Xử lý nước thải của cơ sở sản xuất hủ tiếu ở làng nghề bánh bún hủ tiếu mỹ tho tiền giang bằng vi khuẩn bacillus amyloliquefaciens cố định trong tháp lọc sinh học

Hiện nay, phương pháp cố định tế bào được ứng dụng rộng rãi và đem lại hiệu quả kinh tế rõ rệt bởi vì cố định tế bào vi sinh vật giúp bảo vệ tế bào tốt hơn với các điều kiện nhiệt độ, pH

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sỹ gồm:

1 PGS TS Nguyễn Thúy Hương

2 TS Hoàng Anh Hoàng

3 PGS TS Lê Phi Nga

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SỸ

Họ và tên học viên: Huỳnh Thái Phụng MSHV:11310618

Ngày, tháng, năm sinh: 04/01/1985 Nơi sinh: Tiền Giang

Chuyên ngành: Công nghệ sinh học Mã số: 604280

I TÊN ĐỀ TÀI: Xử lý nước thải của cơ sở sản xuất hủ tiếu ở làng nghề bánh bún

hủ tiếu Mỹ Tho - Tiền Giang bằng vi khuẩn Bacillus amyloliquefaciens cố định

trong tháp lọc sinh học

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Xác định khả năng sinh enzyme amylase và protease ngoại bào; xây dựng

đường cong sinh trưởng của Bacillus amyloliquefaciens trong môi trường nước thải

hủ tiếu khử trùng (môi trường huấn luyện thích nghi)

2 Xác định khả năng xử lý của Bacillus amyloliquefaciens tự do đối với nước

thải hủ tiếu

3 Xác định hiệu suất xử lý nước thải hủ tiếu của tháp lọc sinh học nhỏ giọt có

cố định Bacillus amyloliquefaciens; so sánh với hiệu suất xử lý của tháp lọc sinh học nhỏ giọt không bổ sung Bacillus amyloliquefaciens cố định

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 07/7/2014

III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 08/5/2015

LỜI CÁM ƠN

Trân trọng cám ơn PGS.TS Nguyễn Đức Lượng cùng quý Thầy, Cô đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt nhiều kiến thức bổ ích trong thời gian tôi tham gia học tại Trường đại học Bách Khoa và trong quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp

Chân thành cám ơn quý Anh, Chị đồng nghiệp; chủ cơ sở sản xuất bánh hủ tiếu Trương Văn Thuận đã nhiệt tình hỗ trợ để tôi hoàn thành nghiên cứu

Trân trọng cám ơn Ban lãnh đạo Trung tâm Kỹ thuật và Công nghệ Sinh học Tiền Giang, Sở Khoa học và Công nghệ Tiền Giang, Sở Nội vụ Tiền Giang đã tạo điều kiện về thời gian để tôi tham gia khóa đào tạo cao học tại Tp Hồ Chí Minh

Cuối cùng, xin gửi lời tri ân sâu sắc đến các thành viên trong gia đình đã luôn hỗ trợ và động viên để tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp

Tiền Giang, ngày 08 tháng 5 năm 2015

Huỳnh Thái Phụng

This study was mainly performed to investigate the efficiency of addition of

Bacillus amyloliquefaciens biomass to treat starch wastewater from Hu tieu Mytho

craft village - Tiengiang province

Though investigating the growth curve of B amyloliquefaciens cultured on

the sterilized starch wastewater to train the bacterial adaptation, we found that the stationary phase of this strain is from 36 to 48 hour Therefore, we used the biomass after 36 cultured hours for experiments of starch wastewater treatment

Fractions of 5%, 10% and 15% (v/v) of the B amyloliquefaciens biomass

were added to starch wastewater Fraction of 10% was suitable to remove starch wastewater’s organics with initial chemical oxygen demand (COD) of 600 mg/L,

750 mg/L and 900 mg/L The final CODs were 133,3 mg/L (after 36 hour of treating), 130 mg/L and 146,7 mg/L (after 48 hour of treating) respectively These

results met the Vietnamese standard (QCVN 40:2011/BTNMT) for type B

wastewater in which COD concentration is 150 mg/L

The performance of a lab-scale trickling filter for the treatment of starch

wastewater was conducted B amyloliquefaciens cultured on sterilized starch

wastewater after 36 hours was attached on bamboo media of trickling filter Experiment parameters were 50 L/min air rate, 3,6 L/h flow rate and 600 mg/L initial COD concentration The final COD was 118,7 mg/L, and the organic removal

efficiency was 80,2% Whereas, for the trickling filter without Bacillus

amyloliquefaciens addition, the final COD was 159 mg/L; this made the organic

removal efficiency decrease to 73,5 %

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Trong luận văn này, chúng tôi khảo sát ảnh hưởng của việc bổ sung sinh

khối vi khuẩn Bacillus amyloliquefaciens đối với hiệu quả xử lý nước thải hủ tiếu ở

làng nghề bánh bún hủ tiếu Mỹ Tho - Tiền Giang

Đường cong sinh trưởng của B amyloliquefaciens được khảo sát trong môi

trường nước thải hủ tiếu khử trùng (dùng làm môi trường huấn luyện thích nghi) và

cho thấy giai đoạn ổn định trong khoảng thời gian 36 - 48 giờ B amyloliquefaciens

được nuôi trong nước thải hủ tiếu khử trùng trong 36 giờ được sử dụng cho các thí nghiệm xử lý nước thải hủ tiếu

Tỷ lệ 5%, 10% và 15% (v/v) canh trường nước thải hủ tiếu khử trùng có

nuôi B amyloliquefaciens được bổ sung vào nước thải để khảo sát hiệu quả xử lý của B amyloliquefaciens tự do Tỷ lệ vi khuẩn 10% phù hợp để xử lý nước thải với

COD đầu vào 600 mg/L, 750 ml/L và 900 mg/L COD đầu ra lần lượt là 133,3 mg/L (sau 36 giờ xử lý), 130 mg/L và 146,7 mg/L (sau 48 giờ xử lý); đạt yêu cầu nước

thải loại B theo QCVN 40:2011/BTNMT với COD chuẩn là 150 mg/L

Xử lý nước thải bằng B amyloliquefaciens cố định trên đệm lọc tre trong

tháp lọc sinh học nhỏ giọt: Các thông số thí nghiệm gồm tốc độ thổi khí 50 L/phút, tốc độ nước bơm vào tháp lọc là 3,6 L/giờ, COD đầu vào 600 mg/L COD đầu ra là 118,7 mg/L; hiệu suất xử lý đạt 80,2% Trong khi đó, xử lý nước thải hủ thiếu bằng

