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

Dựa trên cơ sở đó, đề tài “Khảo sát hiệu quả xử lý nước thải chế biến thịt và thủy sản của một số chủng vi khuẩn phân lập từ nước thải giàu Protein” với mong muốn khảo sát khả năng xử lý

Giảng viên hướng dẫn : ThS.VÕ HỒNG THI Sinh viên thực hiện : TÔ THÙY TRANG

TP Hồ Chí Minh - 2011

LỜI MỞ ĐẦU

Ngành công nghiệp chế biến thịt, thủy hải sản đã và đang đem lại nhữnglợi nhuận không nhỏ cho nền kinh tế Việt Nam Nhưng bên cạnh những lợi íchmang lại như tạo thêm công ăn việc làm cho người lao động, tăng trưởng GDP choquốc gia thì những ngành công nghiệp này cũng để lại những hậu quả thật khólường đối với môi trường sống của con người Các con sông, kênh rạch nước bịđen bẩn và bốc mùi hôi thối do phải tiếp nhận một lượng lớn nước thải có chứanhiều chất hữu cơ chưa qua xử lý hoặc xử lý chưa đạt chuẩn thải ra từ các nhàmáy chế biến thịt và thủy sản Và điều này đã gây ảnh hưởng rất lớn với conngười và hệ sinh thái gần các khu vực phải hứng chịu các loại nước thải này

Đứng trước những đòi hỏi về một môi trường sống trong lành cho ngườidân, cũng như những qui định đối với các doanh nghiệp sản xuất thì cần phải cómột hệ thống xử lý nước thải đúng chuẩn nhằm giảm thiểu ảnh hưởng đến môitrường xung quanh Như vậy, mỗi doanh nghiệp cần lựa chọn một phương pháp

xử lý để đạt hiệu quả cao nhất đối với ngành sản xuất của mình là nhu cầu bứcthiết

Nước thải chế biến thực phẩm nói chung cũng như nước thải sản xuất thịt

và thủy sản nói riêng đều có đặc trưng là thành phần ô nhiễm hữu cơ rất cao, chủyếu phát sinh trong các công đoạn sơ chế và làm sạch nguyên liệu ( tôm, cá, mực,giết mổ gia súc, gia cầm…)

Hiện nay, công nghệ sinh học đang từng bước phát triển cũng như việcứng dụng nó trong công tác bảo vệ môi trường ngày càng được chú ý áp dụnghơn Đặc biệt, phương pháp xử lý sinh học rất phù hợp với nước thải sản xuất vàchế biến thịt và thủy hải sản do đặc trưng của nước thải này là ô nhiễm hữu cơ dễphân hủy sinh học

Một số vi sinh vật trong nước có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơchứa nitơ là thành phần chủ yếu của nước thải thủy sản và thịt, đặc biệt là vikhuẩn thuộc chi Bacillus Các chủng vi sinh vật này đã có nhiều ứng dụng trongnhiều lĩnh vực khác nhau như: công nghiệp sản xuất chất tẩy rửa, công nghiệpthực phẩm,…đặc biệt là trong lĩnh vực xử lý nước thải chứa nhiều protein Trong

điều kiện tự nhiên của nước thải, các vi sinh vật này tự phát triển về số lượng vàkhối lượng nhưng đòi hỏi thời gian dài Nếu các vi sinh vật này được tách riêng và

đã được thích nghi trước trong môi trường giàu protein để sau đó sẽ được bổ sungvào nước thải ở giai đoạn vi sinh vật sinh trưởng mạnh nhất thì vừa có thể nângcao hiệu quả xử lý nước thải, vừa rút ngắn được thời gian thích nghi của vi sinh

vật trong bể xử lý Dựa trên cơ sở đó, đề tài “Khảo sát hiệu quả xử lý nước thải chế biến thịt và thủy sản của một số chủng vi khuẩn phân lập từ nước thải giàu Protein” với mong muốn khảo sát khả năng xử lý các chất hữu cơ của các

chủng vi sinh vật đã được thích nghi trước và so sánh với các vi sinh vật phát triểnhoàn toàn tự nhiên từ nước thải thực phẩm

Xem xét hiệu quả xử lý nước thải sản xuất, chế biến thịt và thủy sản củacác chủng vi khuẩn đã phân lập được từ chính các nguồn nước thải đó từ đó hìnhthành một vài chế phẩm phù hợp

- Tìm hiểu khái quát về ngành công nghiệp sản xuất chế biến thịt và thủy sản, các vấn đề môi trường phát sinh từ các ngành công nghiệp này

- Đánh giá mức độ ô nhiễm của nước thải thịt ( nước thải sản xuất và chếbiến gia cầm công ty trách nhiệm hữu hạng (TNHH) Phạm Tôn) và nước thải thủy sản( công ty TNHH thủy sản Hai Thanh)

- Khảo sát đánh giá hiệu quả xử lý của các chủng vi sinh đã phân lập được trước đó trên một số loại nước thải giàu protein

Một số loại nước thải giàu protein như: nước thải chế biến thịt và thủy sản

4.2 Phạm vi nghiên cứu

Một số chủng vi khuẩn có khả năng phân hủy protein ứng dụng trong xử lýnước thải chế biến thịt và thủy sản Các loại vi sinh vật khác và các loại nước thải

giàu protein khác không nằm trong phạm vi của nghiên cứu này.

5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Phương pháp điều tra khảo sát một số nhà máy chế biến thịt và thủy sản

+ Nghiên cứu thu thập tài liệu tham khảo, tài liệu internet liên quan đến

đề tài

+ Tổng hợp, lựa chọn các tài liệu phù hợp với mục tiêu đề ra

+ Phương pháp xử lý số liệu: trên phần mềm Excel 2003/2007

được đối với nước thải thịt và thủy sản nhằm xác định điều kiện xử lý cho kết quả tốtnhất

- Hình thành một vài chế phẩm sinh học phù hợp với nước thải sản xuất chế biến thịt và thủy sản

- Đã khái quát được công nghệ chế biến thực phẩm điển hình, cụ thể là ngành công nghiệp chế biến thịt và thủy sản

- Nắm được thành phần, tính chất và những tác động đến môi trường của nước thải ngành công nghiệp chế biến thịt và thủy sản

- Đã khảo sát khả năng phân giải chất hữu cơ (COD) trong nước thải thủysản và thịt của 10 chủng Bacillus đã phân lập theo thời gian (24 giờ, 48 giờ và 72 giờ), ở

2 tỷ lệ giống (1% và 2%) với nồng độ COD tăng dần (500mg/l, 800mg/l,

1150mg/l đối với nước thải thủy sản và 500mg/l, 800mg/l, 1200mg/l và 200mg/l đối với nước thải thịt).

- Hiệu quả xử lý chất hữu cơ (COD) trên 2 loại nước thải của các chủngBacillus phân lập đều đạt cao nhất ở tỷ lệ giống 1% sau 72 giờ sục khí Trong khoảngthời gian này, thời gian xử lý càng dài thì hiệu quả xử lý COD càng tăng, tuy nhiên khităng tải trọng hữu cơ (COD đầu vào) thì hiệu quả xử lý giảm dần

- Bên cạnh đó, khi lựa chọn 6 chủng đạt hiệu quả xử lý cao và ổn định nhất

để phối lại với nhau tạo thành hỗn hợp H6 thì khả năng loại bỏ COD của hỗn hợp caohơn khi chỉ sử dụng riêng rẽ từng chủng

- Hiệu quả xử lý của 10 chủng Bacillus khi áp dụng trên nước thải thủy sảncao hơn trên thịt, tuy sự khác biệt ấy cũng chưa thật rõ ràng

Đồ án tốt nghiệp gồm có 4 chương:

 Chương 2 – Nguyên vật liệu và phương pháp nghiên cứu

 Chương 4 – Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Tầm quan trọng của ngành sản xuất và chế biến thực phẩm

Thực phẩm đóng vai trò quan trọng là nguồn dinh dưỡng thiết yếu trongđời sống của con người Tuy vậy, nếu so sánh nhu cầu cần thiết của con người sovới khả năng sản xuất lương thực, thực phẩm hiện nay thì một phần ba dân số hiệnđang thiếu ăn (TS Nguyễn Xuân Phương và TSKH Nguyễn Văn Thoa) Nguyênnhân là do dân số tăng nhanh, kèm với thiên tai, sâu bệnh, đất đai sản xuất xóimòn, thoái hóa và thu hẹp làm cho khả năng sản xuất lương thực, thực phẩm bịhạn chế

Cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật trên thế giới đã và đang diễn ra với tốc

độ nhanh và quy mô lớn chưa từng thấy giúp giải quyết được nhu cầu lương thực

và thực phẩm trong tương lai Ứng dụng của khoa học hiện đại giúp tăng nhanhhiệu suất trồng trọt và chăn nuôi, bảo quản có hiệu quả cao các sản phẩm nôngnghiệp, biến những nguyên liệu không phải là thực phẩm làm thành thực phẩm,nâng cao chất lượng thực phẩm

chục năm gần đây Với điều kiện tự nhiên và địa lý thuận lợi (vành đai nhiệt đới, đường

bờ biển dài, nhiều ao hồ, sông suối…) và sự cần cù, học hỏi nên chỉ trong

thời gian ngắn, Việt Nam cũng đã đào tạo được một đội ngũ cán bộ khoa học kỹthuật chuyên ngành đông đảo, mở ra hàng trăm nhà máy thực phẩm lớn nhỏ, sảnxuất được nhiều sản phẩm phục vụ đời sống và xuất khẩu

