Nghiên cứu áp dụng công nghệ vi sinh vật để xử lý chất thải làng nghề sản xuất tinh bột dong riềng và miến dong (LA tiến sĩ)

Nghiên cứu áp dụng công nghệ vi sinh vật để xử lý chất thải làng nghề sản xuất tinh bột dong riềng và miến dong (LA tiến sĩ)Nghiên cứu áp dụng công nghệ vi sinh vật để xử lý chất thải làng nghề sản xuất tinh bột dong riềng và miến dong (LA tiến sĩ)Nghiên cứu áp dụng công nghệ vi sinh vật để xử lý chất thải làng nghề sản xuất tinh bột dong riềng và miến dong (LA tiến sĩ)Nghiên cứu áp dụng công nghệ vi sinh vật để xử lý chất thải làng nghề sản xuất tinh bột dong riềng và miến dong (LA tiến sĩ)Nghiên cứu áp dụng công nghệ vi sinh vật để xử lý chất thải làng nghề sản xuất tinh bột dong riềng và miến dong (LA tiến sĩ)Nghiên cứu áp dụng công nghệ vi sinh vật để xử lý chất thải làng nghề sản xuất tinh bột dong riềng và miến dong (LA tiến sĩ)Nghiên cứu áp dụng công nghệ vi sinh vật để xử lý chất thải làng nghề sản xuất tinh bột dong riềng và miến dong (LA tiến sĩ)Nghiên cứu áp dụng công nghệ vi sinh vật để xử lý chất thải làng nghề sản xuất tinh bột dong riềng và miến dong (LA tiến sĩ)Nghiên cứu áp dụng công nghệ vi sinh vật để xử lý chất thải làng nghề sản xuất tinh bột dong riềng và miến dong (LA tiến sĩ)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ SINH HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC GS.TS Nguyễn Văn Cách

Hà Nội – 2017

LỜI CAM ÐOAN

Tôi xin cam đoan: Toàn bộ nội dung đƣợc công bố trong luận án này là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân tôi

Các số liệu và kết quả nghiên cứu đƣợc trình bày trong luận án này là hoàn toàn trung thực và chƣa từng đƣợc công bố trong bất cứ công trình nào, ngoài những bài báo và tài liệu tham khảo đã công bố trong luận án

Tôi xin chịu trách nhiệm về toàn bộ nội dung nghiên cứu của Luận án này

Hà Nội, ngày tháng năm 2017

LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới GS TS Nguyễn Văn Cách, người thầy đã định hướng khoa học, hướng dẫn và giúp đỡ tận

tình, tạo điều kiện tốt nhất trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu để tôi có thể hoàn thành luận án này

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới những sự giúp đỡ, chỉ bảo tận

tình của PGS TS Trần Liên Hà cùng những đóng góp ý kiến quý báu của các nhà

khoa học cho tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án

Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy giáo, cô giáo Viện Công nghệ sinh học và Công nghệ thực phẩm, Viện Đào tạo sau Đại học - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập cũng như thực hiện công trình này

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô 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 với những góp ý thiết thực trong suốt quá trình tôi làm luận án

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới trường Đại Học Lâm Nghiệp, cơ quan

đã tạo điều kiện thuận lợi để tôi có thể tham gia học tập và hoàn thành luận án này

Cuối cùng, tôi xin được gửi lời cảm ơn đặc biệt tới người thân trong gia đình tôi và bạn bè, đồng nghiệp đã luôn bên cạnh, chia sẻ những khó khăn và luôn cổ vũ, động viên để tôi hoàn thành luận án

Hà Nội, ngày tháng năm 2017

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Như Ngọc

MỤC LỤC

LỜI CAM ÐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC……… iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT……… vi

DANH MỤC BẢNG……….vi

DANH MỤC HÌNH ix

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu của luận án 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

4 Nội dung nghiên cứu 3

4.1 Xử lý nước thải 3

4.2 Xử lý bã thải 3

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3

6 Kết quả khoa học đạt được và đóng góp mới của luận án 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 5

1.1 Thực trạng nguyên liệu, quy trình sản xuất và môi trường làng nghề sản xuất tinh bột dong riềng miến dong 5

1.1.1 Nguồn nguyên liệu sản xuất 5

1.1.2 Công nghệ sản xuất tinh bột dong riềng và miến dong 7

1.1.3 Ô nhiễm môi trường làng nghề sản xuất tinh bột dong riềng 9

1.2 Thành phần đặc tính chất thải ngành sản xuất tinh bột 12

1.2.1 Trên thế giới 13

1.2.2 Ở Việt Nam 14

1.3 Giải pháp công nghệ xử lý chất thải ngành sản xuất tinh bột 17

1.3.1 Cơ sở khoa học của giải pháp sinh học xử lý nước thải 17

1.3.2 Vai trò và ứng dụng chế phẩm vi sinh vật trong xử lý nước thải 28

1.3.3 Các giải pháp công nghệ xử lý chất thải sản xuất tinh bột 30

1.4 Phân tích lựa chọn giải pháp công nghệ để xử lý chất thải làng nghề chế biến tinh bột dong riềng và miến dong 38

1.4.1 Xử lý nước thải làng nghề sản xuất tinh bột dong riềng 39

1.4.2 Ứng dụng bã thải dong riềng để sản xuất các sản phẩm có giá trị khác 40

CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 42

2.1 Đối tượng và vật liệu nghiên cứu 42

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 42

2.1.2 Vật liệu và hóa chất nghiên cứu 42

2.2 Phương pháp nghiên cứu 43

2.2.1 Phương pháp lấy mẫu, bảo quản và xử lý mẫu 43

2.2.2 Phương pháp phân tích các thông số nước thải 43

2.2.3 Phương pháp phân lập, tuyển chọn, định danh vi sinh vật 46

2.2.5 Phương pháp khảo sát và tối ưu các thông số nuôi cấy để thu sinh khối các chủng vi sinh vật 49

2.2.6 Phương pháp tạo chế phẩm vi sinh vật 51

2.2.7 Xử lý nước thải làng nghề với chế phẩm vi sinh vật bản địa tạo thành 52

2.2.8 Ứng dụng bã thải để nuôi trồng nấm ăn 54

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 56

3.1 Đặc tính nước thải làng nghề sản xuất tinh bột dong riềng 56

3.2 Phân lập và tuyển chọn chủng vi khuẩn bản địa có đặc tính thích ứng để xử lý nước thải làng nghề sản xuất tinh bột dong riềng 57

3.2.1 Phân lập và tuyển chọn các chủng vi khuẩn 57

3.2.2 Xác định lượng SS kéo theo bùn hoạt tính khi bổ sung các chủng vi khuẩn được tuyển chọn để xử lý nước thải làng nghề sản xuất tinh bột dong riềng 63

3.2.3 Kết quả định tên các chủng vi khuẩn được tuyển chọn 65

3.3 Điều kiện nuôi cấy để thu sinh khối các chủng vi khuẩn được tuyển chọn 69

3.3.1 Nuôi cấy thu sinh khối các chủng được tuyển chọn trong bình nón 69

3.3.2 Lên men thu sinh khối các chủng được tuyển chọn trong môi trường thay thế quy mô phòng thí nghiệm 79

3.3.3 Lên men thu sinh khối các chủng được tuyển chọn trong thiết bị lên men thể tích 5 lít 81

3.4 Tạo chế phẩm vi sinh vật từ các chủng được tuyển chọn 82

3.4.1 Lựa chọn chất mang 82

3.4.2 Thành phần các vi sinh vật nghiên cứu trong chế phẩm 83

3.4.3 Tỉ lệ phối trộn dịch sinh khối với chất mang 84

3.4.4 Xác định nhiệt độ sấy chế phẩm 84

3.4.5 Bao gói và bảo quản chế phẩm 85

3.4.6 Sơ đồ quy trình tạo chế phẩm vi sinh vật 86

3.5 Thử nghiệm năng lực xử lý nước thải làng nghề sản xuất tinh bột dong riềng của chế

phẩm 87

3.5.1 Thử nghiệm ở quy mô bình nón thể tích 500 ml 87

3.5.2 Thử nghiệm ở quy mô bình xử lý gián đoạn thể tích 5 lít 88

3.5.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu suất xử lý nước thải làng nghề sản xuất tinh bột dong riềng của chế phẩm 89

3.6 Ứng dụng chế phẩm vi sinh vật để xử lý nước thải làng nghề sản xuất tinh bột dong riềng ở hiện trường 98

3.7 Đề xuất quy trình công nghệ xử lý nước thải làng nghề sản xuất tinh bột dong riềng và miến dong 102

3.8 Ứng dụng bã thải dong riềng để nuôi trồng nấm sò trắng (Pleurotus florida) 103

3.8.1 Thành phần bã dong riềng 103

3.8.2 Khả năng phát triển của nấm sò trắng trên bã dong riềng so với giá thể khác 104

3.8.3 Hàm lượng các chất trong nấm sò nuôi trồng trên bã dong riềng 107

3.8.4 Hiệu quả kinh tế thu được từ nuôi trồng nấm sò trắng 108

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 110

Kết luận 110

Kiến Nghị 111 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT

ABR Anaerobic baffled reactor Thiết bị phản ứng kỵ khí vách ngăn BOD Biochemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy sinh hóa

COD Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hóa học

DNA Deoxyribonucleic acid Axit deoxiribonucleic

Chất rắn huyền phù bay hơi

PCR Polymerase chain reaction Phản ứng khuếch đại gen

SVI Sludge Volume Index Chỉ số thể tích bùn lắng

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Thành phần hóa học của củ dong riềng tươi 5

Bảng 1.2: Lượng nguyên liệu đầu vào và lượng chất thải rắn ở làng nghề Dương Liễu 10

Bảng 1.3: Chỉ tiêu của nước thải tại nhà máy sản xuất tinh bột ở Ấn độ 13

Bảng 1.4: Các chỉ tiêu của nước thải ở một số nhà máy sản xuất tinh bột 13

Bảng 1.5: Giá trị các thông số ô nhiễm của nước thải từ quá trình chế biến tinh bột 14

Bảng 1.6: Tải lượng các chất ô nhiễm ở một số làng nghề 15

Bảng 1.7: Chất lượng nước thải ở một số xóm ở Dương Liễu 15

Bảng 1.8: Đặc tính nước thải ở làng nghề sản xuất miến dong và không sản xuất 16

Bảng 2.1: Thành phần phản ứng PCR: 48

Bảng 3.1: Chất lượng nước thải đầu nguồn và trên dòng thải ở làng nghề chế biến tinh bột Minh Hồng, Minh Quang, Ba Vì, Hà Nội 56

Bảng 3.2: Hoạt tính enzyme của các chủng vi khuẩn được tuyển chọn 58

Bảng 3.3: Giá trị thông số của bùn hoạt tính từ các chủng vi khuẩn được tuyển chọn 61

Bảng 3.4: Năng lực xử lý màu nước thải làng nghề sản xuất tinh bột dong riềng của các chủng vi khuẩn được tuyển chọn 62

Bảng 3.5 Giá trị các chỉ số nước thải trước lọc và sau lọc khi xử lý với các chủng được tuyển chọn 64

Bảng 3.6: Hình thái khuẩn lạc và đặc điểm sinh hóa của các chủng được tuyển chọn 65

Bảng 3.7: Kết quả định danh bằng kit API 50 CHB của các chủng được tuyển chọn 67

Bảng 3.8: Bảng ma trận thực nghiệm quá trình lên men thu sinh khối chủng NT1 76

Bảng 3.9: Bảng phương sai Anova của mô hình 77

Bảng 3.10: Mật độ tế bào của 3 chủng được tuyển chọn ở các môi trường lên men thay thế 80

Bảng 3.11: Mật độ vi sinh trên chất mang 83

Bảng 3.12: Ảnh hưởng của thành phần chủng tới hiệu suất xử lý nước thải và khả năng lắng của bùn hoạt tính 84

Bảng 3.13: Tỉ lệ phối trộn dịch sinh khối với chất mang 84

Bảng 3.14: Ảnh hưởng của nhiệt độ sấy chế phẩm 85

Bảng 3.15: Điều kiện bao gói và bảo quản chế phẩm 86

Bảng 3.16: Giá trị SVI, MLSS, MLVSS của bùn tạo thành 87

Bảng 3.17: Các giá trị bùn hoạt tính tạo thành 89

Bảng 3.18: Đặc tính nước thải làng nghề trước khi xử lý 89

Bảng 3.19: Ảnh hưởng của pH đến hiệu xuất xử lý nước thải 91

Bảng 3.20: Ảnh hưởng của tốc độ cấp khí đến hiệu suất xử lý 93

Bảng 3.21: Ảnh hưởng của thời gian lưu nước đến hiệu suất xử lý 94

Bảng 3.22: Các thông số nước thải trên hệ thống xử lý 35 lít 97

Bảng 3.23: Đầu vào nước thải ở bể xử lý tích hợp 5 chức năng 98

Bảng 3.24: Giá trị các thông số của nước thải trong giai đoạn vận hành khởi động 99