tháp lọc sinh học không bổ sung B amyloliquefaciens trong quá trình tạo màng

biofilm có CODđầu ra 159 mg/L và hiệu suất xử lý đạt 73,5 %

MỤC LỤC

LỜI CÁM ƠN i

ABSTRACT ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC BẢNG viii

DANH MỤC HÌNH x

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xii

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN 3

2.1 Tổng quan về tinh bột và enzyme amylase thủy phân tinh bột 3

2.1.1 Tổng quan về tinh bột 3

2.1.2 Enzyme amylase thủy phân tinh bột 4

2.2 Chi Bacillus và vi khuẩn Bacillus amyloliquefaciens 5

2.2.1 Chi Bacillus 5

2.2.2 Vi khuẩn Bacillus amyloliquefaciens 6

2.2.3 Các nghiên cứu ứng dụng Bacillus trong xử lý nước thải 8

2.3 Phương pháp sinh học trong xử lý nước thải 9

2.4 Cơ sở lý thuyết của công nghệ sinh học hiếu khí và lọc sinh học 11

2.4.1 Công nghệ sinh học hiếu khí 11

2.4.2 Lọc sinh học 13

2.4.3 Lọc sinh học nhỏ giọt 15

2.4.4 Các nghiên cứu về lọc sinh học 17

2.5 Nước thải hủ tiếu tại làng nghề và xử lý nước thải chứa tinh bột theo phương án sinh học hiếu khí 19

2.5.1 Nước thải hủ tiếu tại làng nghề 19

2.5.2 Các nghiên cứu xử lý nước thải chứa tinh bột theo phương án sinh học hiếu khí 20

CHƯƠNG 3 NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 22

3.1 Nguyên liệu 22

3.1.1 Nguồn nước thải 22

3.1.2 Giống vi sinh vật 22

3.2 Vật liệu, thiết bị - dụng cụ và hóa chất 22

3.2.1 Vật liệu làm đệm lọc 22

3.2.2 Thiết bị - dụng cụ 23

3.2.3 Hóa chất 23

3.3 Phương pháp nghiên cứu 24

3.3.1 Sơ đồ nghiên cứu 24

3.3.2 Thuyết minh sơ đồ nghiên cứu 26

3.3.2.1 Kiểm tra đại thể, vi thể và xây dựng đường cong sinh trưởng của vi khuẩn B amyloliquefaciens 26

3.3.2.2 Xử lý nước thải hủ tiếu bằng B amyloliquefaciens tự do 26

3.3.2.3 Xử lý nước thải hủ tiếu bằng B amyloliquefaciens cố định trong tháp lọc sinh học 28

3.4 Phương pháp nghiên cứu hình thái vi khuẩn 30

3.5 Phương pháp xác định mật số vi sinh vật 31

3.6 Phương pháp kiểm tra định tính enzyme amylase và protease 31

3.6.1 Kiểm tra định tính enzyme amylase 31

3.6.2 Kiểm tra hoạt tính enzyme protease 32

3.7 Các phương pháp phân tích hóa lý 32

3.7.1 Xác định pH 32

3.7.2 Xác định nhu cầu oxy hóa học (COD) 33

3.7.3 Xác định Nitơ tổng số (Ntổng) 33

3.7.4 Xác định Phospho tổng số (Ptổng) 33

3.7.5 Phương pháp xác định Clorua 34

3.8 Phương pháp xử lý số liệu 34

3.9 Công thức tính hiệu suất xử lý 34

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 35

4.1 Kiểm tra đại thể, vi thể và xác định khả năng sinh enzyme amylase và protease

ngoại bào 35

4.1.1 Kiểm tra đại thể và vi thể 35

4.1.2 Kiểm tra định tính enzyme amylase và protease 36

4.2 Khảo sát đường cong sinh trưởng của vi khuẩn Bacillus amyloliquefaciens trong môi trường 802 và môi trường huấn luyện thích nghi 38

4.3 Kết quả kiểm nghiệm các chỉ tiêu của nước thải nguồn 39

4.4 Khảo sát khả năng xử lý nước thải hủ tiếu của vi khuẩn B amyloliquefaciens tự do 40

4.5 Xử lý nước thải với vi khuẩn B amyloliquefaciens cố định trong tháp lọc sinh học 48

4.5.1 Giai đoạn thích nghi 48

4.5.2 Giai đoạn tiền xử lý 49

4.5.3 Giai đoạn xử lý 49

4.6 Khảo sát hiệu quả xử lý nước thải hủ tiếu của tháp lọc sinh học nhỏ giọt không bổ sung B amyloliquefaciens 55

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 57

5.1 Kết luận 57

5.2 Kiến nghị 57

TÀI LIỆU THAM KHẢO 58

Tài liệu tiếng Việt 58

Tài liệu tiếng nước ngoài 60

PHỤ LỤC 64 Phụ lục A Tổng quan về nước thải hủ tiếu 64

Phụ lục B Các phương pháp phân tích 65

B.1 Phương pháp xác định nhu cầu oxy hóa học COD (SMEWW 5220C) 65

B.2 Phương pháp xác định hàm lượng Nitơ tổng số (TCVN 6638:2000) 67

B.3 Phương pháp xác định Phospho tổng số (TCVN 6202:2008) 68

B.4 Phương pháp xác định hàm lượng Clorua 71

Phụ lục C Xác định khả năng sinh enzyme amylase và protease ngoại bào 73

Phụ lục D Sự tăng sinh của vi khuẩn B.amyloliquefaciens từ 0 - 96 giờ trong môi trường

802 và môi trường nước thải hủ tiếu khử trùng 75Phụ lục E Các chỉ tiêu của nước thải dùng thực hiện thí nghiệm 79

Phụ lục F Ảnh hưởng của tỷ lệ vi khuẩn B amyloliquefaciens tự do đến pH và COD đầu

ra của nước thải hủ tiếu được xử lý 79

Phụ lục G Xử lý nước thải hủ tiếu bằng lọc sinh học nhỏ giọt có bổ sung B

amyloliquefaciens cố định 84

Phụ lục H Xử lý nước thải hủ tiếu bằng lọc sinh học nhỏ giọt không bổ sung B

amyloliquefaciens 87

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Vi sinh vật tổng hợp amylase 5

Bảng 2.2 Phân loại vi khuẩn Bacillus amyloliquefaicens 6

Bảng 2.3 Các thiết bị xử lý sinh học thông dụng 10

Bảng 2.4 Thành phần nước thải của các cơ sở sản xuất bánh hủ tiếu tại làng nghề 20

Bảng 3.1 Thành phần môi trường 802 22

Bảng 3.2 Thành phần môi trường thạch - tinh bột 31

Bảng 3.3 Thành phần môi trường thạch đĩa BCG - casein 32

Bảng 4.1 Hàm lượng COD đầu ra trong 1 - 6 ngày tiền xử lý 49

Bảng 4.2 So sánh kết quả xử lý bằng lọc sinh học nhỏ giọt không bổ sung và có bổ sung B amyloliquefaciens cố định 56

Bảng A.1 Các chỉ tiêu cơ bản của nước thải từ các cơ sở sản xuất hủ tiếu ở làng nghề bánh bún hủ tiếu Mỹ Tho - Tiền Giang 64

Bảng B.1 Các dụng cụ dùng thử nghiệm COD 65

Bảng B.2 Thể tích dãy dung dịch chuẩn PO43- 70

Bảng C.1 Đường kính vòng phân giải trên môi trường thạch - tinh bột 73

Bảng C.2 Đường kính vòng phân giải trên môi trường BCG - casein 74

Bảng D.1 Sự tăng sinh của B amyloliquefaciens trong môi trường 802 75

Bảng D.2 Sự tăng sinh của B amyloliquefaciens trong môi trường nước thải hủ tiếu khử trùng 77

Bảng E.1 Các chỉ tiêu hóa lý của nước thải nguồn 79

Bảng F.1 Giá trị pH tại các thời điểm xử lý với CODđầu vào= 600 mg/L 79

Bảng F.2 Hàm lượng COD tại các thời điểm xử lý với CODđầu vào= 600 mg/L 80 Bảng F.3 Giá trị pH tại các thời điểm xử lý với CODđầu vào= 750 mg/L 81

Bảng F.4 Hàm lượng COD tại các thời điểm xử lý với CODđầu vào= 750 mg/L 82 Bảng F.5 Giá trị pH tại các thời điểm xử lý với CODđầu vào= 900 mg/L 83

Bảng F.6 Hàm lượng COD tại các thời điểm xử lý với CODđầu vào= 900 mg/L 84 Bảng G.1 COD từ ngày 1 - ngày 6 ở giai đoạn thích nghi 84

Bảng G.2 Kết quả pH và COD của thí nghiệm CODđầu vào= 600 mg/L,

Vnước= 2,8 L/giờ 86 Bảng G.3 Kết quả pH và COD của thí nghiệm CODđầu vào= 600 mg/L,

Vnước= 3,2 L/giờ 86 Bảng G.4 Kết quả pH và COD của thí nghiệm CODđầu vào= 600 mg/L,

Vnước= 3,6 L/giờ 87 Bảng H.1 pH và CODđầu ra của nước thải xử lý bằng lọc sinh học

không bổ sung B amyloliquefaciens 87

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1 Dạng amylose của tinh bột 3

Hình 2.2 Dạng amylopectin của tinh bột 3

Hình 2.3 Cấu tạo màng sinh học 14

Hình 2.4 Các dạng lọc sinh học nhỏ giọt 16

Hình 2.5 Mô hình lọc sinh học trong thí nghiệm của M Kornaros và G Lyberatos 18

Hình 2.6 Quy trình sản xuất bánh hủ tiếu 19

Hình 3.1 Sơ đồ nghiên cứu 25

Hình 4.1 Kết quả kiểm tra đại thể vi khuẩn B amyloliquefaciens 35

Hình 4.2 Kiểm tra vi thể bằng nhuộm Gram (A) và chụp bằng kính hiển vi điện tử quét (B) 35