Khép lại năm 2010, thủy sản Việt Nam đã đạt được những bước tiến đángghi nhận Sản lượng khai thác thủy sản tháng 12/2010 ước đạt 255,8 ngàn tấn, đưasản lượng khai thác cả năm 2010 lên 2.450,8 ngàn tấn, bằng 107,6% so với cùng

kỳ năm 2009 và đạt 102,1% so với kế hoạch đề ra

Lĩnh vực xuất khẩu được coi là thành công nhất trong bức tranh thủy sảnnăm 2010 Theo ngành thủy sản, năm 2010, giá trị kim ngạch xuất khẩu thủy sảnđạt 4,94 tỷ USD, tăng 16,3% so với cùng kỳ năm 2009 Nhìn lại năm qua, có thểthấy hai mặt hàng chủ lực là tôm và cá tra nằm trong số các mặt hàng thủy sảnxuất khẩu của nước ta đều đã vượt khỏi ngưỡng giá trị 1 tỷ USD, trong đó mặthàng tôm lần đầu tiên đạt hơn 2 tỷ USD

Với mức giá cao, mặt hàng tôm đã vượt lên chiếm 40,7% tổng giá trị xuất khẩu thủy sản của Việt Nam, cũng là mặt hàng đứng đầu trong nhóm thủy sản Thị trường tiêu thụ tôm đã vươn tới 90 nước, trong đó 3 thị trường chính là Nhật Bản, Mỹ, EU chiếm trên 70% tổng kim ngạch xuất khẩu tôm của cả nước.

Mặt hàng cá ngừ, mực và bạch tuộc, cũng đạt giá trị khá cao đều đạt hơn

1 tỷ USD trong tổng giá trị xuất khẩu thủy sản năm nay

Bên cạnh đó, sản lượng ngành công nghiệp thịt của ngành công nghiệp chếbiến thực phẩm của Việt Nam năm 2010 đạt 1,6 triệu tấn/năm, trong đó có 77% thịt lợn, 16% thịt gia cầm và 7% thịt gia súc Phần lớn sản phẩm thịt lợn được phân phối dưới dạng tươi sống trong khi chỉ có một tỷ lệ nhỏ, tuy nhiên đang có chiều hướng tăng lên được chế biến thành thịt hộp, xúc xích nhưng tỷ trọng các sản phẩm chế biến này đang có chiều hướng gia tăng Mặt khác, lượng thịt gia súc, gia cầm tiêu thụ trong nước cũng đạt ở mức cao Cụ thể, thành phố Hồ Chí Minh tiêu thụ với số lượng khoảng 400 tấn/ngày

Chế biến thịt là hoạt động có quy mô tương đối nhỏ tại Việt Nam Chỉ có một vài công ty chế biến có công suất trên 10.000 tấn/năm Hiện tại có khoảng

290 lò mổ chính thức đang hoạt động trên khu vực Thành phố Hồ Chí Minh Tại Việt Nam, hai công ty hàng đầu trong ngành chế biến thịt là Công ty chế biến thực phẩm Vissan và Animex Hiện nay, các cơ sở giết mổ thủ công tập trung và

hộ gia đình thường hình thành tự phát, không theo quy định và không đạt tiêu chuẩn vệ sinh, mặc dù đang cung cấp trên 80% nhu cầu tiêu thụ thịt gia súc, gia cầm cho toàn Thành phố Hồ Chí Minh

1.2 Công nghệ sản xuất chế biến thực phẩm và các vấn đề môi trường đi kèm

1.2.1 Công nghệ sản xuất chế biến thủy sản và các vấn đề môi trường đi kèm

1.2.1.1 Quy trình sản xuất chế biến thủy sản

Các cơ sở chế biến thủy hải sản ở quy mô tiểu thủ công nghiệp thường sửdụng công nghệ chế biến đơn giản, chủ yếu chế biến thô, quy trình chung như sau:

Hình 1.1 – Công nghệ sản xuất trong một nhà máy sản xuất thủy sản

thường gặp ở Việt Nam hiện nay

1.2.1.2 Đặc điểm công nghệ sản xuất chế biến thủy sản

Công nghệ sản xuất chế biến thủy sản được các công ty, xí nghệp áp dụnghiện nay trải qua nhiều công đoạn trước khi đưa sản phẩm ra thị trường

Nguồn nguyên liệu ban đầu như: tôm, cá mực…sẽ được rửa sơ bộ, rồimang đi cân để phân cỡ nhằm tách ra từng loại theo qui định về trọng lượng củatừng nhà máy Sau đó, các loại nguyên liệu qua công đoạn cắt bỏ đầu, nội tạng vàđánh vẩy Ở giai đoạn này, một lượng chất hữu cơ lớn được thải ra, sẽ gây ảnhhưởng đến môi trường nếu không được tái sử dụng để làm phân bón hay xử lý.Nguyên liệu lại tiếp tục được rửa, cân và phân cỡ lại Sau đó, nguyên liệu đượcngâm, rửa để loại bỏ hết những tạp chất còn bám trên đó trước khi cho vào khay.Đến đây, sản phẩm đã hoàn thành được đem cấp đông trước khi đưa ra thị trường

Tóm lại, xuyên suốt công nghệ sản xuất chế biến thủy sản, lượng nước thảiphát sinh chủ yếu là từ các công đoạn sơ chế và làm sạch nguyên liệu, đặc biệtnước thải từ khâu bỏ đầu, đánh vẫy và lấy nội tạng là rất ô nhiễm

1.2.1.3 Thành phần và tính chất của nước thải sản xuất và chế biến thủy sản

Đặc điểm của ngành chế biến thuỷ hải sản là có lượng chất thải lớn Cácchất thải có đặc tính dễ ươn hỏng và dễ thất thoát theo đường thâm nhập vào dòngnước thải

Đối với các khâu chế biến cơ bản, nguồn thải chính là khâu xử lý và bảoquản nguyên liệu trước khi chế biến, khâu rả đông, làm vệ sinh thiết bị nhà xưởng.Đối với hoạt động đóng hộp, ngoài các nguồn ô nhiễm ở các khâu như trên còn cókhâu rót nước sốt, nước muối, dầu Các nguồn thải chính từ sản xuất bột cá và dầu

cá là nước máu từ khâu bốc dỡ và bảo quản cá, và thời điểm dòng thải đậm đặcnhất là khâu ly tâm nước ngưng tụ các thiết bị cô đặc

Nguồn phát sinh chất thải gây ô nhiễm chủ yếu trong các công ty chế biếnđông lạnh thì được chia làm ba dạng: chất thải rắn, chất thải lỏng và chất thải khí.Trong quá trình sản xuất còn gây ra các nguồn ô nhiễm khác như tiếng ồn, độrung và khả năng gây cháy nổ

* Chất thải rắn

Chất thải rắn thu được từ quá trình chế biến tôm, mực, cá, sò có đầu vỏtôm, vỏ sò, da, mai mực, nội tạng… Thành phần chính của phế thải sản xuất cácsản phẩm thuỷ sản chủ yếu là các chất hữu cơ giàu đạm, canxi, phospho Toàn bộphế liệu này được tận dụng để chế biến các sản phẩm phụ, hoặc đem bán cho dânlàm thức ăn cho người, thức ăn chăn nuôi gia súc, gia cầm hoặc thuỷ sản

* Chất thải lỏng

Nước thải trong công ty máy chế biến đông lạnh phần lớn là nước thảitrong quá trình sản xuất bao gồm nước rửa nguyên liệu, bán thành phẩm, nước sửdụng cho vệ sinh và nhà xưởng, thiết bị, dụng cụ chế biến, nước vệ sinh cho côngnhân

Lượng nước thải và nguồn gây ô nhiễm chính là do nước thải trong sảnxuất

* Chất thải khí

Khí thải sinh ra từ công ty có thể là:

- Khí thải Chlor sinh ra trong quá trình khử trùng thiết bị, nhà xưởng chế biến và khử trùng nguyên liệu, bán thành phẩm

- Mùi tanh từ mực, tôm nguyên liêu, mùi hôi tanh từ nơi chứa phế thải,

vỏ sò, cống rãnh

Như vậy, bên cạnh những đóng góp to lớn, ngành công nghiệp chế biếnthủy sản cũng nảy sinh ra nhiều vấn đề về môi trường, đặc biệt là nước thải sảnxuất, với một lượng lớn có nguy cơ ô nhiễm môi trường cao Thành phần nướcthải thuỷ sản cũng khá phức tạp và đa dạng, bao gồm 3 loại: nước thải sản xuất,nước thải vệ sinh công nghiệp và nước thải sinh hoạt, trong đó nước thải sản xuất

có mức độ ô nhiễm cao hơn cả tuỳ theo đặc tính của nguyên liệu sử dụng mà cótính chất khác nhau Nước thải sản xuất chế biến thuỷ sản chứa chủ yếu là chấthữu cơ có nguồn gốc từ động vật nên chứa nhiều protein và lipit Nước thải củacác xí nghiệp chế biến thuỷ sản nói chung có hàm lượng COD dao động từ 1600 –

2300 mg/l, hàm lượng BOD5 từ 1200 – 1800 mg/l Hàm lượng chất rắn lơ lửngcao từ 200 – 1000 mg/l Hàm lượng nitơ tổng là 50 – 120 mg/l và photpho tổng là

10 - 100 mg/l pH thường nằm trong giới hạn từ 6,5 - 7,5 do có quá trình phân huỷ

đạm và thải ammoniac Ngoài ra, các thành phần chất hữu cơ trong nước thải thủysản khi phân huỷ tạo ra các sản phẩm trung gian là các axit béo không no nên tạomùi rất khó chịu gây ảnh hưởng sức khoẻ công nhân trực tiếp làm việc.