Bảng 3.25: Chất lượng nước thải đầu ra và MLSS khi có bổ sung chế phẩm Bacillus bản địa…… 100

Bảng 3.26: Chất lượng nước xả thải theo Quy chuẩn Việt Nam 101

Bảng 3.27: Thành phần hóa học của bã dong riềng 103

Bảng 3.28: Khả năng phát triển của hệ sợi trên các nguồn cơ chất 104

Bảng 3.29: Tỉ lệ nhiễm và đặc điểm của hệ sợi nấm sò trên các nguồn cơ chất 104

Bảng 3.30: Thời gian hình thành quả thể và năng suất nấm sò trắng 105

Bảng 3.31: Ảnh hưởng của nguồn phụ gia tới sự phát triển hệ sợi nấm sò trắng 106

Bảng 3.32: Ảnh hưởng của nồng độ nước vôi tới sự phát triển hệ sợi và năng suất quả thể…… 107

Bảng 3.33: Hàm lượng các chất trong nấm sò trắng tươi trồng trên bã dong 107

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Hình ảnh cây và củ dong riềng 5

Hình 1.2: Sơ đồ công nghệ sản xuất tinh bột dong riềng kèm dòng thải 8

Hình 1.3: Một số hình ảnh nước thải và bã thải làng nghề sản xuất tinh bột dong riềng 12

Hình 1.4: Quá trình hấp thu và chuyển hóa các chất hữu cơ vào tế bào vi khuẩn 18

Hình 1.5: Quá trình chuyển hóa các hợp chất hữu cơ trong nước thải 18

Hình 1.6: Sơ đồ chuyển hóa các chất trong quá trình phân giải kỵ khí 19

Hình 1.7: Quá trình chuyển hóa các chất trong quá trình phân giải hiếu khí 20

Hình 1.8: Cơ chế của quá trình hiếu khí gồm 3 giai đoạn 21

Hình1.9: Quá trình bùn hoạt tính 22

Hình 1.10: Sơ đồ cấu trúc vận hành của công nghệ xử lý nước thải sử dụng bùn hoạt tính .23

Hình 1.11: Biểu đồ chi phí của hệ thống xử lý sinh học nước thải sử dụng bùn hoạt tính 24 Hình 1.12: Chi phí tiêu hao điện năng trong hệ thống xử lý sinh học bùn hoạt tính……25

Hình 1.13: Nguyên lý chuyển hóa vi sinh các chất ô nhiễm trong xử lý nước thải 26

Hình 1.14: Cơ chế tóm tắt quá trình ôxy hóa – khử sinh học trong xử lý nước thải ……26

Hình 1.15: Sơ đồ cấu trúc và nguyên lý vận hành của hệ thống xử lý sinh học hiếu khí tích hợp… 27

Hình 1.16: Sơ đồ công nghệ xử lý kết hợp nước thải ngành sản xuất tinh bột 31

Hình 1.17: Sơ đồ quá trình xử lý kết hợp nước thải tinh bột 32

Hình 1.18: Sơ đồ quá trình xử lý nước thải tinh bột bằng hệ thống ABR 32

Hình 1.19: Sơ đồ quá trình xử lý nước thải tinh bột bằng thiết bị IFBBR 33

Hình 1.20: Sơ đồ hệ thống xử lý nước thải sản xuất tinh bột sắn ở Tây Ninh 34

Hình 1.21: Sơ đồ quá trình xử lý nước thải ở nhà máy sản xuất tinh bột sắn Phước Long 35 Hình 1.22: Sơ đồ giải pháp công nghệ xử lý nước thải tinh bột sắn 35

Hình 1.23: Sơ đồ dây chuyền xử lý nước thải làng nghề chế biến tinh bột 36

Hình 1.24: Sơ đồ xử lý nước thải tập trung 36

Hình 1.25: Sơ đồ hướng triển khai nghiên cứu của đề tài 38

Hình 2.1: Chu trình nhiệt phản ứng PCR 48

Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống xử lý liên tục thể tích 35 lít 52

Hình 2.3: Sơ đồ thử nghiệm nuôi trồng nấm sò (Pleurotus florida) trên cơ chất bã dong 54

Hình 3.1: Mật độ tế bào của các chủng vi khuẩn được tuyển chọn trong môi trường nước thải…… 59 Hình 3.2: Năng lực loại chất hữu cơ trong nước thải của các chủng vi khuẩn được tuyển chọn… 60 Hình 3.3: Thử nghiệm khả năng đối kháng của các chủng vi khuẩn được tuyển chọn trên môi trường dinh dưỡng rắn 63 Hình 3.4: Hình thái tế bào và khuẩn lạc của 3 chủng được tuyển chọn 66 Hình 3.5: Ảnh điện di đoạn DNA sau khi PCR của các chủng được tuyển chọn trên gel agarose 67 Hình 3.6: Sơ đồ tương quan theo cấu trúc gen của các loài có quan hệ họ hàng gần với các chủng được tuyển chọn: NT1 (A); Ba1 (B) và H12 (C) 68 Hình 3.7: Ảnh hưởng của nguồn Cacbon tới phát triển sinh khối ba chủng được tuyển chọn… 70 Hình 3.8: Ảnh hưởng của nguồn Nitơ tới phát triển sinh khối ba chủng được tuyển chọn.71 Hình 3.9: Ảnh hưởng của hàm lượng glucose và pepton tới phát triển sinh khối chủng

NT1…… 72 Hình 3.10: Ảnh hưởng của tinh bột và cao nấm men tới phát triển sinh khối chủng Ba1 72 Hình 3.11: Ảnh hưởng của hàm lượng tinh bột và pepton tới phát triển sinh khối chủng

H12…… 73 Hình 3.12: Ảnh hưởng của tỉ lệ cấp giống và pH tới phát triển sinh khối ba chủng được tuyển chọn 74 Hình 3.13: Ảnh hưởng của tốc độ lắc và nhiệt độ tới phát triển sinh khối 3 chủng được tuyển chọn 75 Hình 3.14: Ảnh hưởng của thời gian lên men tới phát triển sinh khối và bào tử của ba chủng được tuyển chọn 76

Hình 3.15: Hồi quy đáp ứng ảnh hưởng các yếu tố đến mật độ tế bào B Subtilis NT1 78

Hình 3.16: Hàm kỳ vọng và điều kiện lên men tối ưu thu sinh khối chủng NT1 78 Hình 3.17: Ảnh hưởng của tốc độ cấp khí tới sự phát triển sinh khối ba chủng được tuyển chọn… 81 Hình 3.18: Chế phẩm sau sấy và bao gói 85

Hình 3.19 : Sơ đồ quy trình tạo chế phẩm vi sinh vật từ ba chủng Bacillus được tuyển

chọn 86 Hình 3.20: Thử nghiệm chế phẩm quy mô bình nón 87 Hình 3.21: Năng lực chuyển hóa COD và nitơ của chế phẩm quy mô bình 5 lít 88

Hình 3.22: Ảnh hưởng của pH tới hiệu suất xử lý nước thải của chế phẩm 90

Hình 3.23: Ảnh hưởng của lượng chế phẩm bổ sung 90

Hình 3.24: Hệ thống xử lý liên tục quy mô 35 lít 91

Hình 3.25: Diễn biến COD và Nitơ trong hệ thống xử lý liên tục 95

Hình: 3.26: Nước sau xử lý liên tục quy mô liên tục 95

Hình 3.27: Ảnh hưởng của tải lượng COD đến hiệu suất xử lý COD và MLSS 96

Hình 3.28: Bể lắng bột và bể xử lý 5 chức năng đang hoạt động 101

Hình 3.29: Nước thải đầu vào, trong bể và đầu ra sau bể xử lý 5 chức năng 102

Hình 3.30: Sơ đồ giải pháp công nghệ xử lý nước thải làng nghề sản xuất tinh bột dong riềng trên bể tích hợp 5 chức năng với chế phẩm Bacillus bản địa 102

Hình 3.31: Hệ sợi nấm sò trắng trên A (rơm), B (bã dong), C (bông) sau 2 tuần cấy giống… 105

Hình 3.32: Quả thể nấm sò trắng trên cơ chất bã dong riềng 105

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Tinh bột dong riềng và miến dong là hai loại sản phẩm được chế biến từ củ dong

riềng (Canna elidus Ker.) ở các làng nghề của vùng nông thôn Việt Nam Hiện nay các sản

phẩm này đang có sức tiêu thụ lớn trên thị trường trong nước và xuất khẩu, góp phần tích cực trong việc chuyển dịch cơ cấu kinh tế - xã hội địa phương Trong những năm gần đây, hoạt động làng nghề đang phát triển mạnh đã giúp người dân làng nghề xóa đói giảm nghèo, tạo công ăn việc làm và giải quyết lao động dư thừa, giảm tệ nạn xã hội… cuộc sống kinh tế người dân ổn định và phát triển Bên cạnh những mặt tích cực, hoạt động sản xuất tại các làng nghề này cũng có nhiều bất cập, đặc biệt là chất lượng môi trường làng nghề đã và đang bị suy thoái nghiêm trọng tác động trực tiếp tới sức khỏe người dân, gây nhiều bức xúc cho xã hội, ảnh hưởng không nhỏ tới sự phát triển bền vững của làng nghề

và sự phát triển của nền kinh tế đất nước

Thực trạng công nghệ và thiết bị sản xuất ở các làng nghề sản xuất tinh bột dong riềng hiện nay vẫn còn khá thô sơ nên sau sản xuất khối lượng nước thải và bã thải lớn chưa được xử lý mà xả toàn bộ ra cống thoát nước chung rồi đổ ra lưu vực sông, suối lân cận Nguồn chất thải này chứa hàm lượng hữu cơ cao đã và đang gây ô nhiễm nghiêm trọng tới môi trường làng nghề và vùng phụ cận, bao gồm cả môi trường đất, ô nhiễm nguồn nước mặt (hàm lượng hữu cơ trong nước thải cao: SS, BOD5, COD, TN, TP, đặc biệt khâu lọc bột và tách bã các chỉ tiêu này vượt TCCP đến 200 lần), ô nhiễm nước ngầm (nồng độ NH4+, H2S, coliform cao hơn TCCP hàng trăm lần) và cả ô nhiễm không khí (do phân hủy các chất hữu cơ trong nước thải tạo: SO2, NO2, H2S, NH3, CH4 và các khí có mùi hôi tanh khác)

Có nhiều công trình nghiên cứu về đánh giá mức độ ô nhiễm - đặc tính chất thải và nghiên cứu lựa chọn, áp dụng công nghệ để xử lý chất thải làng nghề Kết quả đã thu được những thành công đáng kể trong vấn đề cải thiện môi trường làng nghề nhưng còn gặp rất nhiều khó khăn trong quá trình vận hành (chi phí vận hành cao, diện tích xây dựng và đầu

tư ban đầu lớn, đòi hỏi trình độ kỹ thuật cao, ý thức môi trường người dân còn thấp, thời gian mùa vụ nên tình trạng chất thải biến động lớn…) Do đó, chất lượng môi trường làng nghề ở nước ta hiện nay vẫn là điểm nóng ô nhiễm bức xúc của xã hội

Bản chất nguồn chất thải ngay sau sản xuất tinh bột dong riềng (gồm bã thải và nước thải) chính là nguồn vật liệu giàu hữu cơ và khá an toàn (nguồn gốc từ nguyên liệu chế biến thực phẩm) nên nếu có thể áp dụng công nghệ thích ứng để vừa xử lý nhanh và triệt

để đồng thời tận thu và tái chế các hợp chất hữu cơ trong chất thải thành một số sản phẩm

có giá trị khác sẽ giảm được gánh nặng chi phí trong quá trình vận hành, tăng tính khả thi của quá trình xử lý chất thải làng nghề

Gần đây, giải pháp công nghệ xử lý – khai thác chất thải - triển khai trên hệ thống bể

xử lý sinh học hiếu khí tích hợp 5 chức năng với đặc tính là khai thác quá trình xử lý hiếu

khí nước thải và tách phân ly sớm thu bùn hoạt tính ngay trong quá trình xử lý (không cần dùng keo tụ) đã được phát triển và bước đầu ứng dụng với hiệu quả cao