Hình 4.3 Kết quả kiểm tra định tính amylase trên môi trường thạch-tinh bột 36

Hình 4.4 Kết quả kiểm tra định tính protease trên môi trường BCG-casein 37

Hình 4.5 Đường cong sinh trưởng của B amyloliquefaciens trong môi trường 802 38

Hình 4.6 Đường cong sinh trưởng của B amyloliquefaciens trong môi trường huấn luyện thích nghi 39

Hình 4.7 Giá trị pH của thí nghiệm 1 41

Hình 4.8 Giá trị pH của thí nghiệm 2 41

Hình 4.9 Giá trị pH của thí nghiệm 3 42

Hình 4.10 Sự biến đổi hàm lượng COD theo thời gian-Thí nghiệm 1 44

Hình 4.11 Hàm lượng COD của các nghiệm thức tại 36 giờ xử lý - Thí nghiệm 1 45

Hình 4.12 Sự biến đổi hàm lượng COD theo thời gian-Thí nghiệm 2 45

Hình 4.13 Hàm lượng COD của các nghiệm thức tại 48 giờ xử lý - Thí nghiệm 2 46

Hình 4.14 Sự biến đổi hàm lượng COD theo thời gian-Thí nghiệm 3 47

Hình 4.15 Hàm lượng COD của các nghiệm thức tại 48 giờ xử lý - Thí nghiệm 3

48

Hình 4.16 Giá trị pH đầu ra của thí nghiệm 4 50

Hình 4.17 Hàm lượng COD đầu ra của thí nghiệm 4 51

Hình 4.18 Giá trị pH đầu ra của thí nghiệm 5 51

Hình 4.19 Hàm lượng COD đầu ra của thí nghiệm 5 52

Hình 4.20 Giá trị pH đầu ra của thí nghiệm 6 52

Hình 4.21 Hàm lượng COD đầu ra của thí nghiệm 6 53

Hình 4.22 COD đầu ra của các nghiệm thức khi thay đổi lưu lượng nước 53

Hình 4.23 Hiệu suất xử lý của các nghiệm thức thổi khí khi thay đổi lưu lượng nước 54

Hình B.1 Kết quả xây dựng đường chuẩn bằng máy quang phổ UV-VIS 71

Hình G.1 Mô hình lọc sinh học nhỏ giọt ở quy mô phòng thí nghiệm 85

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

BCG Bromocresol green reagent - Thuốc thử Bromocresol xanh

BOD Biological oxygen demand - Nhu cầu oxy sinh hóa

BOD 5 Nhu cầu oxy sinh hóa sau 5 ngày

COD Chemical oxygen demand - Nhu cầu oxy hoá học

GRAS Generally recognized as safe - Được xem như an toàn

MPN Most probable number - Phương pháp đếm có xác xuất cao nhất

(phương pháp định lượng vi sinh vật)

TOC Total organic carbon - Tổng hàm lượng carbon hữu cơ

TSS Total suspended solids - Tổng chất rắn lơ lửng

SEM Scanning electron microscope- Kính hiển vi điện tử quét

UASB Upflow anaerobic sludge blanket - Bể bùn kỵ khí dòng chảy ngược

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU

Các làng nghề thủ công truyền thống là nét đặt trưng của nhiều vùng nông thôn Việt Nam Trong những năm qua, cùng với sự phát triển của kinh tế - xã hội, nhiều ngành nghề thủ công truyền thống được khôi phục và phát triển khá mạnh; đóng góp không nhỏ vào sự phát triển kinh tế nông thôn Bên cạnh thành tựu về kinh tế, làng nghề đã và đang gây ra các hậu quả nghiêm trọng về mặt môi trường

Sự ô nhiễm môi trường nước tại các làng nghề đang ở mức báo động, gây nhiều bức xúc cho xã hội

Một trong các loại hình làng nghề phổ biến nhất ở nông thôn Việt Nam là làng nghề chế biến lương thực (làm bún, miến, bánh đa, chế biến tinh bột) Tại Tiền Giang, làng nghề sản xuất bánh bún hủ tiếu cũng được chú ý duy trì và phát triển cùng với thương hiệu “Hủ tiếu Mỹ Tho” Tuy nhiên, sự phát triển của làng nghề này mang tính nông hộ nhỏ lẻ, chưa chú ý đến vấn đề nước thải với đặc trưng là thành phần tinh bột Nước thải chứa tinh bột thường thải trực tiếp ra sông, không qua xử lý nên các chỉ tiêu cơ bản của nước thải như pH, BOD, COD, TSS, Nitơ tổng số, Phospho tổng số, Coliforms đều vượt quá tiêu chuẩn cho phép Từ đó, sự ô nhiễm ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng môi trường làng nghề và sức khỏe cộng đồng

Để kiểm soát ô nhiễm nguồn nước, nhiều phương pháp xử lý nước thải khác nhau được sử dụng như: phương pháp cơ học, phương pháp hóa học, phương pháp sinh học Và phương pháp luôn được hướng tới trong các nghiên cứu và ứng dụng hiện nay là xử lý sinh học, do đây là công nghệ có chi phí vận hành thấp nhờ vào tác nhân chủ đạo là các vi sinh vật (Nguyễn Văn Phước, 2012) Ngoài ra, xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học không gây ra những ô nhiễm thứ cấp giống như xử lý bằng phương pháp hóa học

Tác nhân vi sinh vật tham gia quá trình xử lý đa dạng về chủng loài Trong

đó, các loài thuộc chi Bacillus ngày càng trở thành những vi sinh vật quan trọng

hàng đầu về mặt ứng dụng Các ứng dụng của chúng bao trùm hàng loạt lĩnh vực, từ sản xuất thủ công truyền thống đến công nghệ lên men hiện đại, y học, mỹ phẩm,

xử lý môi trường ô nhiễm, thu hồi bạc kim loại từ các phế liệu Chính vì lẽ đó, ngày

càng có nhiều nghiên cứu sâu về chi Bacillus cũng như mở rộng ứng dụng của chúng với đời sống con người Vi khuẩn thuộc chi Bacillus có tiềm năng lớn về các

enzyme ngoại bào Nhiều trong số các enzyme ngoại bào này là những enzyme thủy phân các phân tử hữu cơ lớn (Ngô Tự Thành và cộng sự, 2009)

Việc sử dụng vi sinh vật có thể thực hiện bằng hai hình thức: sử dụng tế bào

tự do hoặc tế bào được cố định Tế bào cố định là tế bào vi sinh vật được gắn vào một chất mang; các chất mang và vi sinh vật gắn vào đó được đưa vào bể phản ứng sinh học (bioreactor) Hiện nay, phương pháp cố định tế bào được ứng dụng rộng rãi và đem lại hiệu quả kinh tế rõ rệt bởi vì cố định tế bào vi sinh vật giúp bảo vệ tế bào tốt hơn với các điều kiện nhiệt độ, pH, độc chất trong môi trường so với tế bào

tự do Hơn nữa, quá trình sản xuất có thể thực hiện liên tục và tế bào ít bị rửa trôi vào môi trường (Nguyễn Đức Lượng và cộng sự, 2010)

Trong xử lý nước thải, thiết bị lọc sinh học được sử dụng như một bể phản ứng sinh học Với thiết bị này, nước thải được lọc qua lớp vật liệu (chất mang) bao phủ bởi màng vi sinh vật - đóng vai trò tương tự như bùn hoạt tính, hấp thụ và phân hủy chất hữu cơ trong nước thải Ưu điểm của thiết bị lọc sinh học là khởi động nhanh, khả năng loại bỏ cơ chất phân hủy chậm, khả năng chịu biến động về nhiệt độ và tải lượng ô nhiễm, sự đa dạng về thiết bị xử lý và hiệu quả cao đối với nước thải có nồng độ ô nhiễm thấp (Nguyễn Văn Phước, 2012)

Do các yếu tố trên, đề tài “Xử lý nước thải của cơ sở sản xuất hủ tiếu ở làng

nghề bánh bún hủ tiếu Mỹ Tho-Tiền Giang bằng vi khuẩn Bacillus

amyloliquefaciens cố định trong tháp lọc sinh học” được tiến hành để khảo sát ảnh

hưởng của việc bổ sung sinh khối vi khuẩn B amyloliquefaciens ở dạng tự do và cố

định trong tháp lọc sinh học đến hiệu quả xử lý nước thải hủ tiếu; xây dựng quy trình xử lý bằng lọc sinh học nhỏ giọt ở quy mô phòng thí nghiệm