Sau đây là một số kết quả tính chất nước thải thủy hải sản tham khảo tạimột vài nhà máy chế biến thủy sản điển hình:

Bảng 1.1 - Thành phần và tính chất nước thải công ty TNHH thủy sản Hai Thanh

Chỉ tiêu Hàm lượng trung bình Tiêu chuẩn thải (QCVN 11 :

(Nguồn : Công ty TNHH thủy sản Hai Thanh)

Bảng 1.2 - Thành phần và tính chất nước thải các nhà máy chế biến thuỷ hải sản ở

Bảng 1.3 - Thành phần và tính chất nước thải nhà máy chế biến thuỷ hải sản

Ngô Quyền - Kiên Giang

Mẫu 3: nước thải phân xưởng đông lạnh Mẫu 4: cống xả phân xưởng hải

sản đông lạnh

Tính chất nước thải thường thay đổi theo các mặt hàng sản xuất của từngnhà máy Nhìn chung nước thải của ngành chế biến thuỷ hải sản vượt quá nhiềulần so với qui định cho phép xả vào nguồn (từ 5 – 10 lần về chỉ tiêu COD, gấp 2 –

4 lần về chỉ tiêu nitơ hữu cơ ) Ngoài ra chỉ số về lượng nước thải trên một đơn vịsản phẩm của nhà máy cũng rất lớn (từ 70 – 120 m3/tấn sản phẩm) Vì vậy, cần cóbiện pháp xử lý nước thải phù hợp trước khi xả vào nguồn tiếp nhận

1.2.1.4 Tác động của nước thải sản xuất và chế biến thủy sản đến môi trường nước

Như đã đề cập ở mục 1.2.1.2, nước thải chế biến thuỷ sản có hàm lượngcác chất ô nhiễm cao nếu không được xử lý sẽ gây ô nhiễm các nguồn nước mặt

và nước ngầm trong khu vực

Đối với nước ngầm tầng nông, nước thải chế biến thuỷ sản có thể thấmxuống đất và gây ô nhiễm nước ngầm Các nguồn nước ngầm nhiễm các chất hữu

cơ và vi sinh vật gây bệnh rất khó xử lý thành nước sạch cung cấp cho sinh hoạt

Đối với các nguồn nước mặt, các chất ô nhiễm có trong nước thải chế biếnthuỷ sản sẽ làm suy thoái chất lượng nước, tác động xấu đến môi trường và thủysinh vật, cụ thể như sau:

 Các chất hữu cơ

Các chất hữu cơ chứa trong nước thải chế biến thuỷ sản chủ yếu là dễ bịphân hủy Trong nước thải chứa các chất như cacbonhydrat, protein, chấtbéo Khi xả vào nguồn nước sẽ làm suy giảm nồng độ oxy hòa tan trong nước do

vi sinh vật sử dụng oxy hòa tan để phân hủy các chất hữu cơ Nồng độ oxy hòa tandưới 50% bão hòa có khả năng gây ảnh hưởng tới sự phát triển của tôm, cá Oxy hòa tangiảm không chỉ gây suy thoái tài nguyên thủy sản mà còn làm giảm khả năng tự làm sạchcủa nguồn nước, dẫn đến giảm chất lượng nước cấp cho sinh hoạt và công nghiệp

 Chất rắn lơ lửng

Các chất rắn lơ lửng làm cho nước đục hoặc có màu, hạn chế độ sâu tầngnước được ánh sáng chiếu xuống, gây ảnh hưởng tới quá trình quang hợp của tảo,rong rêu Chất rắn lơ lửng cũng là tác nhân gây ảnh hưởng tiêu cực đến tàinguyên thủy sinh đồng thời gây tác hại về mặt cảm quan (tăng độ đục nguồnnước) và gây bồi lắng lòng sông, cản trở sự lưu thông nước và tàu bè…

 Vi sinh vật

Các vi sinh vật gây bệnh và trứng giun sán trong nguồn nước bị ô nhiễmbởi nước thải là yếu tố có thể truyền dẫn các bệnh dịch cho người như bệnh lỵ,thương hàn, bại liệt, nhiễm khuẩn đường tiết niệu, tiêu chảy cấp tính

1.2.2 Công nghệ sản xuất chế biến thịt và các vấn đề môi trường đi kèm

1.2.2.1 Công nghệ sản xuất và chế biến thịt

Chất thải sinh ra trong quá trình giết mổ, chế biến thịt như: lông, xương,

da, mỡ, lòng ruột, phân súc vật có khả năng gây hôi thối và ô nhiễm rất nặng cho môi trường xung quanh Sau đây dây chuyền công nghệ trong sản xuất chế biến thịt

Gia súc,gia cầm

Treo, gây mê

Cắt tiết

Vặt lông

Ngâmparaphin

Hình 1.2 - Các công đoạn phát sinh nước thải trong công nghệ giết mổ

gia súc, gia cầm của công ty TNHH Thực Phẩm Vàng

1.2.2.2 Đặc điểm công nghệ sản xuất chế biến thịt

Trong sản xuất chế biến thịt, công nghệ ứng dụng cũng trải qua nhiều côngđoạn Gia súc, gia cầm sẽ được treo, gây mê bằng dòng điện rồi cắt tiết, vặt lông,ngâm paraphin để hòa tan các tạp chất dính trên da, rồi lại ngâm tiếp để loạiparaphin cùng tạp chất Sau đó, gia súc, gia cầm sẽ được mổ bụng, loại bỏ lòng,cắt thành miếng trước khi đi vào các công đoạn chế biến khác hay đóng gói đưavào kho lạnh bảo quản để mang ra thị trường

Nước thải phát sinh trong công nghệ giết mổ gia súc, gia cầm chủ yếu từcông đoạn rửa súc vật, cắt tiết, khâu làm lòng và vệ sinh nhà xưởng

Theo số liệu thống kê của các nước thành viên trong khối EU, trung bìnhmỗi con heo giết mổ cần 3m3 nước Ở Việt Nam, mức sử dụng trung bình khoảng0,5 m3/con ( trọng lượng trung bình khoảng 160 kg/con) Việc sử dụng nước tạicác cơ sở giết mổ ở các nước trong khối EU được điều hành bởi các luật của EU

và các hiệp hội liên quan Trong đó, yêu cầu phải sử dụng nước sạch, nước uốngđược trong tất cả các công đoạn và hạn chế sử dụng lại nước trong suốt các quátrình giết mổ Việc sử dụng quá nhiều nước không chỉ là yếu tố môi trường vàkinh tế mà còn là một gánh nặng cho các trạm xử lý nước thải

Vấn đề ô nhiễm của nước thải có thể được giảm thiểu bằng cách tận thucác sản phẩm phụ,các chất thải càng gần nguồn thải càng tốt Mặt khác, tìm cáchngặn chặn chất thải tiếp xúc với nguồn nước như : bố trí mặt bằng, số lượng giasúc giết mổ hàng ngày, quy trình giết mổ, nguồn tiếp nhận chất thải Tuy nhiên,việc loại bỏ hay giảm thiểu lượng nước sử dụng cần phải được xem xét cụ thể ởtừng công đoạn của quy trình giết mổ

Số liệu thống kê từ một công ty giết mổ gia súc, gia cầm qui mô trung bìnhtrên địa bàn thành phố Hồ Chí Minh cho biết:

- Lượng nước sử dụng trung bình để giết mổ mỗi con heo cần: 0,1 m3

- Lượng nước sử dụng trung bình để giết mổ mỗi con bò cần : 0,25 m3

- Lượng nước sử dụng trung bình để giết mổ gia cầm: 0,02 m3

Với sản lượng giết mổ trung bình mỗi ngày khoảng 5000 con gà và vịt,

200 con heo và 30 con bò thì lượng nước thải phát sinh mỗi ngày từ mỗi cơ sởgiết mổ qui mô trung bình là khoảng 150m3