Nếu có thể phát triển và ứng dụng được giải pháp công nghệ này vào quá trình xử lý nước thải làng nghề sản xuất tinh bột dong riềng để tận thu bùn hoạt tính phục vụ cho các mục tiêu thứ cấp như làm phân bón, khí hóa,…sẽ đạt mục tiêu kép vừa xử lý sạch nước thải vừa mang lại giá trị kinh tế gia tăng cho hoạt động sản xuất ở các làng nghề Tuy nhiên, giải pháp này chỉ có thể bộc lộ được các đặc tính công nghệ mong đợi và hoạt động hiệu quả khi xác lập được hệ vi sinh vật phù hợp làm động lực giữ vai trò kiểm soát chủ đạo trong hệ thống xử lý

Với bã thải dong riềng giàu hữu cơ, thành phần chủ yếu là cellulose, hemicellulose hiện vẫn đang chưa được thu gom riêng mà xả cùng dòng nước thải nên gây ô nhiễm nghiêm trọng Nếu phát triển được giải pháp công nghệ phù hợp để có thể tách riêng phần

bã thải sớm và tận dụng làm nguồn cơ chất để nuôi trồng nấm ăn thì giá trị kinh tế gia tăng

từ sản phẩm nấm sẽ là một nguồn phụ thu, đồng thời giúp giảm chi phí cho công tác xử lý môi trường, qua đó khuyến khích người dân làng nghề tham gia tích cực hơn trong công tác xử lý chất thải bảo vệ môi trường

Xuất phát từ thực tế trên, đề tài: "Nghiên cứu áp dụng công nghệ vi sinh vật để xử

lý chất thải làng nghề sản xuất tinh bột dong riềng và miến dong" đã được tiến hành

với các nội dung như sau:

Tập trung vào phát triển và ứng dụng công nghệ xử lý có khai thác giá trị chất thải (nước thải và bã thải) ngay sau quá trình sản xuất tinh bột dong riềng ở các làng nghề Đối với nước thải: Đề tài nghiên cứu tuyển chọn các chủng vi sinh vật có những đặc tính thích ứng với điều kiện giải pháp công nghệ áp dụng là: Có năng lực đồng hóa cơ chất

đa dạng trong điều kiện xử lý hiếu khí để tạo nhiều bùn hoạt tính hơn, đồng thời có đặc tính kết tụ thuận lợi để tách thu phần bùn hoạt tính kích thước lớn tự lắng được ngay trong quá trình xử lý trong hệ thống xử lý sinh học hiếu khí tích hợp 5 chức năng

Đối với bã thải: Tách riêng ra khỏi dòng thải ngay sau quá trình sản xuất để xử lý thử

nghiệm nuôi trồng nấm sò trắng – Pleurotus florida

2 Mục tiêu của luận án

- Tạo được chế phẩm vi sinh vật đáp ứng với mục tiêu công nghệ xử lý nước thải để có thể tận thu bùn hoạt tính trong hệ thống xử lý sinh học hiếu khí tích hợp 5 chức năng (các chủng vi sinh hô hấp hiếu khí bản địa có năng lực sử dụng cơ chất đa dạng, thích nghi và phát triển tốt trong nước thải, đồng thời có năng lực xử lý làm giảm

nhanh ô nhiễm và tạo bông bùn kết lắng thuận lợi)

- Thử nghiệm đánh giá bước đầu hiệu suất xử lý nước thải làng nghề sản xuất tinh bột dong riềng để thu bùn hoạt tính của chế phẩm ở quy mô phòng thí nghiệm và hiện

trường

- Đánh giá khái toán được hiệu quả của việc tận thu bã dong riềng để nuôi trồng nấm

sò trắng Pleurotus florida

- Nước thải và bã thải ngay sau quá trình nghiền tách bã và lắng lọc tinh bột dong riềng ở làng nghề

- Các chủng vi sinh vật hiếu khí, bản địa có các đặc tính phù hợp giải pháp xử lý và tận thu bùn hoạt tính trong bể xử lý sinh học hiếu khí tích hợp 5 chức năng

- Giống nấm sò trắng Pleurotus Florida

- Hệ thống bể xử lý sinh học hiếu khí tích hợp năm chức năng có tách phân ly sớm thu bùn hoạt tính ngay trong quá trình xử lý, được xây dựng với thể tích 33m3

tại làng nghề chế biến tinh bột dong riềng Minh Hồng – Minh Quang – Ba Vì – Hà Nội

- Nghiên cứu quy trình lên men thu sinh khối vi sinh vật và quy trình kỹ thuật tạo chế

phẩm vi sinh vật phục vụ cho xử lý nước thải làng nghề sản xuất tinh bột dong riềng

- Nghiên cứu thử nghiệm năng lực xử lý nước thải làng nghề sản xuất tinh bột dong

riềng của chế phẩm vi sinh vật tạo ra trong phòng thí nghiệm và ngoài hiện trường 4.2 Xử lý bã thải

- Khảo sát và phân tích hàm lượng các chất trong bã thải dong riềng

- Nghiên cứu khả năng phát triển của nấm sò trắng trên cơ chất bã thải dong riềng

- Nghiên cứu xây dựng quy trình nuôi trồng nấm sò trắng trên bã dong riềng và đánh giá hiệu quả kinh tế từ quá trình nuôi trồng nấm sò trên bã dong riềng

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Đây là một đề tài nghiên cứu có tính khoa học và thực tiễn về phát triển và ứng dụng giải pháp công nghệ xử lý sinh học có kết hợp khai thác chất thải ô nhiễm hữu cơ trên đối tượng chất thải làng nghề sản xuất tinh bột dong riềng

- Đề tài đã phân lập và tuyển chọn được bộ chủng vi sinh vật phù hợp với đặc tính công nghệ của bể xử lý hiếu khí tích hợp 5 chức năng (các chủng hiếu khí, bản địa,

thích nghi và phát triển tốt trong nước thải, năng lực xử lý nhanh chất ô nhiễm và tạo bùn tốt, kết lắng nhanh)

- Đề tài đã xây dựng được quy trình lên men thu sinh khối vi sinh vật, quy trình sản xuất chế phẩm vi sinh và đánh giá được hiệu quả xử lý nước thải để thu bùn hoạt tính của chế phẩm trong phòng thí nghiệm và hiện trường

- Đã bước đầu thử nghiệm và xây dựng quy trình sử dụng bã thải dong riềng để nuôi trồng nấm sò trắng đạt năng suất cao đồng thời đánh giá hiệu quả kinh tế thu được

6 Kết quả khoa học đạt được và đóng góp mới của luận án

- Đề tài đã phân lập và tuyển chọn được 3 chủng vi khuẩn bản địa: Bacillus subtilis

NT1; Bacillus methylotrophycus Ba1 và Bacillus amyloliquefaciens H12 (hiếu khí, thích nghi nhanh với môi trường nước thải - sau 24 giờ nuôi cấy, mật độ các chủng đạt 108

– 109 Cfu/ml; năng lực làm giảm nhanh chỉ số ô nhiễm - COD tan nước thải giảm ≥ 90% sau xử lý; năng lực tạo bùn kết lắng thuận lợi - sau 10 phút hầu hết lượng bùn lớn đã lắng hết với SVI nằm trong khoảng 90 – 120 ml/g, nước sau xử lý trong) phù hợp với công nghệ bể xử lý sinh học hiếu khí 5 chức năng để xử lý nước thải làng nghề sản xuất tinh bột dong riềng và miến dong

- Đã thử nghiệm ứng dụng chế phẩm trong điều kiện xử lý trong phòng thí nghiệm với thời gian khởi động và vận hành ổn định hệ thống là 4 ngày, hiệu suất xử lý COD đạt

≥ 90%, hiệu suất xử lý tổng nitơ đạt ≥ 80% Trên hiện trường ở bể xử lý sinh học hiếu khí tích hợp 5 chức năng, với thời gian cần thiết để xác lập trạng thái vận hành khởi động ổn định là 20 ngày khi giá trị COD nước thải đầu vào cao (≥ 4000ng/l) Kết quả xử lý ổn định với hiệu suất cao, nước đầu ra của hệ thống đạt tiêu chuẩn cột

A theo QCVN 40:2011/BTNMT

- Đã đề ra giải pháp tách bã sớm, bảo quản chất lượng bã đảm đáp ứng yêu cầu để nuôi trồng nấm ăn Hiệu quả trồng nấm sò trắng trong điều kiện thử nghiệm đã thu được năng suất 49,52% (495,2 kg nấm tươi/tấn bã dong khô và lược toán hiệu quả kinh tế gia tăng đạt 4.170.000đ/1 tấn bã dong khô)

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Thực trạng nguyên liệu, quy trình sản xuất và môi trường làng nghề sản xuất tinh bột dong riềng miến dong

1.1.1 Nguồn nguyên liệu sản xuất

1.1.1.1 Cây dong riềng (Canna edulis Ker)

Dong riềng là cây thân thảo có củ chứa hàm lượng tinh bột cao, thuộc bộ

Scitaminales họ Cannaceae, có nguồn gốc từ Peru Nam Mỹ được du nhập vào Việt Nam

từ thế kỷ 20 Tên địa phương của dong riềng là khoai chuối tây (Thừa Thiên, Quảng Trị, Nghệ An, Hà Tĩnh), củ đót (Hòa Bình, Nam Định, Ninh Bình), dong đao tây, dong tây, khoai riềng Căn cứ vào tính chất của củ, thân, lá, hoa có thể chia dong riềng thành 3 loại:

cây chuối hoa (Canna Indica L), cây dong đao (Canna sp), và cây dong riềng (Canna

edulis Ker) [13, 22]

Hình 1.1: Hình ảnh cây và củ dong riềng [13]

Củ dong riềng được thu hoạch để lấy tinh bột sau khi trồng từ 1 đến 1,5 năm Tỷ lệ thành phần hóa học trong củ thay đổi tùy theo điều kiện canh tác, khí hậu, độ tuổi của cây

protein, lipit, vitamin có hàm lượng thấp hơn Hàm lượng cellulose trong củ dong riềng khá cao (5,6 – 8,8%), cấu trúc xơ dài và bền Ngoài ra, trong củ dong riềng còn chứa một phần nhỏ các hợp chất polyphenol trong nhựa củ [13, 22] Tinh bột dong riềng có hàm lượng amylose cao nên có nhiều lợi thế để sản xuất các sản phẩm cần có độ dai, giòn như miến, bánh đa, trân châu Do đó tinh bột dong riềng ngày càng trở thành nguồn nguyên liệu chính cung cấp cho các ngành sản xuất thực phẩm ở nước ta

1.1.1.2 Xu hướng phát triển nguồn nguyên liệu dong riềng

a Trên thế giới

Nghiên cứu khảo cổ học tại Mỹ cho thấy bằng chứng về trồng dong riềng rất sớm,

khoảng 7.000 năm trước đây Tên gọi bắt nguồn từ aru-aru (bữa ăn của các bữa ăn) Dong

riềng có nguồn gốc ở vùng Caribbean và phát triển mạnh trong khí hậu nhiệt đới Theo thống kê chưa đầy đủ, diện tích trồng dong riềng trên thế giới ước tính khoảng 200-300 triệu ha với năng suất bình quân đạt khoảng 30 - 60 tấn/ha [22] Hiện nay, với sự cải tiến

kỹ thuật trồng, chăm sóc nên năng suất dong riềng ngày càng tăng, có thể tới 70 - 80 tấn/ha [75]

Tinh bột củ dong từ xưa đã được sử dụng rất phổ biến trong món ăn của Anh, như làm bánh quy, bánh tráng miệng, thạch, bánh ngọt hoặc làm nước sốt nóng và mì ăn liền trong ẩm thực Hàn Quốc và Việt Nam [11, 19] Ngày nay, tinh bột dong riềng ngày càng được ưa chuộng sử dụng nhiều như nguồn nguyên liệu mới thay thế tinh bột sắn, gạo của nhiều ngành công nghiệp chế biến thực phẩm do có nhiều đặc tính ưu việt Ngoài ra, tinh bột dong riềng cũng được sử dụng để nghiên cứu sản xuất ethanol sinh học, làm phụ gia dược phẩm… [75, 102]

b Ở Việt Nam

Dong riềng là loài cây nông nghiệp dễ trồng và chăm sóc, chịu được điều kiện khí hậu khắc nghiệt như khô hạn, nắng nóng, bóng râm, có thể trồng xen kẽ hoặc dưới tán các loài cây khác, thích hợp với địa thế đất dốc vùng đồi núi Do đó, cây dong riềng ít khi mất mùa, tốn ít công và chi phí chăm sóc nhưng hiệu quả kinh tế lại lớn hơn nhiều lần so với trồng các loại cây khác như ngô, lúa, đậu tương [47, 142] Cây dong riềng luôn chứng tỏ

là loài cây nông nghiệp chiếm ưu thế về giá trị kinh tế từ sản phẩm truyền thống nổi tiếng như miến và tinh bột