Hình 2.1 Dạng amylose của tinh bột

Hình 2.2 Dạng amylopectin của tinh bột

Trong tự nhiên, tinh bột được thực vật tạo ra trong các củ, quả và ngũ cốc Tinh bột được tách ra từ hạt (ngô, lúa mì), từ rễ và củ (sắn, khoai tây, dong) là những loại tinh bột chính dùng trong công nghiệp

2.1.2 Enzyme amylase thủy phân tinh bột

Enzyme amylase có khả năng thủy phân tinh bột tạo thành các dextrin có khối lượng phân tử khác nhau Khi cho tác dụng với I2, chúng sẽ tạo thành màu; và hoạt độ của amylase được tính thông qua việc đo cường độ màu tạo thành Đơn vị hoạt độ của amylase là lượng enzyme xúc tác thủy phân được 1g tinh bột thành dextrin có phân tử lượng khác nhau ở nhiệt độ 30oC trong 1 giờ (Nguyễn Đức Lượng và Cao Cường, 2003)

pH hoạt động tối ưu đối với amylase của malt là 4,8 - 4,9, của nấm mốc là 4,7 và của vi khuẩn là 6,0 (Nguyễn Đức Lượng và Cao Cường, 2003)

Amylase xúc tác cho các phản ứng thủy phân tinh bột, glycogen và các polysaccharid tương tự Amylase được chia thành ba loại:

- α-amylase (1,4-α-D-Glucan-glucanohydrolase; EC 3.2.1.1) có trong nước bọt, hạt hòa thảo này mầm, trong tụy tạng, nấm mốc, vi khuẩn Nó phân giải liên kết 1,4-glucosid ở giữa chuỗi polysaccharid (nên gọi là endoamylase) tạo thành maltose, glucose và chủ yếu là dextrin phân tử thấp Dưới tác dụng của enzyme này, dung dịch tinh bột mau chóng bị mất khả năng tạo màu với dung dịch I2 và bị giảm

độ nhớt mạnh α-amylase bền với nhiệt nhưng kém bền với acid (Nguyễn Đức Lượng, 2006)

- β-amylase (EC 3.2.1.2) có nhiều ở hạt, củ thực vật Nó xúc tác cho phản ứng thủy phân liên kết 1,4 - glucosid từ đầu không khử tạo thành chủ yếu maltose

và dextrin phân tử lớn Mất hoạt tính ở nhiệt độ trên 70oC, nhưng bền với acid hơn α-amylase (Nguyễn Đức Lượng, 2006)

- Glucoamylase (EC 3.2.1.3) có nhiều ở vi sinh vật, gan động vật Nó xúc tác cho phản ứng thủy phân liên kết 1,4 - và 1,6 - glycosid bắt đầu từ đầu không khử của chuỗi polysaccharid Sản phẩm chủ yếu của glucose và dextrin Nó bị mất hoạt tính ở nhiệt độ trên 70oC Nhiều glucoamylase hoạt động mạnh ở pH 3,5 - 5,5 (Nguyễn Đức Lượng và Cao Cường, 2003)

Enzyme amylase được nghiên cứu sớm nhất và có nhiều công trình được công bố nhất Trong những công trình nghiên cứu về enzyme amylase của vi sinh vật thì amylase từ nấm sợi và từ vi khuẩn được nghiên cứu nhiều hơn cả Những kết quả nghiên cứu amylase của vi sinh vật được tóm tắt trong Bảng 2.1

Bảng 2.1 Vi sinh vật tổng hợp amylase (Nguyễn Đức Lượng, 2006)

Vi sinh vật Enzyme pH tối ưu Nhiệt độ tối ưu

Aspergillus awamori α-amylase 4,5 - 6,2 400C

β-amylase 3,5 - 7,0 500C glucoamylase 4,5 - 4,7 55 - 700C

Aspergillus niger α-amylase 4,7 - 4,6 650C

Bacillus amyloliquefaciens α-amylase 5,7-6,0 55 - 600C

Bacillus diastaticus α-amylase 5,8 700C

Bacillus substilis α-amylase 4,6-5,1 370C

Endomyces sp glucoamylase 4,8 550C

Rhizopus delemar glucoamylase 5,5 450C

2.2 Chi Bacillus và vi khuẩn Bacillus amyloliquefaciens

2.2.1 Chi Bacillus

Bacillus là một trong những vi sinh vật đầu tiên được phát hiện và mô tả

trong giai đoạn đầu của tiến trình phát triển ngành vi sinh vật học ở cuối thế kỷ XIX (Trịnh Thành Trung và cộng sự, 2013) Đây là một chi lớn với gần 200 loài vi khuẩn hiếu khí, hình que, Gram dương và có khả năng sinh nội bào tử để chống chịu các điều kiện bất thường của môi trường sống (P D Vos và cộng sự, 2009)

Chi Bacillus phân bố rất rộng trong tự nhiên, nhất là trong đất, chúng tham gia tích

cực vào sự phân hủy vật chất hữu cơ nhờ vào khả năng sinh nhiều loại enzyme ngoại bào (Ngô Tự Thành và cộng sự, 2009)

2.2.2 Vi khuẩn Bacillus amyloliquefaciens

 Phân loại:

B amyloliquefaciens được Fukomoto phát hiện năm 1943 nhờ khả năng sinh

α-amylase và protease Tại thời điểm đó, B amyloliquefaciens được xem như một dòng khác của loài B substilis hay loài phụ B substilis subp amyloliquefaciens Đến năm 1987, B amyloliquefaciens được tách ra thành một loài riêng dựa trên kết quả lai DNA lần lượt là 23%, 15% và 5% so với các loài B substilis, B

licheniformis và B pumilus (F G Priest, 1987)

Trong năm 2010, R Borriss và cộng sự đã chứng minh sự khác biệt về chỉ số lai DNA, chỉ số so sánh hệ gen bằng kỹ thuật microarray, tính tương đồng của toàn

bộ hệ genome và phổ các chất hoạt tính lipopeptide và polypeptide giữa một nhóm

B amyloliquefaciens DSM 7 không có khả năng và một nhóm B amyloliquefaciens

FZB42 có khả năng nội cộng sinh trong rễ cây thực vật Dựa vào kết quả thu được,

R Borriss và cộng sự đã đề xuất tách B amyloliquefaciens thành 2 nhóm loài phụ

B amyloliquefaciens subsp plantarum - có khả năng sống nội cộng sinh trong rễ

cây thực vật và B amyloliquefaciens subsp amyloliquefaciens - không có khả năng

nội cộng sinh trong rễ cây thực vật (R Borriss và cộng sự, 2011) Kết quả phân loại

vi khuẩn B amyloliquefaciens được trình bày ở Bảng 2.2

Bảng 2.2 Phân loại vi khuẩn Bacillus amyloliquefaciens (R Borriss và cộng sự, 2011)

Loài Bacillus amyloliquefaciens

Loài phụ - B amyloliquefaciens subsp amyloliquefaciens

- B amyloliquefaciens subsp plantarum

 Hình thái:

Bacillus amyloliquefaciens là vi khuẩn Gram dương, kích thước 0,7-0,9 x

1,8-3,0 µm, có roi di động và kết lại với nhau thành chuỗi Nội bào tử hình ê-líp (0,6-0,8 x 1,0-1,4 µm) ở tâm, gần tâm hoặc lệch về một phía tế bào và nằm trong túi bào tử (L T Wang và cộng sự, 2008)

 Điều kiện nuôi cấy (L T Wang và cộng sự, 2008):

- B amyloliquefaciens là vi khuẩn hiếu khí, không phát triển trong môi trường

kỵ khí pH tối ưu cho vi khuẩn phát triển là 7; nhiệt độ phát triển từ 15 - 50oC, tối ưu ở

 Đặc tính sinh hóa (L T Wang và cộng sự, 2008):

B amyloliquefaciens cho kết quả dương tính với:

- Enzyme oxy hóa (oxidase), enzyme phân giải hydroperoxit thành nước và oxy (catalase), sự sụt giảm nitrate;

- Sự thủy phân esculin, gelatin, casein, tinh bột, Tween 40, Tween 60;

