CaCl2, NaCl, agar, lugol, bộ nhuộm Gram, KOH, 1-Naphthol;MR-VP broth; blood agar…

Himedia: Peptone, cao nấm men, cellulose, D(+) xylose, D - lactose, ONPG, thuốc thử Kovacs', creatin;triple sugar iron agar (TSI); ure agar; lysine decarboxylase (LDC); ornithine decacboxylase (ODC); arginine dihydrolase (ADH); tryptophan; carbohydrateconsumption broth (CCB);simmons citrat agar…

pH = 6,0 ± 0,2

Môi trường thử sinh hóa:

MR-VP broth: Pepton 7 g/l, glucose 5 g/l, K2HPO4 5 g/l, pH = 6,9 ± 0,2 Blood agar: Pepton 20 g/l; NaCl 5 g/l, agar 15 g/l,pH = 7,3 ± 0,2

TSI: Cao thịt 3 g/l, cao nấm men 3 g/l, pepton 20 g/l, NaCl 5 g/l, lactose 10 g/l, sucrose 10 g/l, glucoes 1 g/l, Sắt (III) xitrat 0,2 g/l, Natri thiosulphat 0,3 g/l, Phenol đỏ 0,024 g/l, agar 12 g/l, pH = 7,4 ± 0,2

Ure agar: Pepton 1 g/l, glucose 1 g/l, NaCl 5 g/l, KH2PO4 2 g/l, phenol đỏ 0,012 g/l, agar 15 g/l, pH = 6,8 ± 0,2

LDC: L-Lyzin monohydroclorua 5 g/l, cao nấm men 3 g/l, glucose 1 g/l, bromocresol đỏ tía 0,015 g/l, pH = 6,8 ± 0,2

ODC: L-Ornithin monohydroclorua 5 g/l, cao nấm men 3 g/l, glucose 1 g/l, bromocresol đỏ tía 0,015 g/l, NaCl 10 g/l, pH = 6,8 ± 0,2

ADH: L-Arginin monohydro clorua 5 g/l, cao nấm men 3 g/l, glucose 1 g/l, bromocresol đỏ tía 0,015 g/l, NaCl 10 g/l, pH = 6,8 ± 0,2

Tryptophan: Trypton 10 g/l, NaCl 5 g/l, DL-Tryptophan 1 g/l, pH = 7,5 ± 0,2

Carbohydrate consumption broth: Pepton 10 g/l, NaCl g/l, cao thịt 1 g/l, bromocresol tím 0,1 g/l, pH = 6,8 ± 0,2

VŨ THỊ DINH 28

Simmons Citrat Agar: MgSO4 0,2 g/l, NH4H2PO4 1 g/l, K2PO4 1 g/l, NaCl 5 g/l, Na3C6H5O7 1 g/l, Bromothymol xanh 0,08 g/l, agar 15 g/l, pH = 6,8 ± 0,2

2.3 Phương pháp nghiên cứu

2.3.1 Phương phân tích xác định các thông số chất lượng nước thải

2.3.1.1 Xác định pH

hành hiệu chuẩn đầu điện cựcbằng các dung dịch đệm hiệu chuẩn, trước mỗi lần thực hiện cần vệ sinh đầu điện cực và đầu dò nhiệt độ bằng nước cất hoặc nước đã

loại ion[23]

2.3.1.2 Xác định COD

thêm 3 ml dung dịch H2SO4 - Ag2SO4, đậy kín và lắc đều

thị Feroin và tiến hành chuẩn độ lượng dư dicromat trong mẫu bằng muối Mohr ((NH4)2Fe(SO4)2.6H2O) nồng độ 0,12 mol/l

đỏ gạch Ghi lại thể tích muối Mohr tiêu tốn

COD = 8000c.(V1−V2)V0

Trong đó:

c là nồng độ của sắt (II) amoni sunfat, mol/l;

V0 là thể tích của phần mẫu thử, ml;

V1 là thể tích sắt (II) amoni sunfat sử dụng khi chuẩn độ mẫu trắng, ml;

V2 là thể tích sắt (II) amoni sunfat sử dụng khi chuẩn độ mẫu thử, ml;

8000 là khối lượng mol của ½ O2, tính bằng mg/l [22]

VŨ THỊ DINH 29

2.3.1.3 Hàm lượng các chất rắn lơ lửng

Sấy giấy lọc ở 105oC, trong 1 giờ, cân và ghi khối lượng cân của giấy lọc sau khi sấy

Để mẫu đạt nhiệt độ phòng, lắc đều để đồng nhất mẫu

Sau khi mẫu đã đồng nhất, lấy 20 ml mẫu lọc qua giấy lọc, tráng ống đong bằng 20 ml nước cất và dùng lượng nước này để rửa giấy lọc

khối lượng giấy lọc

Hàm lượng chất rắn lơ lửng (TSS), tính theo công thức:

V

a b

Trong đó:

p (TSS): hàm lượng chất rắn lơ lửng, mg/l;

b:khối lượng giấy lọc sau khi lọc, mg;

a: khối lượng giấy lọc trước khi lọc, mg;

V: thể tích mẫu, ml[24]

2.3.1.4 Chỉ số thể tích bùn

Sau đó lấy 1 lít nước đó đi xác định TSS và được tính như sau:

1000: Hệ số quy đổi miligam ra gam[32]

2.3.2 Phương pháp phân lập các chủng vi khuẩn

Từ các mẫu nước thải, lấy 50ml cho vào bình tam giác 250ml chứa 50ml môi