Dong riềng được trồng ở nước ta với diện tích hơn 30.000 ha, sản lượng củ đạt khoảng 300.000 tấn/năm Các tỉnh có diện tích lớn trồng dong riềng là Hà Nội, Hòa Bình, Huế, Đồng Nai, Sơn La, Mộc Châu, Bắc Kạn… và gần đây một số địa phương khác cũng phát triển cây dong riềng như Nghệ An, Tuyên Quang, Hưng Yên [131, 134, 135, 142] Các địa phương sử dụng củ dong để sản xuất tinh bột và miến dong nổi tiếng cả nước với sản lượng lớn là: Hà Nội với các làng nghề: Dương Liễu, Cát Quế, Minh Khai, Cộng Hòa, Tân Hòa, Minh Hồng ; Hưng Yên; Hà Nam; Quảng Ninh; Huế; Đồng Nai; Bắc Kạn; Điện Biên Trong đó nhiều làng nghề đã có thương hiệu nổi tiếng nhờ chế biến và sản xuất tinh bột dong riềng và miến dong

Ở Hưng Yên, các làng nghề sản xuất chế biến tinh bột dong riềng và miến dong đã tồn tại và phát triển hơn 60 năm Theo số liệu thống kê năm 2008, xã Tứ Dân có khoảng

1095 hộ tham gia trồng dong riềng với diện tích khoảng 279,4 ha thu tổng sản lượng củ dong là 20367 tấn Với 105 hộ làm nghề chế biến tinh bột dong, sản lượng bột khoảng

15078 tấn cung cấp nguyên liệu cho các làng nghề sản xuất miến tại địa phương và các vùng khác trong cả nước [83]

Huyện Hoàng Su Phì (Hà Giang) trồng được 130 ha cây dong riềng cao sản năm

2010, năng suất bình quân đạt 50 tấn/ha với sản lượng 6.500 tấn Hiện nay, huyện đã mở rộng vùng trồng dong riềng cao sản lên hàng nghìn ha Bên cạnh đó, huyện đang xúc tiến xây dựng nhà máy chế biến tinh bột dong riềng nhằm bao tiêu toàn bộ sản phẩm cho người dân [134]

Cây dong riềng đã khẳng định vai trò trong việc xóa đói giảm nghèo và làm giàu cho người dân tỉnh Bắc Kạn Năm 2011, diện tích trồng dong riềng của tỉnh là 551 ha với sản lượng củ đạt khoảng 50.000 tấn Toàn tỉnh có 5 cơ sở lớn chuyên thu mua, sản xuất chế biến tinh bột dong riềng và miến dong Để đưa dong riềng trở thành cây trồng chính, đột phá trong sản xuất nông – lâm nghiệp, năm 2012 tỉnh Bắc Kạn đã nâng diện tích cây trồng này lên 1.300ha [135]

Diện tích dong riềng của tỉnh Tuyên Quang cũng lớn, khoảng 1.100 ha với 34 cơ sở chế biến bột dong riềng đã cung cấp lượng lớn nguyên liệu củ dong và bột dong cho thị trường [131, 140]

Ở Minh Hồng - Minh Quang, Ba Vì từ năm 2006 đã chuyển đổi toàn bộ cơ cấu cây trồng từ lúa sang dong riềng để tận dụng thế mạnh của vùng đồng thời phát triển nghề truyền thống là sản xuất và chế biến tinh bột

Với 271/289 hộ tham gia trồng dong riềng trên tổng diện tích 250 ha, sản lượng bột thu được hàng năm khoảng 20.000 tấn, năng suất bình quân 70 – 80 tấn củ/ha Trong làng

có tổng 164 hộ sản xuất tinh bột dong riềng và miến dong, với quy mô phân tán, nhỏ lẻ Mỗi vụ, làng sản xuất khoảng hơn 2300 tấn bột và 17000 tấn miến dong [134]

Ở một số nơi khác ở phía Bắc nước ta cũng có sản lượng dong riềng lớn, Riêng huyện Nguyên Bình (Cao Bằng), năm 2009 đã trồng với diện tích 90,20 ha, năng suất đạt 680,24 tạ củ/ha, sản lượng đạt 5486,29 tấn, ước tính lượng bã lên tới 4.115 tấn [137, 138] Diện tích trồng dong riềng lớn khắp cả nước cùng với thị trường tiêu thụ tinh bột và miến dong ngày càng tăng ở cả thị trường trong nước và xuất khẩu đã thúc đẩy mạnh mẽ các làng nghề sản xuất các sản phẩm từ dong riềng phát triển

1.1.2 Công nghệ sản xuất tinh bột dong riềng và miến dong

Công nghệ sản xuất tinh bột dong riềng có tính chất truyền thống và tương đối phổ biến ở các vùng nông thôn Việt Nam, sử dụng các máy móc và thiết bị đơn giản Quá trình sản xuất trải qua một số công đoạn: Cắt rễ, rửa sạch bằng máy rửa kiểu cánh guồng, nghiền mịn để phá vỡ cấu trúc thành tế bào để giải phóng hạt tinh bột Bột nhão sau khi nghiền được đưa sang công đoạn lọc tách bã bằng máy vắt ly tâm Phần tinh bột được hòa vào nước đưa sang các bể lắng, phần bã và xơ được tách ra Sau thời gian lắng từ 4 đến 5 giờ,

tiến hành xả bỏ nước để thu được bột đen Công đoạn cuối cùng là rửa sạch bột đen bằng nước và máy khuấy cánh quạt, lắng gạn nhiều lần Sản phẩm thu được là dạng bột ẩm (W = 50%) được cung ứng vào thị trường hoặc bảo quản để dự trữ (Hình 1.2) [4, 46]

Sau chế biến thu được tinh bột dong riềng ướt để sản xuất miến dong và bánh kẹo Thông thường, tinh bột dong riềng ướt có thể được cung cấp cho các làng nghề sản xuất miến hoặc được chứa trong các bao tải kín lấp dưới lớp đất sâu 1 mét hoặc trong hầm để bảo quản Tính trung bình 1000 kg củ dong riềng sau khi chế biến thu được khoảng 250-

300 kg tinh bột ướt Từ tinh bột ướt đem phơi nắng hoặc sấy khô sẽ thu được tinh bột dong riềng khô Tinh bột khô có thể bảo quản được trong thời gian dài hơn để cung cấp cho sản xuất miến hoặc bánh, kẹo, dược phẩm… [4, 6, 46]

Hình 1.2: Sơ đồ công nghệ sản xuất tinh bột dong riềng kèm dòng thải [4]

Các làng nghề chế biến nông sản thực phẩm nói chung, đặc biệt các làng nghề chế biến tinh bột dong riềng thường phải sử dụng lượng nước lớn cho sản xuất do đó xả ra lượng nước thải khổng lồ (trung bình nước thải khoảng 104,3 m3

Lọc Bã dong: 800kg (W = 90%) nước thải: 8,5 m 3

Rửa, đánh trắng

Làm khô

Củ Dong (1000kg)

thải còn chứa lượng chất hữu cơ lớn chủ yếu là các loại đường tan, axit amin, tinh bột, chất xơ,… Khi tính theo nguyên liệu thì để chế biến 1 tấn củ dong nguyên liệu sẽ thải ra khoảng 13,7 m3 nước thải, trong đó lượng nước thải từ khâu lọc tách bột chiếm 8,5 m3 và khâu khuấy rửa, làm trắng bột là 3,5 m3

[4]

1.1.3 Ô nhiễm môi trường làng nghề sản xuất tinh bột dong riềng

Hiện nay kinh tế làng nghề đang phát triển mạnh nhưng cơ bản vẫn mang tính tự phát, nhỏ lẻ, qui mô hộ gia đình, sử dụng thiết bị thủ công, đơn giản với công nghệ chưa được tự động hóa cao Với mặt bằng sản xuất nhỏ hẹp cộng thêm ý thức người dân làng nghề trong việc bảo vệ môi trường còn hạn chế Chính những yếu tố nêu trên đã tạo sức ép không nhỏ đến chất lượng môi trường sống của người dân làng nghề và cộng đồng xung quanh [2, 3, 18] Nguồn gốc của ô nhiễm môi trường làng nghề chính là từ lượng chất thải quá lớn không được xử lý và quản lý mà xả thẳng ra môi trường

1.1.3.1 Ô nhiễm môi trường do chất thải

Với đặc thù sản xuất ở các làng nghề chế biến nông sản thải ra lượng chất thải rắn và nước thải giàu hợp chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học nên gây ô nhiễm nghiêm trọng cả không khí, nước mặt, nước ngầm và nước canh tác [8, 9, 60]

Qua khảo sát tại hơn 40 làng nghề trên địa bàn Thành phố Hà Nội cho thấy, phần lớn môi trường nước, không khí, đất đai các làng nghề đều bị ô nhiễm, nhiều nơi ô nhiễm nặng tới mức báo động Điển hình như các làng nghề chế biến nông sản thực phẩm ở Minh Khai, Cát Quế, Dương Liễu (Hoài Đức), Kỳ Thủy, Thanh Lương, Cự Đà, Bích Hòa (Thanh Oai), Phú Đô (Từ Liêm), Tân Hòa, Công Hòa (Quốc Oai) [3, 18]

Ô nhiễm môi trường nước là vấn đề nghiêm trọng nhất trong ba vấn đề ô nhiễm do hoạt động sản xuất và chế biến tinh bột Do môi trường axit của nước thải có thể gây nguy hại đến hoạt động sống của các sinh vật nước và hạn chế quá trình tự làm sạch của dòng chảy Các chất hữu cơ hòa tan và lơ lửng trong nước sẽ bị phân hủy, làm giảm nồng độ oxy hòa tan trong nước, giúp cho các vi sinh vật kỵ khí gây thối rữa phát triển, gây ra các khí bốc mùi hôi thối Hàm lượng các chất ô nhiễm trong nước thải rất cao, đặc biệt là COD; BOD5; SS; TN; TP đều vượt TCCP hàng chục đến hàng trăm lần [2, 18]

Ô nhiễm không khí: Theo báo cáo đánh giá ô nhiễm môi trường làng nghề của Bộ tài nguyên và Môi trường năm 2008 cho thấy: Sản xuất tại các làng nghề chế biến nông sản phát sinh ô nhiễm không khí do nguyên liệu sản xuất và do sự phân hủy mạnh mẽ các hợp chất hữu cơ có trong chất thải tạo nên các khí: SO2; NO2; H2S; NH3; CH4 và các khí khác gây mùi hôi tanh khó chịu [60, 94]

Ô nhiễm đất: Là kết quả của quá trình đổ bừa bãi chất thải rắn sau quá trình sản xuất Theo kết quả báo cáo môi trường quốc gia 2008, ở làng nghề Dương Liễu (Hà Nội), nước dưới đất tầng nông đã bị ô nhiễm nghiêm trọng, với nồng độ NH4+

tới 18,46 mg/l và làng nghề Tân Phú Đông (Đồng Tháp) tới 28,40 mg/l Coliform ở trong nước dưới đất ở các làng nghề này đều cao hơn TCCP đến 200 lần [2]

Các làng nghề chế biến nông sản thực phẩm đang có xu hướng bị ô nhiễm ngày càng nặng nề do nước thải và bã thải rắn, đặc biệt là nước thải từ khâu lọc tách bã, tách bột đen của quá trình sản xuất tinh bột từ sắn, dong riềng [3]

Tại các làng nghề chế biến nông sản như Cát Quế, Dương Liễu, Minh Khai (Hoài Đức), là bộ ba làng nghề chuyên sản xuất tinh bột sắn, dong riềng, làm bánh phở, bún, miến từ lâu đời, là một trong những làng nghề nổi cộm về vấn đề ônhiễm môi trường do hoạt động sản xuất Trung bình lượng nước thải hàng năm ở ba làng nghề này khoảng 3.155.000m3, trong đó Dương Liễu 2.500.000 m3, Minh Khai 255.000m3, Cát Quế 400.000m3 Lưu lượng nước thải trong thời gian mùa vụ khoảng 13.000 m3/ngày đêm [4]

Xã Tân Hòa – Quốc Oai, Hà Nội có 586 hộ sản xuất tinh bột dong riềng và miến dong, sử dụng lượng nước khoảng 1741 m3/ngày cho sản xuất, thải ra lượng nước thải lớn, gần 1400 m3