- Sự sinh acid từ D-glucose, D-mannitol, glycerol, glycogen, salicin, tinh bột, amygdalin (C20H27O11N), arbutin, cellobiose, fructose, galactose, beta-gentibiose, meso-inositol, inulin, maltose, raffinose, ribose, sorbitol, sucrose, D-xylose & aesculin

B amyloliquefaciens cho kết quả âm tính với:

- Các enzyme arginine dihydrolase, lysine decarboxylase, ornithine decarboxylase; tryptophan deaminase;

- Sự suy giảm tyrosine, khử gốc amin của phenylalanine, thủy phân urea,

sự sản sinh indole;

- Sự sinh acid từ: methyl beta-xyloside, adonitol, D-arabitol, D-arabinose, L-arabitol, dulcitol, erythritol, D-fucose, L-fucose, 2-ketogluconate, 5-ketogluconate, lyxose, melezitose, rhamnose, sorbose, xylitol và L-xylose

 Sinh thái học:

B amyloliquefaciens được phân lập từ đất, trầm tích nước lợ và sự lên men

amylase công nghiệp Vi khuẩn này là một nguồn quan trọng sản sinh amylase và protease phục vụ cho công nghiệp (L T Wang và cộng sự, 2008)

alpha- Khả năng gây bệnh:

Hiện tại, khả năng gây bệnh của B amyloliquefaciens chưa được báo cáo

B amyloliquefaciens là những vi sinh vật an toàn (GRAS) và có thể dùng

như probiotics để bổ sung vào thức ăn hoặc thức uống nhằm cân bằng hệ vi sinh đường ruột, qua đó ngăn ngừa và phòng chống các bệnh tiêu chảy thường gặp (M

E Sanders và cộng sự, 2008)

Ngoài ra, vi sinh vật trong probiotics còn tăng cường khả năng dung nạp lactose, điều hòa hệ thống miễn dịch và tăng cường sức khỏe con người (M

Saxelin, 2008) Nhiều bằng chứng cho thấy B amyloliquefaciens đã được sử dụng

trong chế phẩm probiotics (K E Sutyak và cộng sự, 2008; H Cao và cộng sự, 2011)

2.2.3 Các nghiên cứu ứng dụng Bacillus trong xử lý nước thải

Ngô Tự Thành và cộng sự (2009) công bố công trình phân lập 236 chủng vi

khuẩn thuộc chi Bacillus ở Việt Nam từ các mẫu đất và nước thải khác nhau Nhóm

nghiên cứu tiến hành khảo sát các hoạt tính enzyme ngoại bào gồm amylase, protease và CMC-ase trên 236 chủng này; các chủng có hoạt tính enzyme mạnh được thử khả năng xử lý nước thải Kết quả thu được các chủng T20 (dạng dịch nuôi loại bỏ tế bào), TR6 và TH5 (dạng huyền dịch tế bào) có tác dụng tốt trong xử

lý nước thải nhà máy sữa và nước thải sông Tô Lịch Nước thải nhà máy sữa Vinamilk Gia Lâm Hà Nội có BOD5 (nhu cầu oxy sinh hóa sau 5 ngày) trước xử lý

là 1.500 mg/L Nước thải này được xử lý lắc có dịch nuôi (tỷ lệ 1:2 v/v) và không

có dịch nuôi chủng T20; giá trị BOD5 sau xử lý lần lượt là 730 mg/L và 1250 mg/L Nước thải ấy được xử lý lắc có huyền dịch tế bào (tỷ lệ 1:5 v/v) và không có huyền dịch tế bào TR6; giá trị BOD5 sau xử lý lần lượt là 610 mg/L và 800 mg/L Nước thải sông Tô Lịch có giá trị BOD5 trước xử lý là 172 mg/L được xử lý lắc có huyền

dịch tế bào (tỷ lệ 1:10 v/v) và không có huyền dịch tế bào chủng TH5; giá trị BOD5sau xử lý lần lượt là 92 mg/L và 165 mg/L

Quingxin Li và cộng sự (2005) phát hiện rằng đối tượng Bacillus sp (M-12)

có thể làm giảm đáng kể nhu cầu oxy hóa học (COD) của nước thải có chứa dầu

mỏ Polyvinyl alcohol (PVA) được chọn để cố định tế bào; và các tế bào được cố định có thể được sử dụng nhiều lần cho việc xử lý nước thải với hiệu quả loại bỏ COD cao Hiệu quả làm giảm COD có thể được nâng cao khi nguồn nitrogen như (NH4)2SO4 được bổ sung vào nước thải Hệ thống xử lý nước liên tục với các tế bào

cố định và cột bọt đá (cinder) được phát triển Hệ thống liên tục này có hiệu quả đáng kể trong việc làm giảm COD của nước thải từ 2600 đến 240 mg/L

Daban Lu và cộng sự (2012) nghiên cứu Bacillus amyloliquefaciens, là vi

sinh vật hiếu khí với khả năng sử dụng phenol là nguồn carbon và nguồn năng lượng

duy nhất Bacillus amyloliquefaciens chủng WJDB - 1 đã được xác định dựa vào các

đặc điểm hình thái, sinh lý, sinh hóa và phân tích trình tự rDNA 16S Chủng WJDB -

1 được vi gói trong alginate - chitosan - alginate (ACA) có thể phân giải hoàn toàn

200 mg/L phenol trong 36 giờ Các tế bào được cố định trong ACA có ưu điểm hơn

so với huyền phù tự do trong phạm vi chống chịu với môi trường nạp vào Để đạt được tốc độ phân giải phenol cao hơn, các điều kiện tối ưu cho vi gói được khảo sát bằng cách thay đổi nồng độ của sodium alginate, calcium chloride và chitosan; đồng thời, điều chỉnh các thông số của quá trình như số lượng vi bao, pH, nhiệt độ và nồng độ ban đầu của phenol Vi sinh vật này có tiềm năng trong việc xử lý hiệu quả các tác nhân hữu cơ gây ô nhiễm nước

2.3 Phương pháp sinh học trong xử lý nước thải

Bản chất của phương pháp sinh học trong xử lý nước thải là sử dụng khả năng sống và hoạt động của vi sinh vật để khoáng hóa các chất bẩn hữu cơ trong nước thải thành các chất vô cơ, các chất khí đơn giản và nước Tất cả các chất hữu

cơ có trong tự nhiên và nhiều chất hữu cơ tổng hợp nhân tạo là nguồn dinh dưỡng cho các vi sinh vật Vi sinh vật có thể phân hủy chúng hoàn toàn hoặc không hoàn toàn Quá trình xử lý sinh học nước thải nhằm khử các chất bẩn hữu cơ (BOD, COD hoặc TOC), nitrat hóa, khử nitrat, khử phospho và ổn định chất thải nhờ quá trình

chuyển hóa hợp chất hữu cơ thành pha khí và thành sinh khối tế bào vi sinh vật; tạo

ra các bông bùn cặn sinh học và loại các bông bùn cặn sinh học này khỏi nước thải (Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn Thị Thùy Dương, 2003; Nguyễn Văn Phước, 2012)

Các quá trình xử lý nhân tạo đều xuất phát từ các quá trình xảy ra trong tự

nhiên bao gồm hai kiểu sinh trưởng của vi sinh vật: Sinh trưởng lơ lửng đồng nghĩa

với bùn hoạt tính ở điều kiện hiếu khí (làm thoáng khí, sục hay thổi khí và khuấy đảo) và điều kiện kỵ khí (sục CO2 hoặc khuấy đảo hoặc cho dòng chảy ngược); sinh

trưởng gắn kết hay bám dính đồng nghĩa với màng sinh học ở điều kiện hiếu khí và

điều kiện kỵ khí Nhờ các biện pháp nhân tạo, hoạt tính của các vi sinh vật được tăng cường và hiệu quả làm sạch chất bẩn không ngừng được tăng lên (Nguyễn Văn Phước, 2012) Căn cứ vào cách thức sinh trưởng trên, các bể xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học được phân loại thành hai nhóm chính và được liệt kê trong Bảng 2.3

Bảng 2.3 Các thiết bị xử lý sinh học thông dụng (Nguyễn Văn Phước, 2012)