1.2.2.3 Thành phần và tính chất của nước thải sản xuất và chế biến thịt

Trong nước thải giết mổ gia súc có chứa các thành phần chất hữu cơ từhuyết, các chất hữu cơ khó hòa tan và chất béo bão hòa dễ phân hủy Các chất này

dễ bị phân hủy tạo ra các sản phẩm có chứa indol và các sản phẩm trung gian của

sự phân hủy là các acid béo không bão hòa tạo mùi khó chịu rất đặc trưng, làm ônhiễm cảnh quan môi trường Mùi hôi còn do ảnh hưởng bởi các loại khí, là sảnphẩm của quá trình phân hủy kị khí không hoàn toàn từ các hợp chất protein vàcác acid béo khác có trong nước thải sinh ra H2S

Bảng 1.4 - Thành phần nước thải đầu vào của công ty Vissan

(Nguồn: Công ty Việt Nam kỹ nghệ súc sản Vissan)

Bảng 1.5 - Thành phần nước thải đầu vào của công ty TNHH chế biến gia cầm

Tác động môi trường đáng kể nhất từ các cơ sở giết mổ gia súc, gia cầm lànước thải Nước thải phát sinh tại các cơ sở giết mổ gia súc, gia cầm thường bịnhiễm bẩn nặng bởi huyết, mỡ, protein, phospho, các chất tẩy rửa và các chất bảoquản

Tuy nhiên, trước nhu cầu đòi hỏi của xã hội, nhiều lò giết mổ gia súc quy

mô vừa và nhỏ đã hình thành Tuy nhiên, quá trình giết mổ gia súc gia tăng dẫnđến tình trạng môi trường ngày càng ô nhiễm, nếu không kiểm soát chặt chẽ và xử

lý đúng đắn sẽ gây ô nhiễm nghiêm trọng cho các thành phần môi trường khôngkhí, đất, nước và vệ sinh an toàn thực phẩm cũng như gây ảnh hưởng xấu đến sứckhoẻ con người Do đó, các lò giết mổ gia súc cần được quản lý và có biện phápgiảm thiểu ô nhiễm môi trường ngay từ khi nước thải vừa sinh ra

Sản phẩm của các lò giết mổ động vật gồm có thịt, mỡ và các sản phẩm

nhiễm cao trong nước thương có nguồn gốc từ chất thải là huyết và từ khâu làmlòng Trong huyết chứa nhiều chất hữu cơ có hàm lượng nitơ rất cao, vì huyếtchiếm 6% trọng lượng của động vật sống Những chất chứa bên trong lòng ruộtthường chiếm 16% trọng lượng sống của trâu bò và 6% trọng lượng sống của heo.

Do vậy, khâu làm lòng là khâu đặc biệt quan trọng góp một lượng lớn chất gây ônhiễm vào nước thải

Như vậy, đặc thù của nước thải giết mổ rất giàu chất hữu cơ (protein, lipit,các acid amin, amon, peptit, các acid hữu cơ) Ngoài ra, còn có thể có xương, thịtvụn, mỡ thừa, lông, móng, vi sinh vật Nồng độ các chất ô nhiễm hữu cơ đặc trưngbằng các thông số BOD5 tới 7000 mg/l và COD tới 9400 mg/l

1.2.3 Giới hạn quá trình tự làm sạch của nước

Giới thủy sinh có trong nước là vi sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn, nguyênsinh động vật, các động vật, thực vật phù du, tiêu biểu là tảo, các động thực vậtbậc cao, như tôm, cá v.v… Tuỳ mức độ nhiễm bẩn hay nồng độ các chất hữu cơdinh dưỡng trong nước, mức độ oxi hòa tan, nồng độ các chất có độc tính…sẽ ảnhhưởng đến đời sống của giới này có trong nước Nói chung, nếu nước bị nhiễmbẩn quá nặng, trước hết sẽ không còn oxi hoà tan làm ảnh hưởng tới hệ sinh tháinước, tới đời sống của giới thuỷ sinh, dần theo thời gian nước sẽ được tự làmsạch, hệ sinh thái nước sẽ được cân bằng trở lại Đó là quá trình tự làm sạch củanước

Quá trình tự làm sạch của nước liên quan tới hoạt động sống của giới thuỷsinh Quá trình hoạt động sống của chúng dựa trên quan hệ cộng sinh (hoặc hộisinh) của toàn bộ quần thể sinh vật có trong nước Phần chất không tan của hợpchất hữu cơ khi vào nước sẽ lắng xuống đáy, phần hoà tan sẽ được hoà loãngtrong nước

Vai trò của giới thuỷ sinh trong quá trình làm sạch nước có thể tóm tắt nhưsau:

- Vi khuẩn đóng vai trò chủ yếu trong quá trình phân huỷ các chất hữu

cơ Chúng có khả năng phân huỷ chất hữu cơ bất kỳ nào có trong tự nhiên, các chấtđường bột, protein, chất béo sẽ sớm được phân huỷ, xenlulozo, hemixenlulozo bị phânhuỷ muộn hơn, cao su, chất dẻo, chất hoá học tổng hợp bị

phân huỷ chậm và rất chậm (có khi đến vài chục hoặc hàng trăm năm) Các chấthữu cơ hidratcacbon, protein, chất béo cùng với nguồn nito, phospho…là thức ăndinh dưỡng của vi khuẩn Bản thân tế bào vi khuẩn, kể cả vi khuẩn gây bệnh lànguồn thức ăn cho nguyên sinh động vật Trong quá trình sống của vi khuẩn, CO2

được sinh ra là nguồn cacbon dinh dưỡng cho tảo và các loài thực vật nổi khác

- Tảo và các loài thực vật nổi khác sử dụng các chất khoáng, trong đó có

CO2 cùng NH4 do vi khuẩn tạo thành, để phát triển tăng sinh khối và thải ra oxi.Oxi phân tử này làm giàu oxi hoà tan trong nước tạo thuận lợi cho vi khuẩn hiếukhí phát triển và được sử dụng vào các phản ứng oxi hoá khử trong quá trình phânhuỷ hiếu khí các chất hữu cơ Thực vật phù du, trong đó có tảo là thức ăn chođộng vật nguyên sinh và tôm cá nhỏ

- Các thực vật bậc cao hơn như rong, rêu, cỏ lác, rau ngổ, các loại bèov.v…cũng tham gia vào chu trình này, khử các sản phẩm phân huỷ từ các chất hữu cơ do

vi khuẩn, sử dụng CO2 cùng với nguồn amon, phosphat để tăng sinh khối và thải oxi

- Động vật phù du ăn thực vật phù du và vi khuẩn, đồng thời cũng thamgia phân huỷ các chất hữu cơ Chúng có thể tách các chất lơ lửng ra khỏi nước và làmcho nước trong Chúng làm giảm lượng oxi hoà tan trong nước

- Cá ăn các loại động vật, thực vật phù du Cá lớn lại ăn cá bé Người ăn

cá và chất thải của người có thể lại làm bẩn nước

Quá trình tự làm sạch của nước là quá trình có giới hạn, khi số lượng visinh vật tăng dần lên trong nước thải thì khả năng tự làm sạch sinh học sẽ diễn ramạnh mẽ, nước dần sẽ trở lại trạng thái bình thường Tuy nhiên, khi nguồn nước

bị ô nhiễm nghiêm trọng và liên tục được thải vào các lưu vực tự nhiên thì sẽ làmthay đổi toàn bộ hệ sinh thái trong nước, hàm lượng chất hữu cơ cao trong nướcthải sẽ làm giảm lượng oxy hòa tan, ức chế sự phát triển của vi sinh vật và cácsinh vật khác trong môi trường nước Vi sinh vật không thể xử lý chất ô nhiễm kịpdẫn đến mất khả năng tự làm sạch Nước dần bị ô nhiễm nặng Vì vậy, cần phải cóbiện pháp xử lý nước thải ô nhiễm, trước khi đưa chúng vào nguồn nước

1.3 Ứng dụng công nghệ sinh học trong xử lý nước thải sản xuất và chế biến thực phẩm

1.3.1 Quá trình phân giải các chất giàu protein nhờ vi sinh vật

1.3.1.1 Qúa trình amon hóa protein

Trong các nguồn nước luôn xảy ra quá trình amon hóa protein nhờ các vikhuẩn amon hóa có enzyme protease ngoại bào phân hủy protein thành các hợpchất đơn giản hơn là polypeptide, oligopeptide Quá trình này có thể xảy ra trongđiều kiện hiếu khí hoặc kỵ khí

* Cơ chế :

Nhóm vi sinh vật phân hủy protein có khả năng tiết ra enzyme proteasebao gồm proteinase và peptidase Enzyme protease xúc tác quá trình thuỷ phânliên kết liên kết peptide (-CO-NH-)n trong phân tử protein, polypeptide tạo sảnphẩm là axit amin Ngoài ra, nhiều protease cũng có khả năng thuỷ phân liên kếteste và vận chuyển axit amin

Dưới tác dụng của enzyme proteinase phân tử protein sẽ được phân giảithành các polypeptide và oligopeptide Các chất này hoặc tiếp tục phân hủy thànhcác axit amin nhờ enzyme peptidase ngoại bào hoặc được tế bào vi khuẩn hấp thụrồi sau đó được phân hủy tiếp thành các axit amin trong tế bào Một phần các axitamin được tế bào vi khuẩn sử dụng để tổng hợp protein tạo sinh khối Một phầncác axit amin theo các con đường phân giải khác nhau để sinh NH3, CO2 và cácsản phẩm trung gian khác Với các protein có chứa S, nhờ enzyme desulfurase củanhóm vi khuẩn lưu huỳnh và các nhóm dị dưỡng hiếu khí khác, sẽ bị phân hủy tạo

H2S, scatol, indol hay mercaptan

1.3.1.2 Enzyme protease của vi sinh vật

Protease là enzyme được sử dụng nhiều nhất hiện nay trong một số ngànhsản xuất như: chế biến thực phẩm (đông tụ sữa làm pho mát, làm mềm thịt, bổsung để làm tăng chất lượng sản phẩm trong sản xuất bia, xử lý phế phụ phẩmtrong chế biến thực phẩm…), sản xuất chất tẩy rửa, thuộc da, y tế, nông nghiệp,

làm sạch môi trường… Trong đó, lượng protease sản xuất từ vi khuẩn được ướctính vào khoảng 500 tấn, chiếm 59% lượng enzyme được sử dụng.