/ngày [15]

Theo kết quả nghiên cứu khoa học của Le Thi Long Vy và cộng sự về tình hình sản xuất miến dong ở một số nơi thuộc Hưng Yên cho thấy: Năm 2009 xã Tứ Dân đã thải ra môi trường khoảng 74700 m3

nước thải trực tiếp, không qua xử lý từ hoạt động sản xuất và chế biến tinh bột dong riềng [83] Ở Lai Trạch và Yên Phụ là những làng nghề nhỏ, với số

hộ sản xuất tinh bột dong riềng không nhiều cũng thải ra lượng nước thải lớn khoảng

28300 m3 nước thải không qua bất kỳ xử lý nào

Đối với các làng nghề sản xuất tinh bột dong riềng, ngoài lượng nước thải hữu cơ lớn thì một trong những nguyên nhân trực tiếp vừa gây ô nhiễm nguồn nước và không khí nặng

nề, vừa lãng phí và mất mỹ quan môi trường đó là lượng bã thải quá lớn chưa được sử dụng và xử lý mà được người dân xả bừa bãi ra xung quanh nơi ở, đường làng…

Ước tính lượng bã sau sản xuất chiếm 65 đến 70% nguyên liệu, độ ẩm cao với thành phần chủ yếu là cellulose, hemicellulose và một lượng nhỏ tinh bột cùng các chất dinh dưỡng khác Mỗi vụ lượng bã thải rắn ở các làng nghề đến hàng chục vạn tấn được xả cùng nước thải ra hệ thống mương, cống thoát nước của làng rồi đổ ra sông, gây tắc nghẽn dòng chảy và khi bị phân hủy bốc mùi hôi thối gây ô nhiễm trên diện rộng [2]

Trong 10 năm (từ 2000 đến 2010), lượng nguyên liệu đầu vào và bã thải ở làng nghề Dương Liễu tăng nhanh (bảng 1.2) [95]

Và hiện nay, làng nghề Dương Liễu trung bình mỗi ngày thải ra hơn 500 tấn bã thải, bao bồm gần 300 tấn bã thải từ quá trình chế biến tinh bột sắn thô được tận dụng làm thức

ăn gia súc Còn lại hơn 200 tấn bã thải từ quá trình chế biến tinh bột dong riềng không được thu gom, xử lý mà xả thẳng vào hệ thống thoát nước [95]

Bảng 1.2: Lượng nguyên liệu đầu vào và lượng chất thải rắn ở làng nghề Dương Liễu [95]

Nguyên

liệu

Lượng nguyên liệu (tấn) theo năm Lượng bã rắn (tấn) theo năm

2000 2001 2008 2010 2000 2001 2008 2010 Sắn 116000 125000 150000 171000 47000 48000 51000 57000 Dong 31000 52000 66000 82000 10000 16000 22000 25600 Tổng số 146000 172000 216000 253000 57000 64000 73000 82600

Ở làng nghề chế biến miến dong Cộng Hòa, Tân Hòa, huyện Quốc Oai, mỗi ngày chế biến khoảng 540 tấn bột dong, thải ra hơn 200 tấn bã

Ở Tứ Dân, năm 2009 đã thải ra môi trường lượng bã thải là 3964,7 tấn, Làng nghề Lai Trạch cũng thải ra lượng bã lớn, khoảng 70 tấn Tất cả lượng bã này không được qua

xử lý và tái sử dụng, được xả bỏ cùng với dòng nước thải ra sông hoặc đánh đống ở xung quanh khu vực dân cư [83]

Ở các làng nghề khác, lượng bã thải hàng ngàn tấn mỗi năm với tỉ lệ gia tăng từ 5 đến 10% mỗi năm nhưng chưa được thu gom và xử lý triệt để mà chủ yếu là xả bỏ bừa bãi

ra xung quanh nơi ở, vườn nhà, đường làng… [2]

1.1.3.2 Thiệt hại do chất thải

Tình trạng ô nhiễm do chất thải từ các làng nghề này không những đã gây ảnh hưởng lớn tới sức khỏe người dân làng nghề hoặc ở khu vực lân cận mà còn gây ra thiệt hại lớn về kinh tế

Theo kết quả nghiên cứu điều tra vể thiệt hại kinh tế do chất thải tại các làng nghề chế biến nông sản thực phẩm của Trần Văn Thể và cộng sự năm 2013 cho thấy: Tổng thiệt hại kinh tế do chất thải phát sinh từ hoạt động sản xuất tại các làng nghề chế biến tinh bột

là lớn nhất, như làng nghề chế biến tinh bột Quế Dương (5,7 tỷ đồng/năm), làng nghề bún khô Minh Hòa (4,3 tỷ đồng/năm), làng nghề miến dong Kim Phượng (4,04 tỷ đồng/năm) Trong đó bao gồm thiệt hại kinh tế do tác động của chất thảiảnh hưởng tới năng suất lúa

và sản lượng thủy sản, thiệt hại do chi phí bảo vệ môi trường, do ngăn ngừa tác động ô nhiễm môi trường, thiệt hại kinh tế về y tế do tác động của ô nhiễm môi trường và chi phí

cơ hội do phát sinh chất thải làng nghề [45]

Kết quả điều tra sức khỏe cộng đồng tại các làng nghề chế biến nông sản cho thấy người dân làng nghề mắc phải nhiều bệnh tật với tỉ lệ cao hơn nhiều so với người dân ở nơi không có làng nghề Các loại bệnh tật bao gồm: bệnh ngoài da và viêm niêm mạc, bệnh về đường tiêu hóa, hô hấp [2, 3] Như tại làng nghề Dương Liễu, bệnh loét chân tay chiếm 19,7%; bệnh hô hấp chiếm 9,43%; bệnh về đường tiêu hóa chiếm 1,62% Làng nghề chế biến thực phẩm Tân Hòa, tỉ lệ người dân mắc bệnh ngoài da chiếm 30% Làng nghề chế biến nông sản Cộng Hòa, tỉ lệ người dân mắc các bệnh về tai mũi họng chiến 67%; các bệnh về đường tiêu hóa 32% [8, 23, 24, 42]

Trung bình, mỗi hộ làm nghề khám và điều trị bệnh 1,8-2,2 lần/năm, hộ nông dân ở khu vực bị tác động bởi làng nghề là 1,4-1,9 lần/năm, cao hơn so với các hộ nông dân ở khu vực thuần nông nghiệp (chỉ từ 0,9-1,3 lần/năm) Ước tính thiệt hại kinh tế chi cho y tế của người dân làng nghề hàng năm lớn, thiệt hại kinh tế về y tế đối với làng nghề chế biến tinh bột Quế Dương là 2,9 tỷ đồng/năm; làng nghề chế biến miến dong Kim Phượng là 2,7

tỷ đồng/năm trong khi ở các làng nghề còn lại có mức thiệt hại thấp hơn (1,08 -2,2 tỷ đồng/làng nghề/năm) [45]

Dưới đây là một số hình ảnh về tình trạng chất thải tại một số làng nghề sản xuất tinh bột dong riềng

Chất thải rắn ở làng nghề Dương Liễu, Cát Quế - Hoài Đức

Chất thải rắn và nước thải ở làng nghề Minh Hồng - Ba Vì Hình 1.3: Một số hình ảnh nước thải và bã thải làng nghề sản xuất tinh bột dong riềng

Như vậy, tình trạng chất thải sau sản xuất và chế biến tinh bột ở các làng nghề không được qua bất kỳ quá trình xử lý nào mà xả bừa bãi ra môi trường vừa lãng phí vừa gây tác động xấu đến cảnh quan môi trường sống, tới sức khỏe người dân và thiệt hại lớn về kinh

tế Tình trạng này hiện nay vẫn chưa được cải thiện mà có xu hướng ngày càng gia tăng mức độ nghiêm trọng

1.2 Thành phần đặc tính chất thải ngành sản xuất tinh bột

Làng nghề sản xuất và chế biến tinh bột dong riềng là đặc trưng riêng ở nước ta, tuy nhiên nguồn nước thải và chất thải rắn có tính chất tương đồng với nguồn chất thải từ các nhà máy sản xuất tinh bột trên thế giới Đây đều là nguồn thải chứa hàm lượng hữu cơ cao,

dễ phân hủy sinh học, hàm lượng chất rắn lơ lửng cao có nguy cơ gây ô nhiễm môi trường

nghiêm trọng nếu không được xử lý thích hợp

1.2.1 Trên thế giới

Các nhà khoa học môi trường trên thế giới đã nghiên cứu rất nhiều về đặc tính chất thải của quá trình sản xuất tinh bột để có thể đưa ra các giải pháp xử lý phù hợp nhằm bảo

vệ môi trường

Năm 2002, Shu, L và cộng sự đã nghiên cứu về nguồn chất thải ở nhà máy sản xuất

mỳ ăn liền từ tinh bột cho thấy nước thải có những thông số gây ô nhiễm với giá trị cao: COD dao động từ 3210 - 5050 mg/l; BOD5 từ 2240- 3210 mg/l; SS từ 1070 – 1570 mg/l;

TS từ 3900 – 5450 mg/l; TN từ 20- 30 mg/l và pH từ 4 - 5,4 [110]

Rajasimman, M và cộng sự cũng đã kết luận rằng nguồn nước thải của nhà máy sản xuất các sản phẩm từ tinh bột ở Ấn Độ cũng có những tính chất chung: pH thấp, chất rắn lơ lửng cao, ô nhiễm hữu cơ là chủ yếu với COD và BOD5 ở nồng độ cao (bảng 1.3)

Bảng 1.3: Chỉ tiêu của nước thải tại nhà máy sản xuất tinh bột ở Ấn độ [103]

Thông số Giá trị

COD (mg/L) 8560–8910 BOD 5 (mg/l) 5810 - 6020

TS (mg/l) 7275 - 7815 TDS (mg/l) 6035 - 6120 VSS (mg/l) 900 - 1005

VS (mg/l) 5000 - 5230

Dubey, S năm 2013 đã nghiên cứu đánh giá các chỉ tiêu nước thải của một số cụm công nghiệp sản xuất các sản phẩm từ tinh bột ở Ấn Độ cho thấy đây là nguồn thải chứa hàm lượng hữu cơ rất cao, các thông số này đều vượt quá tiêu chuẩn xả thải, là nguy cơ gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng nếu không được xử lý (bảng 1.4) [63]

Bảng 1.4: Các chỉ tiêu của nước thải ở một số nhà máy sản xuất tinh bột [63]

TT Thông số Tiruputi

Starch

Rajaram Mandsaur

Kashyap Sweetners

Anil Starch

Bảng 1.5: Giá trị các thông số ô nhiễm của nước thải từ quá trình chế biến tinh bột

TT Thông số Colin [59] Paixao [97] Sun [116] Wang [120] Zhang [127]

Ngoài lượng nước thải lớn gây ô nhiễm, ngành sản xuất tinh bột từ các loại nông sản như: Sắn, khoai tây, rong riềng… còn thải ra lượng bã rắn lớn là nguyên nhân trực tiếp gây nên ô nhiễm môi trường

Bã thải rắn từ quá trình sản xuất tinh bột dong riềng có đặc điểm chứa hàm lượng lớn chất hữu cơ, chứa độ ẩm lớn đến 80-90%, và các hợp chất có trong 100 gam bã dong khô:

độ ẩm 12,95g; chất béo 3,96.10-2

g; protein 2,05g; khoáng 1,36 gam; cacbon tổng số 95,55g, tinh bột sót 0,072 g và một lượng nhỏ đường, pectin hòa tan [126] Trong đó, chủ yếu là cellulose và hemicellulose được cấu tạo từ các loại đường như: xylose (37,02%), glucose (23,07%), galactose (10,29%), rhamnose (3,97%), arabinose (13,44%), mannose (11,71%) và lượngnhỏ arabinoxylan, xyglglucan [124]

Hiện nay, các nhà máy sản xuất tinh bột quy mô lớn trên thế giới hầu hết được đầu tư các hệ thống xử lý nước thải để xử lý nguồn chất thải này Tuy nhiên, ở một số nơi như vùng hạ Sahara hay ở Đông Bắc Braxin, hầu hết các cơ sở chế biến tinh bột quy mô nhỏ đều không được đầu tư hệ thống xử lý nước thải Toàn bộ nước thải từ quá trình chế biến đều được xả ra môi trường, gây ô nhiễm đất, không khí và hệ thống sông ngòi [108] Đối với bã thải rắn sau quá trình sản xuất cũng được nghiên cứu xử lý theo hướng tái

sử dụng do trong bã thải chứa hàm lượng hữu cơ cao, như: chế biến thức ăn gia súc, làm phân bón hữu cơ Ngoài ra, có nhiều nghiên cứu ứng dụng bã thải rắn của ngành công nghiệp này làm nguyên liệu cho các quá trình khác: sản xuất enzyme, bioethanol, các chất chống oxi hóa, các hợp chất polyphenol, các chất xơ hòa tan…[61, 64, 114, 123, 124, 125]