Bể phản ứng tăng trưởng lơ lửng Bể phản ứng tăng trưởng bám dính

Khử dinh dưỡng bằng sinh học Đĩa quay sinh học

Hồ sinh học Các loại nước thải sinh hoạt, nước thải đô thị, nước thải một số ngành công nghiệp (thực phẩm, thủy sản, chế biến nông sản, lò mổ, chăn nuôi và có thể cả công nghiệp giấy) có chứa nhiều chất hữu cơ hòa tan gồm hydratcabon, protein và các hợp chất chứa nitơ phân hủy từ protein, các dạng chất béo; cùng một số hợp chất vô

cơ như H2S, các sunphit, amoniac và các hợp chất chứa nitơ khác có thể được xử lý theo phương pháp sinh học

Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học dựa trên cơ sở hoạt động của vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ nhiễm bẩn nước Do vậy, điều kiện đầu tiên và

vô cùng quan trọng đối với nước thải phải là môi trường sống của quần thể vi sinh vật phân hủy các chất hữu cơ có trong nước thải Muốn đảm bảo điều kiện này, nước thải phải (1) không có chất độc làm chết hoặc ức chế hệ vi sinh vật trong nước thải, đặc biệt chú ý kim loại nặng; (2) chất hữu cơ trong nước thải phải là cơ chất dinh dưỡng cho nguồn C và năng lượng cho vi sinh vật Các hợp chất hydratcabon, protein và lipit hòa tan thường là cơ chất dinh dưỡng rất tốt cho vi sinh vật

2.4 Cơ sở lý thuyết của công nghệ sinh học hiếu khí và lọc sinh học

2.4.1 Công nghệ sinh học hiếu khí

Nguyên tắc của phương pháp là sử dụng các vi sinh vật hiếu khí để phân hủy các chất hữu cơ trong nước thải trong điều kiện có đầy đủ oxy hòa tan ở nhiệt độ,

pH thích hợp Quá trình phân hủy chất hữu cơ của vi sinh vật hiếu khí có thể mô tả bằng sơ đồ:

(CHO)nNS + O2  CO2 +H2O + NH4+ + H2S + Tế bào vi sinh vật +ΔH Trong điều kiện hiếu khí, NH4+ và H2S cũng bị phân hủy nhờ quá trình nitrat hoá và sunphat hóa bởi vi sinh vật tự dưỡng:

NH4+ + O2  NO3- + 2H+ + H2O + ΔH

H2S + 2O2 SO42- +2H+ + ΔH

Hoạt động sống của vi sinh vật hiếu khí bao gồm (1) quá trình dinh dưỡng:

Vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ, chất dinh dưỡng và các nguyên tố khoáng vi lượng kim loại để xây dựng tế bào mới tăng sinh khối và sinh sản; và (2) quá trình phân hủy: Vi sinh vật oxy hóa các chất hữu cơ hòa tan hoặc ở dạng các hạt keo phân tán nhỏ thành nước và CO2 hoặc tạo ra các chất khí khác (Nguyễn Văn Phước, 2012)

So với phương pháp kỵ khí thì phương pháp hiếu khí có các ưu điểm là những hiểu biết về quá trình xử lý đầy đủ hơn, hiệu quả xử lý cao hơn và triệt để hơn Phương pháp hiếu khí không gây ô nhiễm thứ cấp như phương pháp hóa học, vật lý Nhưng phương pháp hiếu khí cũng có các nhược điểm là thể tích công trình lớn và chiếm nhiều mặt bằng hơn; chi phí xây dựng công trình và đầu tư thiết bị lớn hơn; chi phí vận hành, đặc biệt chi phí cho năng lượng sục khí tương đối cao; không

có khả năng thu hồi năng lượng; không chịu được những thay đổi đột ngột về tải trọng hữu cơ; sau xử lý, sinh ra một lượng bùn dư lớn và lượng bùn này kém ổn định, do đó đòi hỏi chi phí đầu tư để xử lý bùn và xử lý nước thải có tải trọng hữu

cơ không cao như phương pháp kỵ khí

Thực chất của quá trình phân hủy chất bẩn hữu cơ bằng phương pháp hiếu khí là quá trình lên men bằng vi sinh vật trong điều kiện có oxy để cho sản phẩm là

CO2, H2O, NO3- và SO42- Cũng như xử lý kỵ khí, khi xử lý hiếu khí, các chất bẩn phức tạp như protein, tinh bột và chất béo sẽ bị thủy phân bởi các men ngoại bào cho các chất đơn giản là các axit amin, các axit béo, các axit hữu cơ và các đường đơn Các chất đơn giản này sẽ thấm qua màng tế bào và bị phân giải tiếp tục hoặc chuyển hóa thành các vật liệu xây dựng tế bào mới bởi quá trình hô hấp nội bào cho sản phẩm cuối cùng là CO2 và H2O (Nguyễn Văn Phước, 2012)

Nước thải đưa vào xử lý sinh học có hai thông số đặc trưng là BOD và COD

Tỷ số của hai thông số này phải là: COD/ BOD ≤ 2 hoặc BOD/ COD ≥ 0,5; mới có thể đưa vào xử lý sinh học (hiếu khí) Nếu COD lớn hơn BOD nhiều lần, trong đó nếu có xenlulo, hemixenlulo, protein và tinh bột chưa tan thì phải qua xử lý sinh học

kỵ khí

Khác với quá trình xử lý kỵ khí, tải trọng hữu cơ trong xử lý hiếu khí thường thấp hơn nên nồng độ các chất bẩn hữu cơ nước thải qua aerotank có BOD toàn phần phải ≤ 1.000 (mg/L); còn trong bể lọc sinh học thì BOD toàn phần của nước thải ≤ 500 (mg/L) Ngoài ra, nước thải cũng cần có đủ các nguyên tố vi lượng và nguyên tố dinh dưỡng Các nguyên tố vi lượng như K, Na, Mg, Ca, Mn, Fe, Mo, Ni,

Co, Zn, Cu, S và Cl thường có đủ trong nước thải Tùy theo hàm lượng cơ chất trong nước thải mà có yêu cầu về nồng độ các nguyên tố dinh dưỡng cần thiết khác nhau Thông thường, cần duy trì các nguyên tố dinh dưỡng theo một tỷ lệ thích hợp: BODtoàn phần:N:P = 100:5:1 hay COD:N:P = 150:5:1 (Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn Thị Thùy Dương, 2003; Nguyễn Văn Phước, 2012)

pH và nhiệt độ môi trường là các yếu tố có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình

xử lý sinh học của nước thải Giá trị pH tối ưu cho đa số vi sinh vật từ 6,5 - 8,5 pH

< 5 sẽ thúc đẩy nấm phát triển; pH > 9 sẽ phá hủy cân bằng nguyên sinh chất tế bào,

vi sinh vật sẽ chết Nước thải có nhiệt độ thích nghi với đa số vi sinh vật tối ưu từ

25 - 37oC hoặc từ 20 - 80 oC, thấp nhất vào mùa đông là 12 o

C Ngoài ra, quá trình

xử lý hiếu khí còn phụ thuộc vào nồng độ muối vô cơ, lượng chất lơ lửng chảy vào

bể xử lý cũng như các loài sinh vật và cấu trúc các chất bẩn hữu cơ (Nguyễn Văn Phước, 2012)

2.4.2 Lọc sinh học

Thiết bị lọc sinh học là thiết bị được bố trí đệm và cơ cấu phân phối nước cũng như không khí (Nguyễn Văn Phước, 2012) Hiện nay, ba loại lọc sinh học thường được sử dụng là đĩa quay sinh học, lọc sinh nhỏ giọt và lọc sinh học ngập nước (Juan José García-Mesa, 2010) Trong thiết bị lọc sinh học, nước thải được lọc qua lớp vật liệu bao phủ bởi màng vi sinh vật (biofilm)

Màng sinh học là dạng tồn tại phổ biến trong tự nhiên của vi sinh vật Việc hình thành màng biofilm đem lại nhiều lợi ích cho vi sinh vật như giúp tế bào tồn tại

và chống chịu được những điều kiện bất lợi, tận dụng được nguồn dinh dưỡng của môi trường thông qua mối quan hệ giữa các loài trong màng sinh học (CR Kokare

và cộng sự, 2009)