Ưu điểm lớn nhất của protease từ vi sinh vật là phong phú về chủng loại,

có tính đặc hiệu rộng rãi, cho sản phẩm thuỷ phân triệt để và đa dạng Tuy nhiên,

hệ protease vi sinh vật lại phức tạp, bao gồm nhiều enzyme giống nhau về cấutrúc, khối lượng và hình dạng phân tử nên rất khó tách ra dưới dạng tinh thể đồngnhất

Đối với sinh lý của vi sinh vật, protease đóng vai trò rất quan trọng Có 2 loại

protease là protease ngoại bào và protease nội bào với các chức năng như sau: a.

Protease ngoại bào của vi sinh vật tham gia các quá trình phân giải ngoại bào các protein để tạo ra các axit amin

Các axit amin này sẽ được đưa vào trong tế bào tham gia tổng hợp sinh khối hoặc cũng có thể bị phân giải để giải phóng năng lượng và sản phẩm bậc 2

Sự phân giải protein còn có ý nghĩa loại trừ tác động độc hại của protein, vì trong

tự nhiên tồn tại một số protein khá độc đối với vi sinh vật hoặc tham gia quá trình kìm hãm sự phát triển của vi sinh vật

Hình 1.3 - Quá trình hoạt động protease ngoại bào

b Protease nội bào của vi sinh vật tham gia quá trình cải biến protein, enzyme, tạo ra các quá trình cung cấp năng lượng, vật liệu xây dựng, và sự tạo thành bào tử của vi sinh vật

Protease nội bào có thể tham gia vào việc hoàn thiện các chuỗi polypeptide

đã được tổng hợp như: tách gốc, tách một số gốc axit amin khỏi đầu N của chuỗipolypeptide đã được tổng hợp Protease nội bào tham gia phân hủy các protein nội

bào không còn tác dụng trong quá trình sinh lý của vi sinh vật Ngoài ra chúng còn có thể tham gia vào một số quá trình tạo vỏ tế bào của vi sinh vật.

Hình 1.4 - Quá trình hoạt động protease nội bào

* Phân loại Protease

Năm 1960, Hartley chia protease ra bốn nhóm dựa trên thành phần cấu tạo của trung tâm hoạt động trong enzyme protease

trong trung tâm hoạt động (bao gồm các loại enzyme tripsin, kimotripsin, elastase,subtilizi, các enzyme xúc tác làm đông máu, acrozin, )

tâm hoạt động (bao gồm bromelin, papain, fixin, )

 Protease nhóm 3: Bao gồm các protease có kim loại trong trung tâmhoạt động và trực tiếp tham gia các quá trình xúc tác (bao gồm các protease trung tính

của Bacillus)

trung tâm hoạt động Nhóm này gồm pepsin, renin, protease axit của vi sinh vật

Như vậy, tùy theo vùng hoạt động pH của enzyme protease mà các protease tồn tại ở dạng protease axit, protease trung tính, protease kiềm

1.3.2 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng vi sinh vật trong xử lý nước thải

1.3.2.1 Trên thế giới

Nhiều vi khuẩn tạo bông như Zoogloea đã được phân lập Kiuchi và cộng

sự đã phân lập 92 chủng vi khuẩn từ bùn hoạt tính và chọn được 12 chủng có khảnăng tạo bông Kato và cộng sự đã phân lập 140 chủng vi khuẩn bùn hoạt tính vàchọn được 8-12 chủng kết bông trên môi trường có thành phần khác nhau

Fujita và nhiều nhà nghiên cứu khác ở Nhật đã nghiên cứu sự tạo hạt của

nấm Aspergillus niger trong quá trình nuôi lắc, đánh giá sinh khối hạt và sử dụng

hạt để xử lý nước thải tinh bột, nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu xuất xữ

lý nước thải tinh bột của hạt nấm Bên cạnh đó, còn có hàng loạt chế phẩm sinhhọc, tăng cường xử lý nước thải công nghiệp, nước thải chế biến thực phẩm vànuôi trồng thủy sản đang được thương mại hóa trên thế giới và Việt Nam như:BZT Petrobac, EPICI, BRF2 của Mỹ, EM và Boksi của Nhật

1.3.2.2 Tại Việt Nam

Trong khoảng 10 năm trở lại đây, vấn đề nghiên cứu và ứng dụng vi sinhvật trong xử lý chất thải đã được nhiều nhà khoa học và công nghệ quan tâm Tạitrung tâm công nghệ sinh học- đại học quốc gia Hà Nội đã nghiên cứu thành phần

vi sinh vật trong chế phẩm EM của Nhật kết hợp với xạ khuẩn để tạo ra chế phẩmmới EMUNI ứng dụng trong xử lý chất thải làm phân bón hữu cơ vi sinh Tại viên Côngnghệ sinh học- Viện khoa học và công nghệ Việt Nam, Lý Kim Bảng và cộng sự đã phânlập tuyển chọn vi khuẩn và xạ khuẩn chịu nhiệt phân hủy

cenluloze tạo chế phẩm Micromic 3 bổ sung vào hệ thống xử lý rác thải sinh hoạtlàm tăng tỷ lệ mùn hữu cơ và rút ngắn thời gian ủ Như vậy, nhiều chế phẩm sinhhọc được ra đời góp phần hữu hiệu vào xử lý nước thải, rác thải giảm ô nhiễm môitrường

1.4 Các phương pháp sinh học trong xử lý nước thải sản xuất và chế biến thực phẩm

Các loại nước thải đều chứa các tạp chất gây nhiễm bẩn có tính chất rấtkhác nhau: từ các loại chất rắn không tan, đến các loại chất rắn khó tan và nhữnghợp chất tan trong nước Xử lý nước thải là loại bỏ các tạp chất đó, làm sạch lạinước và có thể đưa nước đổ vào nguồn hoặc tái sử dụng Tuỳ vào yêu cầu của

nước thải đầu ra hoặc mục đích tái sử dụng nước thải, tuỳ vào thành phần và tínhchất nước thải cũng như yêu cầu về năng lượng, hoá chất mà chúng ta lựa chọnphương pháp xử lý thích hợp:

1.4.1 Hệ thống xử lý nước thải cho các nhà máy sản xuất chế biến thực

1 Song chắn rác 8 Bể chứa bùn

7 Bể lắng đứng 2

Hình 1.5 - Dây chuyền công nghệ xử lý nước thải thủy sản điển

hình 1.4.2 Các phương pháp xử lý nước thải cơ bản

Do kết hợp các phương pháp xử lý: cơ học, hoá học, sinh học… nên mộtdây chuyền công nghệ xử lý nước thải phải đi qua các khối sau:

1.4.2.1 Khối xử lý cơ học

Tách các chất không hoà tan và một phần dạng keo Trong nước thảithường có các loại tạp chất rắn kích cỡ khác nhau bị cuốn theo: rơm, cỏ, lá, gỗ,mẫu bao bì, chất dẻo, giấy, dẽ, dầu mỡ, cát, sỏi…Mục tiêu của khối xử lý này làloại bỏ cặn có kích thước lớn và những vật liệu thô có thể làm tắc những thiết bịtrong nhà máy Các công trình trong xử lý cơ học như: song chắn rác, lắng cát, cácloại bể lắng, vớt lọc dầu…

1.4.2.2 Khối xử lý hoá học

Loại bỏ các chất thải rắn có kích thước nhỏ hơn, cũng như các chất hoà tan

mà phương pháp sinh học, cơ học không xử lý được Sử dụng các phương pháphoá học là các phản ứng hoá học, các quá trình hoá lý diễn ra giữa chất bẩn và hoáchất cho thêm vào Đó là phản ứng trung hoà, phản ứng oxi hoá – khử, phản ứngtạo kết tủa hoặc phân huỷ các chất độc hại

Các công trình trong khối xử lý hoá học ứng dụng các phương pháp biếnđổi cơ học và kết hợp cơ học: keo tụ, hấp thụ, hấp phụ…với các bể tuyển nổi, tháphấp phụ…Các công trình khối này được đặt sau các công trình xử lý cơ học vàhọc và trước công trình xử lý sinh học

1.4.2.3 Khối xử lý sinh học

Dựa trên hoạt động của vi sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn dị dưỡng hoại sinh

có trong nước thải Quá trình hoạt động của chúng oxy hoá các chất hữu cơ dạng

keo và hoà tan, những chất hữu cơ gây nhiễm bẩn được khoáng hoá và trở thànhnhững chất vô cơ, các chất khí đơn giản và nước.