1.2.2 Ở Việt Nam

Các làng nghề chế biến tinh bột dong riềng và miến dong ở nước ta có đặc thù sản xuất theo mùa vụ do phụ thuộc vào thời gian thu hoạch nguyên liệu củ và nhằm cung ứng

khối lượng lớn sản phẩm miến dong cho thị trường vào dịp tết Nguyên Đán Mỗi vụ sản xuất các làng nghề thường tập trung hết công suất vào khoảng 4 - 6 tháng cuối năm, từ tháng chín năm trước đến tháng tư năm sau Tùy theo năng lực sản xuất của từng hộ mà lượng nguyên liệu dong riềng được chế biến từ khoảng 5 đến 20 tấn củ/ngày Với trình độ công nghệ thấp và máy móc thiết bị sử dụng ở các làng nghề hiện nay còn khá thô sơ nên lượng nước sử dụng cho sản xuất lớn, chưa áp dụng quy trình sản xuất tiên tiến có sự tái sử dụng nước thải và bã thải do đó mỗi vụ sản xuất, lượng nước thải lớn hàng triệu m3

kéo theo hàng trăm nghìn tấn bã thải không qua xử lý được xả thẳng ra môi trường qua hệ thống cống rãnh thoát nước rồi đổ trực tiếp ra đồng ruộng, sông suối đang gây ra tình trạng

ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng trực tiếp và nghiêm trọng tới sức khỏe người dân và thiệt hại về kinh tế Các làng nghề hiện nay đang là điểm nóng bức xúc của xã hội về ô nhiễm môi trường

Theo báo cáo môi trường Quốc gia năm 2008, các làng nghề thuộc nhóm chế biến lương thực - thực phẩm được đánh giá là có khối lượng nước thải lớn với thải lượng các chất hữu cơ ô nhiễm cao (bảng 1.6) [2] Các thông số ô nhiễm của nước thải đều vượt TCCP nhiều lần, đặc biệt là nước thải từ khâu nghiền - tách bã, lắng bột đen từ quá trình sản xuất tinh bột sắn và dong riềng thường có giá trị pH thấp, COD và BOD5 vượt TCVN: 5945-2005 cột B gấp 200 lần [2, 3]

Bảng 1.6: Tải lượng các chất ô nhiễm ở một số làng nghề [2]

Làng nghề Sản phẩm

(tấn/năm)

COD (tấn/năm)

BOD 5

(tấn/năm) SS (tấn/năm) Bún Phú Đô 10.200 76.90 53.14 9.38 Bún Vũ Hội 3.100 22.62 15.3 2.67 Bún bánh Ninh Hồng 4.380 15.08 10.42 1.84 Rượu Tân Độ 450.000 lít 2.250 13.01 11.55 Tinh bột Dương liễu 52.000 13.050 934.4 2.133

Theo Nguyễn Phương Hạnh và cộng sự, lượng nước thải sản xuất tinh bột lớn ở làng nghề Dương Liễu có chứa nồng độ cao các hợp chất hữu cơ, các giá trị của thông số BOD

và COD cao hơn nhiều lần TCCP (bảng 1.7) [95]

Bảng 1.7: Chất lượng nước thải ở một số xóm ở Dương Liễu [95]

Mẫu pH Nhiệt độ

(0C)

SS (mg/l)

BOD 5

(mg/l)

COD (mg/l)

Coliform MPN/100ml

TN (mg/l)

TP (mg/l)

N 1 6,26 27,5 474 5506 6406 900.103 154,02 29,93

N 2 5,47 32,4 394 5656 8666 22.103 85,12 16,19

N 3 5,1 26,1 17 63 232 8.103 5.6 0,05 TCVN

(5945:2005)

5,5-9 40 100 50 80 5000 30 6

(N 1 : mẫu nước thải sản xuất bột dong ở xóm Động; N 2 : mẫu nước thải sản xuất bột dong ở xóm Đoàn Kết, N 3 : mẫu nước ở mương thoát nước giữa các xóm)

Theo báo cáo của Đỗ Đức Ngãi và cộng sự về chương trình CIP năm 2000 khi khảo sát tình trạng ô nhiễm môi trường ở làng nghề Cát Quế - Hà Nội cho thấy nước thải từ hoạt động làng nghề là nguyên nhân gây ra ô nhiễm nguồn nước, giá trị của các thông số trong nước thải cống chung ở các làng nghề sản xuất miến dong luôn lớn hơn so với làng nghề không sản xuất (bảng 1.8) [100]

Bảng 1.8: Đặc tính nước thải ở làng nghề sản xuất miến dong và không sản xuất [100]

Thông số Làng sản xuất miến Làng không sản xuất Nước thải chế biến dong riềng

Theo kết quả quan trắc chất lượng nước thải ở một số làng nghề chế biến tinh bột ở

Hà Nội của cơ quan kiểm định về môi trường cho thấy:

Nước thải cống chung của làng nghề Tân Hoà (huyện Hoài Đức – Hà Nội) có COD =

466 mg/l; BOD5 = 250 mg/l gấp 4,5 lần TCCP Có hiện tượng này là do nước thải ra đến cống chung đã được pha loãng nhiều lần với nước thải sinh hoạt Nước thải cống chung có

độ ô nhiễm cao đã tác động không nhỏ tới chất lượng nước mặt và nước ngầm ở các làng

nghề [8, 46]

Nước thải tại thôn Yên Viên, xã Vân Hà hàm lượng BOD5 cao hơn tiêu chuẩn cho phép (TCCP) 2,2 lần, hàm lượng COD cao hơn TCCP 1,75 lần, hàm lượng Sunfua cao hơn TCCP 2,87 lần và hàm lượng Coliform cao hơn TCCP 1,05 lần Các giếng nước và ao làng đều bị ô nhiễm nặng [24]

Như vậy: Đặc tính chung của nước thải từ các làng nghề chế biến tinh bột dong riềng chứa hàm lượng hữu cơ cao, bao gồm các chất hòa tan và phần lớn chất rắn lơ lửng Giá trị của các thông số ô nhiễm so với TCCP đều vượt gấp nhiều lần Chỉ tiêu ô nhiễm vi sinh vật trong nước thải cũng rất nghiêm trọng, gây ra ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe người dân Với hàm lượng coliform tổng số vượt TCCP nhiều lần, lên tới 900.103

MPN/100ml (bảng 1.8) cho thấy nguồn hữu cơ chứa trong nước thải là điều kiện thuận lợi cho sự phát sinh ô nhiễm các chủng vi sinh vật, trong đó có nhiều loài gây bệnh

Do lợi ích kinh tế lớn mang lại từ hoạt động sản xuất nông sản ở làng nghề đã kéo theo tình trạng ô nhiễm môi trường có xu hướng ngày càng tăng Đây là hậu quả của sự xuất hiện thêm các làng nghề mới thành lập và quy mô sản xuất ở các làng nghề truyền thống ngày càng tăng làm cho lượng chất thải không được xử lý xả ra môi trường ngày càng lớn

Nhìn chung, chất lượng môi trường ở các làng nghề sản xuất tinh bột dong riềng và miến dong ở Việt Nam đã và đang bị suy thoái nghiêm trọng, gây ảnh hưởng lớn tới sự

phát triển làng nghề và nhiều vùng lân cận, gây bức xúc lớn trong xã hội Do đó, vấn đề xử

lý và bảo vệ môi trường làng nghề hiện nay là rất cấp thiết

1.3 Giải pháp công nghệ xử lý chất thải ngành sản xuất tinh bột

1.3.1 Cơ sở khoa học của giải pháp sinh học xử lý nước thải

Có nhiều phương pháp đã được ứng dụng để xử lý nước: cơ học, hóa học – hóa lý, sinh học và phương pháp tổng hợp Đối với nước thải ô nhiễm hữu cơ, hiện nay phương pháp được áp dụng phổ biến nhất với hiệu quả xử lý cao và thân thiện, bền vững với môi trường sinh thái nhất là phương pháp sinh học

Cơ sở của quá trình xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học là quá trình chuyển hóa vật chất, quá trình tạo cặn lắng và quá trình làm sạch nguồn nước của các vi sinh vật dị dưỡng và tự dưỡng (chủ yếu là dị dưỡng) có trong tự nhiên có khả năng đồng hóa được rất nhiều nguồn cơ chất khác nhau có trong nước thải

Trong quá trình sống của các vi sinh vật, chúng sẽ sử dụng các nguồn cơ chất có trong nước để tổng hợp tế bào mới và sinh năng lượng Sau đó vi sinh vật tiếp tục phân hủy

và oxi hóa các nguồn cơ chất này để tạo thành các sản phẩm trung gian và cuối cùng là các hợp chất khí (NH3, H2S, CO2, H2, CH4, N2…) Sinh khối còn lại sẽ được lắng xuống và loại bỏ để nước được làm sạch [11, 20, 44]

Quá trình xử lý nước thải bằng vi sinh vật thực chất là một quá trình lên men Chúng chỉ khác nhau là quá trình lên men cơ bản được thực hiện với giống vi sinh vật thuần chủng còn trong quá trình xử lý nước thải được thực hiện với giống là một quần thể vi sinh vật [20]

Để thực hiện quá trình oxy hóa sinh hóa, các chất hữu cơ hòa tan, các chất keo và phân tán nhỏ trong nước thải cần được di chuyển vào bên trong tế bào vi sinh vật Theo quan điểm hiện đại nhất, quá trình xử lý nước thải bằng cách sử dụng vi sinh vật hấp thụ các chất ô nhiễm gồm ba giai đoạn:

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

Giai đoạn 2: Di chuyển các chất từ bề mặt ngoài tế bào qua màng bán thấm bằng khuếch tán do sự chênh lệch nồng dộ các chất bên trong và bên ngoài tế bào

Giai đoạn 3: Quá trình chuyển hóa các chất ở trong tế bào vi sinh vật với sự sản sinh năng lượng và quá trình tổng hợp các chất mới của tế bào với sự hấp thụ năng lượng

Các giai đoạn trên có quan hệ chặt chẽ với nhau và quá trình chuyển hóa các chất đóng vai trò chính trong quá trình xử lý nước thải [20]

Tuy nhiên, các hợp chất hữu cơ gây ô nhiễm trong nước thải thường tồn tại ở hai dạng hợp chất có kích thước khác nhau: Dạng thứ nhất bao gồm các chất hữu cơ có kích thước phân tử nhỏ, thường là các hợp phần hòa tan dễ hấp thu và chuyển hóa Trong quá trình hoạt động của vi sinh vật trong nước thải, đầu tiên các hợp phần hòa tan này dễ hấp thu (do phân tử nhỏ) sẽ được xâm nhập trực tiếp vào bên trong tế bào qua quá trình khuếch tán hoặc vận chuyển qua màng để được chuyển hóa nhằm cung cấp năng lượng và hình thành sinh khối tế bào [119] Còn dạng thứ hai chiếm tỉ lệ lớn hơn là các hợp chất hữu cơ

phân tử lượng cao hay dạng polymer (protein, polysaccharide; lipit,…) Do kích thước phân tử lớn nên các hợp chất này không thể xâm nhập trực tiếp vào bên trong tế bào vi sinh vật để thực hiện các quá trình chuyển hóa Lúc này, chính tế bào các vi sinh vật sẽ tiết ra hệ các enzyme ngoại bào tương ứng (amylase, cellulase, lipase,…) để phân giải các hợp chất cao phân tử tạo thành các hợp chất hòa tan phân tử nhỏ phân tán trong nước thải để tiếp tục

bị hấp thu bởi vi sinh vật (Hình 1.5) Quá trình chuyển hóa này diễn ra liên tục cho đến khi nồng độ các chất hữu cơ trong nước thải đạt tối thiểu [119]

Hình 1.4: Quá trình hấp thu và chuyển hóa các chất hữu cơ vào tế bào vi khuẩn [119]

Các chất hòa tan sau khi được hấp thu vào bên trong tế bào sẽ tiếp tục được thực hiện quá trình chuyển hóa nhờ vào hệ thống enzyme nội bào Quá trình oxi hóa các hợp chất hữu cơ được thực hiện đòi hỏi phải loại H2 nhờ hệ enzyme cytocrom Trong quá trình xử lý hiếu khí nước thải, chất nhận hydro cuối cùng là O2 Trong chu trình này các hợp chất hữu

cơ được oxy hóa hoàn toàn để giải phóng ra CO2 và H2O [67]