Màng sinh học hiếu khí là một hệ vi sinh vật tùy tiện (Hình 2.3) Ở ngoài

cùng của màng là lớp vi khuẩn hiếu khí mà dễ thấy là trực khuẩn Bacillus; ở giữa là các vi khuẩn tùy tiện như Alkaligenes, Pseudomonas, Flavobacterium, Mocrococcus

và cả Bacillus Lớp sâu bên trong màng là các vi khuẩn kỵ khí khử S và nitrat như

Desulfovibrio Phần cuối cùng của màng là các động vật nguyên sinh và một số sinh

vật khác (Nguyễn Văn Phước, 2012)

Các vi khuẩn trong màng sinh học thường có hoạt tính cao hơn vi khuẩn trong bùn hoạt tính Vi sinh vật trong màng sinh học sẽ oxy hóa các chất hữu cơ, sử dụng chúng làm nguồn dinh dưỡng và năng lượng Như vậy, chất hữu cơ được tách

ra khỏi nước, còn khối lượng của màng sinh học tăng lên Màng vi sinh chết được cuốn trôi theo nước và đưa ra khỏi thiết bị lọc sinh học

Hình 2.3 Cấu tạo màng sinh học

Vật liệu đệm là vật liệu có độ xốp cao, khối lượng riêng nhỏ và bề mặt riêng phần lớn như sỏi, đá, ống nhựa, sợi nhựa, xơ dừa và nhiều vật liệu khác Màng sinh học đóng vai trò tương tự như bùn hoạt tính; nó hấp thụ và phân hủy các chất hữu

cơ trong nước thải Cường độ oxy hóa trong thiết bị lọc sinh học thấp hơn hơn trong aerotank Phần lớn các vi sinh vật có khả năng xâm chiếm bề mặt rắn nhờ polymer ngoại bào, tạo thành lớp màng nhầy Việc phân hủy chất hữu cơ diễn ra ngay trên bề mặt và ở trong lớp màng nhày này và quá trình diễn ra rất phức tạp Ban đầu, oxy và thức ăn được vận chuyển tới bề mặt lớp màng Lúc này, bề dày lớp màng còn tương đối mỏng, oxy có khả năng xuyên thấu vào trong tế bào Theo thời gian, bề dày lớp màng này tăng lên, dẫn tới việc bên trong màng hình thành một lớp kỵ khí nằm dưới lớp hiếu khí Khi chất hữu cơ không còn, các tế bào bị phân hủy, tróc thành từng mảng và cuốn theo dòng nước (Nguyễn Văn Phước, 2012)

Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý trong thiết bị lọc sinh học bao gồm: bản chất của chất hữu cơ ô nhiễm, vận tốc oxy hóa, cường độ thông khí, tiết diện màng sinh học, thành phần vi sinh, diện tích và chiều cao thiết bị, đặc biệt vật liệu

đệm (kích thước, độ xốp và bề mặt riêng), tính chất vật lý của nước thải, nhiệt độ của quá trình, tải trọng thủy lực, cường độ tuần hoàn, sự phân phối nước thải

Ưu điểm của lọc sinh học:

o Khởi động nhanh: 2 tuần;

o Khả năng loại bỏ những cơ chất phân hủy chậm;

o Khả năng chịu biến động về nhiệt độ và tải lượng ô nhiễm;

o Sự đa dạng khả năng xử lý;

o Hiệu quả cao đối với nước thải có nồng độ ô nhiễm thấp

Nhược điểm của lọc sinh học:

o Không có khả năng điều khiển sinh khối

o Tốc độ làm sạch bị hạn chế bởi quá trình khuếch tán: vật liệu làm giá thể phải có diện tích bề mặt riêng lớn Thêm vào đó, vận tốc nước chảy trên bề mặt màng phải đủ lớn

2.4.3 Lọc sinh học nhỏ giọt

Lọc sinh học nhỏ giọt là loại bể lọc sinh học với vật liệu tiếp xúc không ngập chìm trong nước Để đến được lớp vật liệu lọc, nước thải được chia thành các dòng nhỏ chảy thành lớp mỏng qua khe hở của vật liệu đồng thời tiếp xúc với màng sinh học trên bề mặt vật liệu lọc, nhờ sự có mặt của các vi sinh vật trên lớp màng vật liệu

mà các chất hữu cơ và chất dinh dưỡng trong nước thải được làm sạch (Juan José García-Mesa, 2010)

Bể lọc sinh học nhỏ giọt rất đa dạng gồm các loại (Hình 2.4): lọc sinh học nhỏ giọt quay, biophin nhỏ giọt gồm các nửa ống hình trụ được bố trí ngang thành hàng song song với nhau và có bề mặt lõm quay lên trên; bể lọc sinh học thô và xử

lý nước thải triệt để thường có hình trụ hoặc hình chữ nhật (Nguyễn Văn Phước, 2012)

Hình 2.4 Các dạng lọc sinh học nhỏ giọt

(A) Mô hình lọc sinh học nhỏ giọt - (B) và (C) Các bể lọc sinh học nhỏ giọt trong

thực tế Thiết bị lọc sinh học nhỏ giọt thường gồm năm thành phần chính: môi trường lọc đệm, bể chứa, hệ thống cung cấp nước thải, cống thoát ngầm và hệ thống thông gió (Nguyễn Văn Phước, 2012)

 Môi trường lọc đệm thường cung cấp cho bề mặt hệ thống các vi sinh vật tăng trưởng, tồn tại trong các loại vật chất như đá, gỗ, chất dẻo tổng hợp với nhiều loại và hình dạng khác nhau, nhưng thường dùng nhất là đá có đường kính 25-100

mm

 Bể chứa dùng để chứa môi trường đệm và nước thải cần xử lý, đồng thời kiểm soát ảnh hưởng của gió Bể chứa thường xây bằng bê-tông hoặc vật liệu làm bằng sợi thủy tinh, thép có sơn ngoài

(B)

)

(B)

(C)

 Hệ thống cung cấp nước thải cung cấp nước thải cho môi trường đệm Việc cung cấp đều đặn là cần thiết để duy trì tình trạng ẩm ướt cho toàn bộ phần đệm

 Cống thoát nước có hai chức năng: thứ nhất, để tập trung dòng chảy thoát ra

để chuyển đi xử lý tiếp nơi khác hay thải bỏ ra môi trường; thứ hai, tạo ra một khoảng trống để không khí bên ngoài có thể lưu thông vào tầng đệm, do đó cung cấp lượng oxy cần thiết cho sự chuyển hóa hiếu khí

 Hệ thống thông gió cung cấp không khí cho hệ thống lọc bằng các thiết kế

thổi khí tự nhiên hay được cung cấp một cách thụ động

2.4.4 Các nghiên cứu về lọc sinh học

M Kornaros và G Lyberatos (2006) tiến hành xử lý nước thải dệt nhuộm và sơn dầu bằng phương pháp lọc sinh học hiếu khí nhỏ giọt Thiết bị quy mô pilot (Pilot scale trickling filter) là ống Plexiglas hình trụ đường kính 9 cm, chiều cao 180 cm (Hình 2.5)

Đệm lọc là hạt silica có đường kính 10,2 cm; diện tích bề mặt riêng 709,5

m2/m3 Hệ thống lọc được vận hành ở hai chế độ: xử lý liên tục và theo chu kỳ (SBR, Sequencing batch reactor) Với chế độ vận hành liên tục, hệ thống xử lý đạt hiệu quả 60 - 70% đối với lượng nước bơm vào là 1,1 m3/m2.ngày và lên đến 80 - 85% với lượng nước bơm vào 0,6 m3/m2.ngày Hiệu quả loại bỏ COD đạt 60 - 70% trong trường hợp nước thải không pha loãng với lượng nước bơm vào là 1,1

m3/m2.ngày Ở điều kiện hiếu khí và pH = 5,5 - 8,0 vi sinh vật phát triển trên màng lọc có thể loại bỏ COD với hàm lượng lên đến 36.000 mg/L

Nước thải trong bể chứa (Feed tank) được máy bơm (Feed pump) bơm lên đỉnh tháp lọc và được phân phối vào tháp lọc qua thiết bị phân phối (Flow distributor) Không khí được cung cấp từ đáy tháp lọc nhờ máy cấp khí (Air pump) Nước thải chảy qua giá thể trong tháp lọc, sau đó thoát qua đáy tháp và tập trung vào bể chứa nước thải sau xử lý (Effluent storage tank) Nếu nước thải sau xử lý chưa đạt chất lượng, nó được bơm trở vào tháp lọc thông qua bơm tuần hoàn (Recirculation pump) Đến khi nước thải sau xử lý đạt yêu cầu, van xả của bể chứa sau xử lý sẽ được mở và nước thải thoát ra ngoài (Effluent)