Các công trình xử lý sinh học được phân ra: các công trình trong điều kiện

tự nhiên như cánh đồng tưới, hồ sinh học…và các công trình nhân tạo như bể lọcsinh học, bể bùn hoạt tính…

1.4.2.4 Khối khử trùng

Nước thải sau khi đã được xử lý qua ba khối trên sẽ được xử lý triệt để hơntheo yêu cầu nguồn tiếp nhận bằng cách khử trùng nước trước khi xả ra nguồn.Mục đích của khối khử trùng là để nâng cao nước thải đầu ra, đảm bảo sạch mầmbệnh theo tiêu chuẩn nguồn tiếp nhận

Các công trình khối khử trùng bao gồm: trạm trộn Clor, máng trộn, bể tiếpxúc…

1.4.2.5 Khối xử lý cặn

Trong quá trình xử lý nước thải, thu được một lượng lớn bùn cặn, đó là cáctạp chất vô cơ, hữu cơ Bùn cặn thu được ở công đoạn xử lý sơ bộ (cấp I) sau cáckhối xử lý cơ học, hoá học là các cặn vô cơ, bùn cặn thu được ở lắng II sau khối

xử lý sinh học là các tạp chất hữu cơ, chứa nhiều sinh khối vi sinh vật Khối xử lýcặn sẽ xử lý các loại bùn cặn thải ra ở các khối trên

Các công trình xử lý cặn gồm: bể metan, sân phơi bùn, trạm xử lý cơ họcbùn cặn…

1.4.3 Phương pháp sinh học trong xử lý nước thải

1.4.3.1 Nguyên tắc

Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học dựa trên hoạt động sống của

vi sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn dị dưỡng hoại sinh, có trong nước thải Quá trìnhhoạt động của chúng giúp các chất hữu cơ gây nhiễm bẩn được khoáng hoá và trở thànhnhững chất vô cơ, các chất khí đơn giản và nước

Các vi sinh vật có thể phân huỷ được tất cả các chất hữu cơ có trong thiênnhiên và nhiều hợp chất hữu cơ tổng hợp Mức độ phân huỷ và thời gian phân huỷphụ thuộc trước hết vào cấu tạo các chất hữu cơ, độ hoà tan của các chất trongnước và các yếu tố ảnh hưởng khác

Vi sinh vật có trong nước thải sử dụng các hợp chất hữu cơ và một số chấtkhoáng có trong nước thải làm nguồn dinh dưỡng và sinh năng lượng Quá trìnhphân huỷ các chất dinh dưỡng làm cho các vi sinh vật sinh trưởng, phát triển tăng

số lượng tế bào (gia tăng sinh khối), đồng thời làm sạch các chất hoà tan hoặc cáchạt keo nhỏ Do vậy trước khi xử lý sinh học, người ta phải loại bỏ các tạp chất cókích thước, trọng lượng lớn ra khỏi nước thải trong giai đoạn xử lý sơ bộ Đối vớicác tạp chất vô cơ có trong nước thải thì phương pháp sinh học có thể khử cácchất sulfit, muối amon, nitrat…các chất chưa bị oxi hoá hoàn toàn Sản phẩm củacác quá trình này là khí CO2, H2O, khí N2, ion sulfat…

1.4.3.2 Các quá trình sinh học chủ yếu xảy ra trong xử lý nước thải

Trong nước thải các chất nhiễm bẩn chủ yếu là các chất hữu cơ hòa tan,ngoài ra còn có các chất hữu cơ ở dạng keo và phân tán nhỏ ở dạng lơ lửng Cácdạng này tiếp xúc với bề mặt tế bào vi khuẩn (trong nước thải vi khuẩn chiếm đa

số trong hệ vi sinh vật) bằng cách hấp phụ hay keo tụ sinh học, sau đó sẽ xảy raquá trình dị hóa và đồng hóa Quá trình làm sạch nước thải gồm 3 giai đoạn:

 Các hợp chất hữu cơ tiếp xúc với bề mặt tế bào vi sinh vật.

 Khuyếch tán chất ô nhiễm nước qua màng bán thấm vào trong tế bào

vi sinh vật

 Chuyển hóa các chất trong nội bào để sinh ra năng lượng và tổng hợpcác vật liệu mới cho tế bào vi sinh vật

b Quá trình phân huỷ hiếu khí (Aerobic process)

Các phản ứng xảy ra trong quá trình này là do các vi sinh vật hoại sinhhiếu khí hoạt động, cần có oxi của không khí để phân huỷ các chất hữu cơ nhiễmbẩn trong nước Sản phẩm của quá trình phân hủy hiếu khí là CO2, H2O, NH3 vàsinh khối tế bào Do đó hàm lượng chất thải hữu cơ giảm đáng kể trong quá trìnhphân hủy hiếu khí

Quá trình phân huỷ hiếu khí nước thải gồm 3 giai đoạn biểu thị bằng cácphản ứng:

Oxy hoá các chất hữu cơ (quá trình dị hóa)

CxHyOz + O2 CO2 + H20 + H

Các hợp chất hữu cơ bị phân hủy hiếu khí được viết tổng quát theophương trình trên.

Tổng hợp tế bào mới (quá trình đồng hóa)

xử lý nước thải Có như vậy mới đảm bảo cho quá trình xử lý đạt kết quả

Khi có mặt oxi hòa tan, song song với quá trình các chất hữu cơ bị phângiải thành CO2 và H2O, thì các chất hữu cơ chứa nitơ cũng bị amon hóa tạo NH3

và sau đó là quá trình nitrat hóa để chuyển hóa NH3 và NH4 +

thành NO3

Chuyển hoá amon thành nitrit: Nitrosomonas (N.europasa, N.

obligocacbogenes) oxi hoá amon thành nitrit Một số vi sinh vật khác oxi hoá

NH4 +

là Nitrosopira, Nitrosococcus và Nitrosolobus

NH4 +

+ 3/2 O2 NO2 + 2H+ + H2O + 275 KJ

Chuyển hoá nitrit thành nitrat: Nitrobacter (N agilis, N.winograski)

chuyển hoá nitrit thành nitrat Ngoài ra còn có sự tham gia của các vi khuẩn

Nitrospira, Nitrococcus.

NO2

+ 75 KJ

Một số vi khuẩn hiếu khí điển hình có trong nước thải: Pseudomonas,

Bacillus, Alcaligenes, Flavobacterium, Zooglea, Cytophaga, Micrococcus, Lactobacillus, Acromobacter, Clostridium, Corynebacterium, Acinobacterium, Brevibacterium…

b Quá trình phân huỷ thiếu khí

Quá trình phân huỷ thiếu khí là quá trình xảy ra kèm theo quá trình hiếu khítrong các công trình xử lý sinh học Quá trình được thực hiện bởi các loài vi khuẩn

khử nitrat và chúng cũng hoạt động trong điều kiện có oxy như vi sinh vật hiếukhí, nhưng lượng oxy cung cấp không đòi hỏi nhiều Quá trình này chủ yếu đểloại bỏ hoàn toàn các hợp chất cứa nitơ trong nước thải.

c.Quá trình phân huỷ kị khí

Phân huỷ kị khí là quá trình phân huỷ các hợp chất hữu cơ và vô cơ trongđiều kiện không có oxy phân tử của không khí bởi các vi sinh vật kị khí Quá trìnhphân huỷ kị khí các hợp chất hữu cơ có trong nước thải nhờ sự hoạt động của các

vi sinh vật gồm 3 giai đoạn sau:

Giai đoạn thuỷ phân: dưới tác dụng của các enzyme thuỷ phân do visinh vật tiết ra, các chất hữu cơ cao phân tử bị thuỷ phân thành các phân tử đơngiản, dễ phân huỷ hơn Hidrocacbon phức tạp sẽ thành các đường đơn giản,protein thành peptid, acid amin, chất béo bị thuỷ phân thành glycerin và các axitbéo Quá trình xảy ra chậm, tốc độ phân huỷ phụ thuộc vào pH, kích thước và đặctính dễ phân huỷ của phân tử: hidrocacbon bị phân huỷ sớm nhất và nhanh nhất,chất béo thuỷ phân rất chậm…

Giai đoạn axit hoá: vi khuẩn lên men chuyển hoá các phân tử hữu cơđược tạo ra từ giai đoạn thuỷ phân thành những chất đơn giản hơn như: axit béo

dễ bay hơi (axit acetic, axit propionic, axit lactic…), alcohol, methanol, CO2, H2,