Hình 1.5: Quá trình chuyển hóa các hợp chất hữu cơ trong nước thải [67]

Có nhiều giải pháp sinh học đã được áp dụng để xử lý nước thải hữu cơ với hiệu quả cao như: công nghệ sinh học kỵ khí, công nghệ sinh học hiếu khí, công nghệ thiếu khí và giải pháp công nghệ kết hợp giữa các giải pháp này

Động học quá trình phân giải và chuyển hóa các chất có thể chia thành 2 pha với 4 giai đoạn nhỏ như sau (Hình 1.6)

Hình 1.6: Sơ đồ chuyển hóa các chất trong quá trình phân giải kỵ khí [65]

- Giai đoạn thủy phân:

Trong giai đoạn này, nhờ hệ vi sinh vật có hoạt tính enzyme thủy phân ngoại bào (cellulase; amylase; protease…) như: Bacteriodes, Clostridia và Bifidobacteria, Streptococci

các cấu tử nhỏ, mạch ngắn hơn và thành các chất hữu cơ hòa tan dễ hấp thu [65]

- Giai đoạn lên men sinh axít:

Nhờ hoạt động của các vi sinh vật lên men: Pseudomonas, Bacillus , Clostridium, Micrococcus, Flavobacterium… mà các chất dinh dưỡng hòa tan (đường, axit amin ) được chuyển hóa thành axit (axetic, propionic, foocmic, butyric hay succinic…), rượu hoặc keton (etanol, metanol, glyxerol, axeton), CO2 và H2

Sản phẩm tạo ra trong giai đoạn này (các axit và hoạt tính của các cấu tử có chức axit phân ly) thường làm giảm pH của nước thải

- Giai đoạn tạo axetat:

Trong giai đoạn này, các axit béo và rượu nhờ quá trình chuyển hóa của các chủng vi khuẩn như Syntrophomonas và Syntrophobacter tạo thành axetat, CO2 và H2

- Giai đoạn lên men metan: là quá trình chuyển hóa tiếp tục mạch hydratcacbon thành các phân đoạn ngắn hơn, và cuối cùng thành các cấu tử khí, rồi thoát lên khoảng không gian phía trên hình thành hỗn hợp khí sinh học (CH4, CO2, NO2…, trong đó hàm lượng CH4 có thể tới 60-64%)

Sản phẩm cuối cùng của các quá trình phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ ô nhiễm thường bao gồm: hỗn hợp khí sinh học (với lượng lớn khí CO2, CH4, C2H6 và phần nhỏ các

cấu tử khác như: N2, H2S, H2…) phần cơ chất đã được khoáng hóa - lắng đọng và sinh khối

vi sinh vật (các cấu tử thuộc hai nhóm thành phần này được tích tụ dưới dạng bùn hoạt tính thường chiếm tỷ lệ nhỏ)

Từ trước tới nay, quá trình công nghệ xử lý kỵ khí được đánh giá là có nhiều ưu điểm

và được áp dụng phổ biến trong các nhà máy xử lý nước thải công suất lớn trên thế giới ở các nước phát triển do có những ưu điểm: quá trình vận hành ít tiêu tốn về chi phí dinh dưỡng và năng lượng (do không cần sục khí), có thể thu hồi metan, tạo ra lượng bùn hoạt tính thấp (khoảng 5% tải lượng đầu vào), tải lượng cao [65, 84]

Tuy nhiên giải pháp này vẫn còn nhiều hạn chế: Thời gian xử lý và vận hành quá dài, chi phí đầu tư xây dựng ban đầu và chiếm diện tích lớn, có thể gây thất thoát khí ra môi trường và hiệu quả xử lý thường không triệt để do đó thường phải đi kèm hệ thống xử lý hiếu khí kết hợp

Các công nghệ và hệ thống xử lý có thể dựa trên nguyên tắc của quá trình phân hủy

kỵ khí, sử dụng các hệ thống thiết bị như: bể tự hoại, bể metan, bể kỵ khí hai giai đoạn, UASB, ABR…

Nguyên tắc của giải pháp là khai thác năng lực chuyển hóa của các vi sinh vật hiếu khí để phân hủy các chất hữu cơ có trong nước thải khi có đầy đủ oxy hòa tan ở các điều kiện thích hợp [101]

Quá trình phân giải hiếu khí các hợp chất hữu cơ có thể mô tả qua sơ đồ hình 1.7

Hình 1.7: Quá trình chuyển hóa các chất trong quá trình phân giải hiếu khí [105]

Trong quá trình hiếu khí, các vi sinh vật phát triển mạnh trong môi trường hiếu khí, giàu oxy và sử dụng năng lực chuyển hóa của chúng để phân hủy và xử lý chất thải Các tập đoàn vi sinh vật này sử dụng nguồn chất thải ô nhiễm (protein, cellulose, tinh bột, lipit…) như nguồn năng lượng cacbon chính để tồn tại và phát triển Kết quả của quá trình này là sự chuyển đổi hiệu quả từ các hợp chất hữu cơ phức tạp sang thành sinh khối vi sinh vật (bùn), CO2 và một số chất khí (Hình 1.8) [69, 119] Cơ chế của quá trình phân giải hiếu khí các hợp chất hữu cơ gồm 3 giai đoạn cơ bản (Hình 1.8)

Hình 1.8: Cơ chế của quá trình hiếu khí gồm 3 giai đoạn [119]

- Giai đoạn 1: Oxy hóa toàn bộ các hợp chất hữu cơ có trong nước thải để đáp ứng nhu cầu năng lượng của tế bào, phương trình 1.1 [11, 20]

CxHyOzN + (x + y/4 + z/3 + ¾) O2 x CO2 + [(y-3)/2] H2O + NH3 (1.1)

- Giai đoạn 2: Đồng hóa để xây dựng tế bào theo phương trình 1.2

CxHyOzN + NH3 + O2 xCO2 + C5H7NO2 (1.2)

- Giai đoạn 3: Quá trình dị hóa, hô hấp nội bào theo phương trình 1.3

C5H7NO2 + 5O2 xCO2 + H2O; NH3 + O2 O2 + HNO2 HNO3 (1.3)

Ở giai đoạn cuối cùng, khi hàm lượng các chất hữu cơ trong nước thải bị vi sinh vật

sử dụng hết hoặc còn ở nồng độ thấp, các vi sinh vật không đủ nhu cầu dinh dưỡng sẽ tiêu thụ chính sinh chất từ tế bào của chúng để duy trì tế bào (hô hấp nội sinh) Do đó, hàm lượng sinh khối liên tục giảm cho đến khi năng lượng đạt đến tối thiểu và đến mức ổn định [57]

Trong điều kiện hiếu khí, các loài vi sinh vật đã sử dụng ôxy làm chất nhận H+ và electron cho các chuyển hóa trao đổi chất của mình để ôxy hóa hoàn toàn các cơ chất dinh dưỡng đến mắt xích cuối cùng là CO2 và H2O đồng thời tạo ra lượng sinh khối lớn (Phụ thuộc vào các thông số của quá trình vận hành mà hiệu suất tạo sinh khối (bùn) trong quá trình xử lý hiếu khí có thể đạt được từ 30% (tải lượng đầu vào thấp) đến 60% (tải lượng đầu vào cao) [69, 70]

Quá trình phân hủy hiếu khí trong các hệ thống xử lý như: hồ sinh học hiếu khí, Aroten; FRBBR; USBF; AFB, SBR, đĩa quay sinh học, lọc nhỏ giọt, Unitank, thiết bị màng khí nâng…

Hiện nay, giải pháp hiếu khí đã thể hiện được những ưu điểm: hiệu quả xử lý cao, xử

lý triệt để, không gây ô nhiễm thứ cấp và thời gian xử lý ngắn

VSV

VSV

VSV

Tuy nhiên giải pháp hiếu khí còn tồn tại một số điểm: Thể tích công trình lớn, chiếm nhiều diện tích mặt bằng, chi phí vận hành lớn (năng lượng sục khí), không có khả năng thu hồi năng lượng và tạo ra lượng bùn dư lớn

Giải pháp sinh học thiếu khí nhằm khai thác năng lực trao đổi chất của hệ các vi sinh vật vi hiếu khí – kỵ khí để phân giải và chuyển hóa các hợp chất hữu cơ ô nhiễm tương ứng Cơ chất ô nhiễm cần phân giải trong quá trình này chủ yếu tập trung vào các hợp chất chứa nitơ Trong một số loại nước thải (sinh hoạt, đô thị, thủy sản, giết mổ…) thường chứa lượng các hợp chất nitơ rất lớn, dưới dạng các hợp chất nitơ hữu cơ, NH4+

, NO3-, NO2- ,

NO, N2O; Các thành phần này nếu không được xử lý triệt để sẽ làm cho nguồn tiếp nhận nước thải bị phú dưỡng, làm xuất hiện hiện tượng tái ô nhiễm trở lại toàn bộ nguồn nước Vấn đề trên sẽ được giải quyết nếu hoạt hóa và khai thác được năng lực trao đổi chất của các vi khuẩn nitrat hóa (chuyển hoá NH4+ → NO2-

, và NO2- → NO3-) và hệ các vi khuẩn phản nitrat hóa (chuyển hóa NO3-

thành NO, N2O, N2 ) [11, 20]

1.3.1.4 Giải pháp công nghệ xử lý kết hợp bằng bùn hoạt tính

Xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính là một quá trình sinh học hiệu quả cao và linh hoạt, được phát triển bởi tác giả Arden and Lockett năm 1914 và kéo dài suốt một thế kỷ đến nay Các công trình xử lý nước thải sử dụng bùn hoạt tính nhằm sử dụng các vi sinh vật để chuyển hóa các chất ô nhiễm hữu cơ, các chất dinh dưỡng (N; P) và một số chất vô

cơ từ nước thải vào sinh khối tế bào… Giai đoạn cuối cùng của quá trình xử lý bằng bùn hoạt tính là tách phân ly bùn hoạt tính ra khỏi nước bằng quá trình lắng [115]

Mô hình đơn giản nhất của quá trình xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính bao gồm hai giai đoạn chính: Giai đoạn đầu là quá trình sử dụng tập hợp các vi sinh vật để chuyển hóa các hợp chất hữu cơ, xảy ra trong quá trình thông khí ở bể bùn hoạt tính Hệ vi sinh vật trong bể sẽ được cung cấp oxy để sinh trưởng phát triển và chuyển hóa các chất ô nhiễm vào sinh khối tế bào Khi kết thúc quá trình ở bể bùn hoạt tính, hỗn hợp bùn và nước thải được chuyển sang giai đoạn lắng để phân tách bùn hoạt tính (do lắng trọng lực) ra khỏi nước đã xử lý trước khi xả thải Một phần bùn được tuần hoàn trở lại bể bùn và một phần lớn được loại bỏ dưới dạng chất thải bùn cần xử lý Quá trình xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính được thể hiện trong hình 1.9 [122]

Hình1.9: Quá trình bùn hoạt tính [122]

Hiệu quả xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính phụ thuộc vào nhiều yếu tố: hoạt tính bùn, cấu trúc bùn, biến động dòng vào hệ thống, dinh dưỡng, yếu tố môi trường… Trong

đó quá trình tách phân ly bùn và sinh khối vi sinh vật sau quá trình xử lý ra khỏi nước có vai trò rất quan trọng, quyết định tới hiệu suất xử lý và chất lượng tiêu chuẩn dòng ra [122] Các yếu tố ảnh hưởng tới khả năng phân tách bùn có thể là các yếu tố vật lý và sinh hóa học, bao gồm: tuổi bùn, chế độ thủy lực trong hệ thống, nồng độ chất rắn lơ lửng, mức

độ biến động và nồng độ oxy hòa tan, cấu trúc bùn hoạt tính và khả năng tạo bông bùn của sinh khối vi sinh vật với các chất rắn trong nước thải… [92] Tuy nhiên, cơ chế và hiệu quả của quá trình phân tách bùn hoạt tính khỏi dòng nước sau xử lý phụ thuộc chủ yếu vào 3 yếu tố: mức độ kết bông của bùn, đặc tính vật lý của bông bùn và các thông số thiết kế của

bể lắng [122] Trong đó mức độ kết bông của bùn và đặc tính của bông bùn trong quá trình lắng sẽ ảnh hưởng lớn nhất tới quá trình phân tách [115]