(C) (A)

Hình 2.5 Mô hình lọc sinh học trong thí nghiệm của M Kornaros và G

/(m2.ngày)

Cũng trong năm 2013, Sumathi, K M S và cộng sự công bố kết quả xử lý nước thải công nghiệp sản xuất phô - mai bằng lọc sinh nhỏ giọt ở quy mô pilot Thiết bị lọc gồm ống nhựa PVC cao 1,5 m, đường kính 0,15 m; và đệm lọc là than bùn và đá chân châu (perlite) với tỷ lệ 1:9, dưới đáy lót 1 lớp đá cuội Không khí được cấp nhờ máy thổi khí Chất lượng nước thải được cải thiện đáng kể với hiệu quả xử lý COD và BOD tối đa lần lượt là 99,2 và 99,9% Tổng chất rắn lơ lửng giảm trên 96%; amoni tính theo Nitơ và Nitơ tổng số giảm lần lượt là 98,7% và 72%

2.5 Nước thải hủ tiếu tại làng nghề và xử lý nước thải chứa tinh bột theo phương án sinh học hiếu khí

2.5.1 Nước thải hủ tiếu tại làng nghề

Các công đoạn của quá trình sản xuất bánh hủ tiếu được trình bày ở Hình 2.6

Hình 2.6 Quy trình sản xuất bánh hủ tiếu

Nước thải tại cơ sở sản xuất hủ tiếu xả ra nhiều nhất ở công đoạn rửa chua sau khi ngâm gạo Việc rửa chua được thực hiện nhiều lần đến khi phần nước của

bể ngâm gạo trong hơn và sạch bụi bẩn Thêm vào đó, nước thải từ việc rửa bể chứa

tẻ bột và nước vệ sinh sàn góp phần với nước rửa chua xả trực tiếp ra sông hoặc ao tập trung nước

Phơi 3-4 giờ Giằng, ép

Cắt sợi

Đóng gói

Thành phẩm Pha chế

Nước thải

Nước thải có màu trắng đục Thành phần nước thải chủ yếu chứa các tạp chất hữu cơ ở dạng hòa tan hoặc lơ lửng, trong đó chủ yếu là các hợp chất hydratcarbon như tinh bột, đường, các loại acid hữu cơ (acid lactic) (Nguyễn Hữu Hiệp và Nguyễn Thị Hải Lý, 2012) Nếu chất thải này thải trực tiếp vào nguồn nước mà không được xử lý thích hợp, thì quá trình phân hủy sinh học sẽ làm suy kiệt oxy hòa tan của nguồn nước, gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Các chỉ tiêu cơ bản trong nước thải được trình bày ở Bảng 2.4

Bảng 2.4 Các chỉ tiêu cơ bản của nước thải hủ tiếu tại làng nghề

STT Chỉ tiêu Đơn vị Kết quả

So sánh QCVN 40:2011/BTNMT (loại B)

(Nguồn: Trung tâm Kỹ thuật và Công nghệ sinh học-

Sở Khoa học và Công nghệ Tiền Giang, năm 2013 và 2014)

Theo kết quả phân tích trên, đa phần các chỉ tiêu trong nước thải không đạt theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải loại B (QCVN 40:2011/BTNMT) Nồng độ COD thấp và tỷ số COD/BOD của nước thải xấp xỉ 1,91, thỏa điều kiện để

áp dụng phương pháp xử lý sinh học hiếu khí với tỷ số COD/BOD ≤ 2 (Nguyễn Văn Phước, 2012)

2.5.2 Các nghiên cứu xử lý nước thải chứa tinh bột theo phương án sinh học hiếu khí

Nguyễn Văn Phước và cộng sự (2009) sử dụng phương án xử lý sinh học ngập nước đối với nước thải chế biến tinh bột mì quy mô hộ gia đình, áp dụng công nghệ hydrid gồm lọc sinh học hiếu khí (với vật liệu lọc là xơ dừa) kết hợp aerotank Mô

hình hydrid cho khả năng xử lý 98% COD, 95% N - NH3 ở tải trọng tối ưu 1 kg COD/(m3.ngày), thời gian lưu nước 1 ngày Hàm lượng vi sinh vật trong hệ thống có thể đạt đến 10.000 mg/L

Nguyễn Thị Thanh Phượng và cộng sự (2010) thực hiện nghiên cứu đánh giá hiệu quả xử lý nước thải tinh bột mì bằng công nghệ lọc sinh học hiếu khí trên 4 loại vật liệu khác nhau, gồm xơ dừa, than đá, nhựa PVC và nhựa Bio-Ball BB-15 Kết quả nghiên cứu trong phòng thí nghiệm đã chứng tỏ cả bốn mô hình lọc sinh học hiếu khí đều có khả năng xử lý hàm lượng hữu cơ và Nittơ hiệu quả cao COD, giảm 90 - 98%, Nitơ giảm 61 - 92% ở tải trọng hữu cơ dao động từ 0,5; 1; 1,5 và 2 kgCOD/m3.ngày Số liệu nghiên cứu xác định xơ dừa là giá thể lọc tốt nhất trong bốn loại vật liệu nghiên cứu Trong mô hình lọc sinh học với giá thể xơ dừa, hiệu quả xử lý COD đạt đến 98% với tốc độ phân hủy cơ chất đạt 0,6 kgCOD/kgVSS.ngày

Cho đến nay, chưa có đề tài nghiên cứu sử dụng giá thể tre để xử lý nước thải tinh bột gạo theo phương án sinh học hiếu khí Tuy nhiên, theo nghiên cứu của tác giả Trịnh Văn Dũng (2005) khi ứng dụng màng sinh học cố định trong sản xuất axit axetic bằng phương pháp lên men nhanh, tác giả đã sử dụng giá thể tre để cố định

Acetobacter trong tháp lọc sinh học và cho hiệu suất lên men cao Các thông số về

giá thể tre được tác giả công bố bao gồm: độ xốp 0,69 m3/m3 và bề mặt riêng 240

m2/m3

CHƯƠNG 3 NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

hàm lượng muối và bổ sung các nguyên tố dinh dưỡng vào nước thải khi cần thiết 3.1.2 Giống vi sinh vật

Vi khuẩn Bacillus amyloliquefaciens (Code: NBRC 14141) dạng giống đông

khô được cung cấp bởi Công ty trách nhiệm hữu hạn HVBIOTEK - địa chỉ: Tòa nhà 7D, 239/34, Lạc Long Quân, Cầu Giấy, Hà Nội

Thành phần môi trường nuôi cấy của chủng vi khuẩn này được thể hiện trong Bảng 3.1

3.2.2 Thiết bị - dụng cụ

 Tủ cấy vô trùng Telstar BIO-II-A;

 Tủ ủ vi sinh vật Memmert;

 Máy lắc UniTwist 300;

 Máy bơm Life Tech AP 4500;

 Máy nén khí Air Pump Resun;

 Máy đo pH SI Analytics Lab 850;

 Lưu lượng kế đo lưu lượng khí: PF-40-400-NLPM-Air-SS-B3;

 Micropipette 100 µL, 1.000 µL;

 Que cấy vi sinh;

 Ống thủy tinh (φ100, dài 1m)

 Hóa chất kiểm tra định tính protease:

 Các hóa chất thử nghiệm COD, Nitơ tổng, Phospho tổng, Clorua

3.3 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp thực nghiệm cổ điển (thay đổi giá trị của một yếu tố khảo sát và

cố định giá trị của các yếu tố còn lại) được áp dụng để thực hiện các thí nghiệm trong luận văn

3.3.1 Sơ đồ nghiên cứu

Các thí nghiệm được thực hiện theo Sơ đồ nghiên cứu ở Hình 3.1

Hình 3.1 Sơ đồ nghiên cứu

Kiểm tra đại thể và vi thể

Khảo sát lưu lượng nước và lưu lượng khí tối ưu đối với hiệu quả xử lý COD

Khảo sát ảnh hưởng của

tỷ lệ vi khuẩn bổ sung đến hiệu quả xử lý COD nước thải với tế bào tự