NH3, H2S Trong giai đoạn này sự hình thành axit có thể làm giảm pH xuống 4

Và các vi khuẩn acetic sẽ chuyển hoá tiếp các sản phẩm trên thành acetat, H2 và

CO2 trong điều kiện thế [H] thấp

Lượng H2 sinh ra trong giai đoạn này có thể ức chế ngược lại quá trìnhacetic hoá Tuy nhiên lượng H2 được tiêu thụ một phần nhờ vi khuẩn metan trong

giai đoạn sau, trong đó Methanobacterium dùng H2 như chất nhận điện tử để sinh

ra khí CH4

Giai đoạn metan hoá: vi sinh vật metan chuyển hoá sản phẩm củagiai đoạn trên: acetat, CO2, H2 thành CH4, CO2, H2O, ngoài ra còn tạo ra một sốkhí khác như H2, N2, H2S Lượng H2 dư được tạo ra từ giai đoạn axit hoá đã được

vi khuẩn metan sử dụng, tuy nhiên lượng H2 vẫn nhiều và sẽ được vi khuẩn sulfathoá có trong nước thải sử dụng tiếp như chất cho điện tử để chuyển hoá các hợp

chất hữu cơ chứa lưu huỳnh thành khí H2S sinh mùi Do đó trong các công trình

xử lý kị khí thường có mùi hôi sinh ra

VẬT CHẤT HƯU CƠ

proteolytic vàcellulyticACID AMIN / ĐƯỜNG

Hình 1.6 - Sơ đồ chuyển hóa vật chất trong điều kiện kỵ khí

1.4.4 Các hình thức xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học

Hai quá trình bùn hoạt tính (bông sinh học) và màng sinh học có sự khác nhau cơ bản về thành phần vi sinh vật và cơ chế phân huỷ chất hữu cơ:

- Bùn hoạt tính chủ yếu là vi khuẩn hiếu khí hoạt động trong điều kiện

hiếu khí, cần có oxy Và quá trình phân huỷ chất hữu cơ dựa vào sự tiếp xúc của

chất hữu cơ với tế bào sinh vật (bông bùn) chuyển động lơ lửng trong nước thải,

diễn ra quá trình tăng trưởng lơ lửng

- Màng sinh học gồm hệ vi sinh vật tuỳ tiện: ở màng hiếu khí, phầnngoài màng là vi khuẩn hiếu khí, ở giữa là các vi khuẩn tuỳ tiện và trong cùng là các vikhuẩn kị khí, ở màng kị khí gồm các vi khuẩn kị khí chủ yếu và một số ít là tuỳ nghi Vàquá trình phân hủy chất hữu cơ của màng sinh học dựa vào cơ chế hấp phụ các thànhphần hữu cơ trong nước thải một cách cố định, diễn ra quá trình tăng trưởng dính bám.

1.4.4.1 Sinh trưởng lơ lửng – bùn hoạt tính

Bùn hoạt tính là tập hợp các vi sinh vật khác nhau chủ yếu là vi khuẩn, kếtlại thành bông với trung tâm là các hạt chất rắn lơ lửng trong nước Các bông này

có màu vàng nâu, dễ lắng, có kích thước từ 3 – 150 μm Các chất keo dính trongm Các chất keo dính trongkhối nhầy của bùn hoạt tính hấp phụ các chất lơ lửng, vi khuẩn, các chất màu,mùi,…trong nước thải Do vậy hạt bùn sẽ lớn dần và tổng lượng bùn cũng tăngdần lên, rồi từ từ lắng xuống đáy Kết quả là nước sáng màu, giảm lượng ô nhiễm,các chất huyền phù lắng xuống cùng với bùn và nước sẽ được làm sạch

Khi cân bằng dinh dưỡng cho vi sinh vật trong nước thải cần quan tâm tới

tỉ số BOD5 : N : P = 100 : 5 : 1 hoặc 200 : 5 : 1 trong các công trình xử lý hiếukhí Khi cân bằng dinh dưỡng người ta có thể dùng NH4OH, ure và các muốiamon làm nitơ và các muối phosphat, supephosphat làm nguồn phospho

Các nguyên tố vi lượng: K, Mg, Ca, S, Fe, Mn, Zn… đều cần cho vi sinhvật nhưng ở trong nước thải thường có đủ mặt các chất này và không cần phải bổsung thêm Thiếu các nguyên tố dinh dưỡng sẽ kìm hãm sinh trưởng và ngăn cảncác quá trình oxi hoá - khử trong tế bào vi sinh vật, làm giảm khả năng phân huỷchất hữu cơ có trong nước thải:

là nguồn dinh dưỡng của vi sinh vật) lâudài sẽ làm cho vi sinh vật không sinh sản, tăng sinh khối, ngoài ra còn cản trở quá trìnhhoá sinh làm cho bùn hoạt tính khó lắng, trôi theo nước ra khỏi bể lắng

 Nếu thiếu phospho sẽ tạo điều kiện cho vi sinh vật sợi phát triển như

Nocardia hay Microthrix gây sự cố bung bùn trong bùn hoạt tính, làm cho quá

trình lắng chậm và giảm hiệu suất oxi hoá các chất hữu cơ của bùn hoạt tính

Số lượng vi khuẩn trong bùn hoạt tính dao động trong khoảng 108 đến 1012 trên 1mg chất khô (chất rắn tách ra từ bùn hoạt tính bằng cách lọc hoặc ly tâm ở

100oC) Phần lớn chúng là Pseudomonas, Achromobacter, Alcaligenes, Bacillus,

Micrococcus, Flavobacterium…

Các vi khuẩn tham gia quá trình chuyển hoá NH3 thành N2 thấy có mặt

trong bùn như Nitromonas, Nitrobacter, Acinetobacter, Hyphomycrobium,

Thiobacillus…Trong khối nhầy ta thấy có loài Zooglea, đặc biệt là Z.ramizoga rất

giống Pseudomonas Chúng có khả năng sinh ra một bào nhầy chung quanh tế

bào Bao nhầy này là một polyme sinh học, thành phần là polysaccarit, có tác dụngkết các tế bào vi khuẩn lại thành hạt bông

Trong bùn hoạt tính ta còn thấy các loài nguyên sinh động vật Chúngđóng vai trò khá quan trọng trong bùn Chúng cũng tham gia phân huỷ các chấthữu cơ ở điều kiện hiếu khí, điều chỉnh loài và tuổi quần thể vi sinh vật trong bùn,giữ cho bùn luôn luôn hoạt động ở điều kiện tối ưu Động vật nguyên sinh ăn các

vi khuẩn già hoặc đã chết, tăng cường loại bỏ vi khuẩn gây bệnh, làm đậm đặcmàng nhầy nhưng lại làm xốp khối bùn, kích thích vi sinh vật tiết enzyme ngoại bào đểphân huỷ các chất hữu cơ nhiễm bẩn và làm kết lắng bùn nhanh Trong bùn hoạt tính thấy

có đại diện của 4 lớp Protozoa là Sarcodina, Mastogophora, Ciliata

và Suctoria Hay gặp nhất là giống Amoeba thuộc lớp Sarcodina Các loài

Cladocera thì lọc các tế bào vi khuẩn và cả chất hữu cơ chết, lọc tảo sợi, có ích

trong việc làm giảm độ đục của nước thải sau xử lý Người ta lấy chỉ tiêu

Protozoa để xác định chất lượng bùn hoạt tính, bùn có chất lượng cao thì cứ 1

triệu tế bào vi khuẩn phải có 10 – 15 protozoa.

1.4.4.2 Sinh trưởng dính bám – màng sinh học

Trong dòng nước thải có những vật rắn làm giá mang, các vi sinh vật (chủyếu là vi khuẩn) sẽ dính bám trên bề mặt Trong số các vi sinh vật có những loàisinh ra các polysaccharide có tính chất như là các chất dẻo (gọi là polyme sinhhọc), tạo thành màng – màng sinh học Màng này cứ dày dần thêm và thực chấtđây là sinh khối vi sinh vật dính bám hay cố định trên các chất mang Màng này

có khả năng oxy hoá các chất hữu cơ có trong nước thải khi nước chảy qua hoặctiếp xúc với màng, ngoài ra màng này còn khả năng hấp phụ các chất bẩn lơ lửnghoặc trứng giun sán…

Như vậy, màng sinh học là tập hợp các loài vi sinh vật khác nhau, có hoạttính oxy hoá các chất hữu cơ có trong nước khi tiếp xúc với màng Màng này dày

từ 1 – 3mm và hơn nữa Màu của màng thay đổi theo thành phần của nước thải từmàu vàng xám đến màu nâu tối Trong quá trình xử lý, nước thải chảy qua lớp vậtliệu lọc có thể cuốn theo các hạt của màng vỡ với kích thước 15 – 30 mm có màusáng vàng hoặc nâu