Nếu quá trình tạo thành các bông bùn quá nhỏ, có tỷ trọng xấp xỉ nước sẽ không thể tách được bằng quá trình lắng Khi đó cần phải dùng quá trình lọc hoặc tuyển nổi để phân tách bùn Các hóa chất như nhôm sulphat (làm kết tủa các những phần tử keo hấp phụ được) hoặc các polymer tổng hợp dạng anion, cation hoặc không ion hóa (tạo cầu nối giữa các phần tử tạo thành các cụm bông bùn lớn) có thể được bổ sung vào để cải thiện sự kết tụ của bông bùn và thực hiện quá trình phân tách [122]

Hiện nay, giải pháp công nghệ sinh học được áp dụng phổ biến nhất để xử lý nước thải nói chung và nước thải ngành sản xuất tinh nói riêng là công nghệ xử lý bằng bùn hoạt tính, thường kết hợp nhiều giải pháp trong cùng một hệ thống xử lý

Hệ thống này hoạt động trải qua nhiều giai đoạn, khai thác năng lực chuyển hóa các chất ô nhiễm đồng thời của cả hệ vi sinh vật kỵ khí, hiếu khí và vi hiếu khí (bằng cách phân vùng chức năng hoặc xây dựng các bể phân chia tách biệt để xác lập các điều kiện thích hợp cho hệ vi sinh vật tương ứng phát triển và hoạt động hiệu quả) Hệ thống xử lý được xây dựng bao gồm nhiều bể: Bể xử lý kỵ khí, bể xử lý vi hiếu khí, bể xử lý hiếu khí,

bể lắng phân ly bùn hoạt tính… (Hình 1.10) [56, 121]

Hình 1.10: Sơ đồ cấu trúc vận hành của công nghệ xử lý nước thải sử dụng bùn hoạt tính [56]

Với ưu điểm là một hệ thống hoàn chỉnh, hoạt động liên hoàn giữa các quá trình xử

lý kỵ khí, hiếu khí, thiếu khí, lắng phân ly bùn và khử trùng nên hiệu suất xử lý của hệ thống rất cao, hoạt động ổn định…

Tuy nhiên, một số mặt hạn chế của hệ thống thiết bị xử lý bằng bùn hoạt tính hiện hành vẫn còn là khó khăn do hệ thống được xây dựng bao gồm nhiều bể chức năng nên chỉ

số sử dụng đất xây dựng và tổng mức đầu tư xây dựng ban đầu cao Ngoài ra, việc kiểm soát quá trình vận hành cũng rất phức tạp, đòi hỏi phải có trình độ kỹ thuật cao, chi phí bảo trì – bảo dưỡng hệ thống thiết bị lớn và tiêu hao nhiều năng lượng

Theo dữ liệu thống kê của hiệp hội xử lý nước thải Hoa Kỳ, mức phân bổ chi phí trong suốt quá trình vận hành của hệ thống xử lý sinh học nước thải sử dụng bùn hoạt tính như sau: Khoản chi phí lớn nhất là chi cho mức tiêu hao điện năng trong quá trình vận hành (chiếm tới 78% với hệ thống mới hoạt động hiệu quả và đến 95% với hệ thống cũ vận hành kém) Khoản chi phí còn lại bao gồm bảo trì, bảo dưỡng, nhân công… tuy nhỏ song vẫn lớn hơn tổng các khoản chi phí khác còn lại (Hình 1.11) [56]

Hình 1.11: Biểu đồ chi phí của hệ thống xử lý sinh học nước thải sử dụng bùn hoạt tính [56]

Trong chi phí cho mức tiêu thụ điện năng, phân bổ tiêu tốn năng lượng cho các công đoạn xử lý như trên hình 1.12 có thể thấy mức tiêu thụ điện năng chủ yếu tập trung ở các công đoạn là:

- Cung cấp oxy hòa tan (sục khí) cho hệ vi sinh phát triển để chuyển hóa chất ô nhiễm trong bể hiếu khí

- Khuấy trộn để chống kết lắng bùn (trong bể xử lý vi hiếu khí và kỵ khí)

- Bơm vận chuyển (vòng tuần hoàn nước trở lại về bể vi hiếu khí để xử lý nitơ)

- Chiếu sáng và phục vụ nhân lực vận hành

Hình 1.12: Chi phí tiêu hao điện năng trong hệ thống xử lý sinh học bùn hoạt tính [121]

1.3.1.5 Giải pháp công nghệ xử lý khai thác chất ô nhiễm - Hệ thống xử lý sinh học hiếu khí tích hợp 5 chức năng

Hướng tới phát triển giải pháp công nghệ xử lý và khai thác các chất ô nhiễm như một dạng tài nguyên - W2E (Wastewater to Enwergy) và nhằm đạt được các mục tiêu cải thiện các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật đồng thời khắc phục những khó khăn gặp phải trong công nghệ xử lý nước thải hiện hành, giải pháp công nghệ xử lý sinh học tích hợp 5 chức năng – công nghệ xử lý khai thác chất ô nhiễm đã được nghiên cứu và phát triển [54, 55] Giải pháp này đã được ứng dụng để nâng cao hiệu suất trong xử lý nước thải đô thị với chi phí xử lý cạnh tranh hơn so với công nghệ hiện hành [19]

 Cơ sở khoa học của giải pháp

Bản chất của quá trình xử lý nước thải bằng vi sinh vật (trong công nghệ kỵ khí, vi hiếu khí hay hiếu khí) đều là quá trình chuyển hóa các hợp chất hữu cơ của hệ vi sinh vật

để phục vụ nhu cầu sinh trưởng, phát triển và trao đổi chất của chúng Kết quả của quá trình này là các hợp chất ô nhiễm được hệ vi sinh vật hấp thu (trước với các chất ô nhiễm hòa tan dễ hấp thu) và phân giải (sau đó với các chất polymer không tan, khi chất hòa tan hết) để tạo ra các cấu tử không ô nhiễm và làm sạch nước

Giai đoạn đầu tiên của quá trình chuyển hóa sinh học này luôn luôn gắn liền với hiệu ứng tăng sinh khối vi sinh vật Giai đoạn tiếp theo, nếu sinh khối vi sinh vật tạo ra không được tách khỏi môi trường xử lý thì sẽ bị chết và phân hủy một phần thành cơ chất cho các chuyển hóa vi sinh kế tiếp Quá trình cứ như vậy diễn ra nhiều vòng đến khi các chất hữu

cơ được chuyển hóa đến sản phẩm cuối cùng (Hình 1.13)

Như vậy, nếu có giải pháp công nghệ phù hợp để tách phân ly và thu bùn hoạt tính sớm khi chưa diễn ra quá trình phân hủy nội bào thì hoạt động xử lý nước thải có thể được coi là quá trình công nghệ lên men thu sinh khối vi sinh vật sử dụng môi trường cơ chất là nước thải và làm cho nước sạch hơn

Hình 1.13: Nguyên lý chuyển hóa vi sinh các chất ô nhiễm trong xử lý nước thải [55]

Mặt khác: Bản chất của mọi chuyển hóa dị hóa các chất hữu cơ ô nhiễm đều là quá trình ôxy hóa – khử sinh học, gắn liền với quá trình vận chuyển H+ và electron từ cơ chất

bị ôxy hóa đến chất nhận tương ứng, trong đó với với quá trình chuyển hóa vi sinh hiếu khí, oxy phân tử là chất nhận điện tử cuối cùng để tạo thành nước và tích lũy nhiều sinh khối hơn, còn trong điều kiện kỵ khí, chất nhận điện tử cuối cùng là cơ chất hữu cơ trung gian và sản phẩm tạo ra sẽ là chất hữu cơ thứ cấp còn mang năng lượng Ngoài ra, trong quá trình chuyển hóa hiếu khí, sản phẩm là CO2 sinh ra sẽ được đi vào vòng tuần hoàn cacbon do đó không ảnh hưởng đến cân bằng động CO2 trong tự nhiên Trong khi đó các chuyển hóa kỵ khí triệt để sẽ tạo ra sản phẩm cuối là khí sinh học sẽ làm tăng hiệu ứng phát thải khí nhà kính vì không thể thu gom triệt để được lượng khí sinh học trong các hệ thống xử lý nước thải ngoài thực tiễn (Hình 1.14)

Như vậy, nếu xác lập được giải pháp công nghệ mới ưu tiên khai thác chuyển hóa hiếu khí sẽ mang lại lợi thế làm sạch nước nhanh hơn và triệt để hơn, đồng thời thu được nhiều sinh khối hơn (trong khi công nghệ xử lý vi sinh hiện hành thường ưu tiên khai thác quá trình xử lý kỵ khí để hạn chế tạo nhiều bùn hoạt tính)

Hình 1.14: Cơ chế tóm tắt quá trình ôxy hóa – khử sinh học trong xử lý nước thải [55] Luận giải trên là cơ sở khoa học và công nghệ để phát triển giải pháp công nghệ xử

lý vi sinh mới, với đặc trưng là: cấp nước thải trực tiếp vào bể xử lý hiếu khí làm động lực

chủ đạo cho toàn bộ quá trình xử lý, trong điều kiện khai thác ứng dụng các đặc tính động học và sinh học của bể hiếu khí để phân ly tách thu bùn hoạt tính sớm ngay trong quá trình

xử lý sinh học và triển khai xác lập giải pháp công nghệ xử lý hiếu khí tích hơp mới với phí xử lý cạnh tranh hơn, so với giải pháp công nghệ hiện hành

 Sơ đồ cấu trúc và nguyên lý vận hành hệ thống xử lý của giải pháp

Giải pháp công nghệ này ưu tiên khai thác năng lực xử lý vi sinh hiếu khí để thu nhiều bùn hoạt tính hơn, tách phân ly thu bùn hoạt tính kích thước lớn ngay trong quá trình

xử lý sinh học và áp dụng giải pháp công nghệ xử lý mới trong bể xử lý hiếu khí tích hợp

để xác lập mức phí xử lý cạnh tranh hơn so với các hệ thống xử lý hiện hành (Phù hợp với

xử lý sớm gần đầu nguồn phát thải, phí đầu tư xây dựng ban đầu, hệ số chiếm dụng đất,

mức tiêu hao năng lượng cấp khí trong bể xử lý hiếu khí, tiêu hao năng lượng bơm tuần hoàn nước thải cho mục tiêu khử nitơ và hoạt động lắp đặt – bảo trì, bảo dưỡng – thay thế thiết bị thuận lợi hơn) (Hình 1.15)

Hình 1.15: Sơ đồ cấu trúc và nguyên lý vận hành của hệ thống xử lý sinh học hiếu khí tích hợp

Ở trạng thái vận hành “Bể xử lý sinh học tích hợp 5 chức năng điều chỉnh được có tách phân ly bùn ngay trong quá trình xử lý”, thiết bị cấp khí 1 sẽ sục khí phân tán vào bể, tạo ra vùng hiếu khí dạng “cột bọt khí-lỏng” chuyển động hướng lên trên Sau khi bọt khí thoát ra, nước thải sẽ chảy theo các vách hướng dòng tuần hoàn trở lại đáy bể, như mô tả qua đường mũi tên mảnh trên hình 1.15 Trong quá trình chảy, vi sinh vật hiếu khí tiếp tục

sử dụng ôxy, làm cho nồng độ ôxy hòa tan giảm dần - Môi trường nước sẽ chuyển dần

sang trạng thái vi hiếu khí (anoxic) và tiếp theo sang trạng thái kỵ khí (anaerobic) Khi qua

vùng vi hiếu khí 3, dòng nước đổi chiều chảy, làm cho bùn hoạt tính lớn theo quán tính sẽ lắng xuống vùng 5, rồi được tách ra ngoài theo cửa riêng ngay trong quá trình vận hành xử

lý Vùng không gian kém hiệu quả phía góc phía trên thành bể được thiết kế tạo ra vùng lắng - lọc trong nước thải sau xử lý (vùng 6), rồi dẫn ra ngoài bể (cửa 7) Nước thải cấp vào từ các cửa 9 ở xung quanh đáy bể sẽ tạo ra dòng chảy vào trong bể kéo theo bùn hoạt tính để chống lắng trong vùng kém hiệu quả này của bể [55]

Ưu điểm của hệ thống:

- Giải pháp công nghệ này đã xác lập được đồng thời 3 đặc tính công nghệ đặt ra là:

ưu tiên khai thác quá trình xử lý hiếu khí và tách phân ly phần bùn hoạt tính lớn ngay trong quá trình xử lý sinh học Trong điều kiện triển khai xác lập giải pháp công nghệ xử lý hiếu khí tích hợp mới với phí xử lý cạnh tranh hơn so với giải pháp công