Các công trình xử lý nước thải ứng dụng màng sinh học trên để loại bỏ cácchất hữu cơ nhiễm bẩn ra khỏi nước thải Cơ chế hoạt động của các công trình dựatrên lớp vật liệu lọc, tạo thành giá đỡ để hình thành màng sinh học Vật liệu lọc cóthể được thí nghiệm đơn giản với cát, sỏi được xếp như sau: ở dưới cùng là cáclớp sỏi cuội đã rửa sạch có kích thước nhỏ dần theo chiều cao của lớp lọc, ở lớptrên được trải lớp cát vàng hạt to rồi đến nhỏ Nước thải đã được lọc qua lớp màngsinh học sẽ thấm qua lớp cát nhỏ trên cùng rồi thấm dần qua lọc Màng này đượctạo thành từ hàng triệu đến hàng tỉ tế bào vi khuẩn, các vi sinh vật khác và có cảđộng vật nguyên sinh

Màng sinh học trong các công trình lọc sinh học chủ yếu là các vi khuẩnhiếu khí, nhưng thực ra phải coi đây là hệ tuỳ tiện, màng còn có các vi khuẩn tuỳtiện và kị khí Ở ngoài cùng lớp màng là lớp hiếu khí, rất dễ thấy các loài trực

khuẩn Bacillus Lớp trung gian là các vi khuẩn tuỳ tiện như Pseudomonas,

Alcaligenes, Flavobacterium, Micrococcus và cả Bacillus Lớp sâu bên trong

màng là kị khí, có vi khuẩn kị khí khử lưu huỳnh và khử nitrat là Desulfovibrio.

Phần dưới cùng của lớp màng là lớp quần thể vi sinh vật với sự có mặt của độngvật nguyên sinh và một số vi sinh vật khác Các loài này sử dụng một phần màngsinh học làm thức ăn tạo thành các lỗ nhỏ của màng trên bề mặt chất mang Quầnthể vi sinh vật của màng sinh học có tác dụng như bùn hoạt tính

1.4.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học

1.4.5.1 Nồng độ chất hữu cơ

Chất hữu cơ có trong nứơc thải phải là cơ chất dinh dưỡng nguồn cacbon

và năng lượng cho vi sinh vật Các hợp chất hidrocacbon, protein, lipit hoà tanthường là cơ chất dinh dưỡng rất tốt cho vi sinh vật COD/BOD ≤ 2 hoặc

BOD/COD ≥ 0,5 mới có thể đưa vào xử lí sinh học (hiếu khí), nếu COD lớn hơnBOD nhiều lần, trong đó gồm có xenlulozơ, hemixenlulozơ, protein, tinh bột chưatan thì phải qua xử lý sinh học kị khí Và tỉ tệ chất hữu cơ của nước thải đầu vàocác công trình xử lý sinh học theo tỉ số sau BOD5 : N : P = 100 : 5 : 1 hoặc 200 : 5: 1 trong xử lý kéo dài Nếu trong các công trình bùn hoạt tính, thiếu nitơ lâu dài,ngoài sự cản trở tạo tế bào mới và bùn, cản trở quá trình trao đổi chất của vi sinh vật vàcòn làm cho bùn khó lắng, các hạt bông trôi nổi làm cho nước khó trong Thiếu phosphotạo sự phát triển của vi khuẩn dạng sợi, là nguyên nhân chính làm cho bùn phồng lên,khó lắng Để cân đối dinh dưỡng có thể dùng các muối amon và phosphat như urê haysupephosphat vào nước thải để tăng nguồn N và P Cần loại bỏ bớt các chất hữu cơ khóphân huỷ trong nước thải đầu vào như : lignin, kitin…, có thể loại bỏ hiệu quả các chấttrên ở giai đoạn xử lý hoá lý

1.4.5.2 pH của nước thải

Có ảnh hưởng đến các quá trình hoá sinh của vi sinh vật Quá trình tạomàng sinh học, quá trình tạo bùn và lắng pH thích hợp cho vi khuẩn sinh trưởng

và phân huỷ hiệu quả chất hữu cơ từ 6.5 – 8.5, tốt nhất là 7.5, pH > 9 hoặc pH < 4đều ức chế hoạt động sống của vi sinh vật, ảnh huởng đến hiệu quả xử lý của côngtrình Trong thời gian cuối, nước thải trong aerotank có pH chuyển sang kiềm, cóthể là các hợp chất nitơ được chuyển thành NH3 hoặc muối amon, cần điều chỉnhlại pH của bể

1.4.5.3 Nhiệt độ

Nhiệt độ của nước thải cũng ảnh hưởng rất lớn đến hoạt động sống của visinh vật Hầu hết các vi sinh vật có trong nước thải là các thể ưa ấm (mesophilic),chúng có nhiệt độ sinh trưởng tối đa là 40oC và tối thiểu là 5oC Vì vậy, nhiệt độ

xử lý nước thải chỉ trong khoảng 6 – 37oC, tốt nhất là 15 – 35oC Và trong cáccông trình bùn hoạt tính, nhiệt độ còn ảnh hưởng tới quá trình hoà tan oxy vàonước cũng như khả năng kết lắng của các bông cặn bùn hoạt tính

1.4.5.4 Nồng độ các chất lơ lửng (SS) ở dạng huyền phù

Sau khi xử lý sơ bộ, tuỳ thuộc nồng độ chất lơ lửng có trong nước thải màxác định công trình xử lý cơ bản như lọc sinh học hoặc aerotank Nếu nồng độ cácchất lơ lửng không quá 100 mg/l thì loại hình xử lý thích hợp là bể lọc sinh học và

nồng độ không quá 150 mg/l thì xử lý bằng aerotank sẽ cho hiệu quả phân huỷ cácchất hữu cơ nhiễm bẩn là cao nhất Ngoài ra, nếu nước thải có hàm lượng chất lơlửng quá lớn có thể được coi như bùn cặn và được xử lý kị khí bằng bể metan.Tuy nhiên đối với các công trình xử lý hiếu khí, với lượng chất rắn lơ lửng caothường làm ảnh hưởng tới hiệu quả xử lý Vì vậy, đối với nước thải có hàm lượngchất rắn lơ lửng cao cần phải qua lắng 1 trong giai đoạn xử lý sơ bộ một cách đầy

đủ để có thể loại bỏ các cặn lớn và một phần các chất rắn lơ lửng

1.4.5.5 Nồng độ các nguyên tố vi lượng

Nước thải đầu vào cần đòi hỏi không có chất độc làm chết hoặc ức chếhoàn toàn hệ vi sinh vật trong nước thải Trong số các chất độc phải chú ý hàmlương kim loại nặng Theo mức độ độc hại của kim loại, xếp theo thứ tự:

Sb >Ag >Cu >Hg >Co >Ni >Pb >Cr3+ >V >Cd >Zn >FeMuối của các kim loại này ảnh huởng nhiều tới đời sống của vi sinh vật,nếu quá nồng độ cho phép, các vi sinh vật không thể sinh trưởng được và có thể bịchết Như vậy, không thể tiến hành xử lý sinh học Nồng độ muối của chúng thấp

sẽ làm giảm tốc độ làm sạch nước, vì các kim loại trên cũng là những chất vilượng cần cho vi sinh vật

1.4.5.6 Hàm lượng oxy trong nước thải

Đối với các công trình xử ký hiếu khí như aerotank, điều kiện đầu tiên đểđảm bảo cho aerotank có khả năng oxy hoá các chất hữu cơ với hiệu suất cao làphải đảm bảo cung cấp đủ lượng oxy mà chủ yếu là oxy hoà tan trong môi trườnglỏng một cách liên tục, đáp ứng đầy đủ nhu cầu hiếu khí của vi sinh vật trong bùnhoạt tính Lượng oxy có thể được coi là đủ khi nước thải ra khỏi bể lắng 2 có nồng

độ oxy hoà tan DO = 2 mg/l Còn đối với bể lọc sinh học làm việc trong điều kiệnthoáng khí, ngoài việc cấp oxy cho vi sinh vật ở màng sinh học hoạt động, thoángkhí còn có tác dụng loại ra khỏi lọc các khí tạo thành do quá trình phân huỷ chấthữu cơ có trong nước, như CO2 và có thể có cả CH4, H2S…Và đối với các côngtrình xử lý kị khí, lại đòi hỏi nước thải có hàm lượng oxy hoà tan thấp, cho vi sinhvật kị khí hoạt động hiệu quả trong điều kiện không có oxy

1.4.5.7 Hệ thống xử lý

Chế độ thuỷ động như bơm, các thiết bị thông khí nhằm cung cấp oxy hoàtan cho các công trình xử lý hiếu khí như aerotank, bể lọc sinh học Để đáp ứngnhu cầu oxy hoà tran trong aerotank người ta thường chọn giải pháp là khuấy cơhọc (khuấy ngang, khuấy đứng), thổi và sục khí bằng hệ thống phân tán khí thànhcác dòng, hoặc tia lớn nhỏ khác nhau, và kết hợp nén khí với khuấy đảo Đối với

bể lọc sinh học, để thông khí người ta dùng quạt gió thổi vào khoảng trống ở đáy

bể và không khí từ đó đi lên qua các khe của lớp vật liệu lọc