Nghiên cứu ứng dụng công nghệ sinh học bùn hoạt tính trong xử lý nước thải thủy sản có độ mặn cao

HỒ CHÍ MINH --- CÔNG TRÌNH DỰ THI GIẢI THƯỞNG SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC EURÉKA LẦN THỨ XX NĂM 2018 NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC BÙN HOẠT TÍNH TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI THỦY

BAN CHẤP HÀNH TP HỒ CHÍ MINH

-

CÔNG TRÌNH DỰ THI GIẢI THƯỞNG SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC EURÉKA

LẦN THỨ XX NĂM 2018

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC BÙN HOẠT TÍNH

TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI THỦY SẢN CÓ ĐỘ MẶN CAO

LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU: TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG

CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG

Mã số công trình: ………

(Phần này do BTC Giải thưởng ghi)

MỤC LỤC

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 4

DANH MỤC HÌNH 5

DANH MỤC BẢNG………… ……… ……… …… ……… ……….….… 9

TÓM TẮT……… 10

MỞ ĐẦU 11

1 LÝ DO CHỌN ĐÊ TÀI 11

2 MỤC TIÊU CUẨ ĐỀ TÀI 13

3 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 13

4 PHẠM VI NGHIÊN CỨU 14

PHẦN 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 15

1.1 TỔNG QUAN VỀ VỀ NGÀNH CHẾ BIẾN THỦY HẢI SẢN 15

1.1.1 Hiện trạng về ngành chế biến thủy hải sản trên thế giới và Việt Nam 15

1.1.2 Các vấn đề môi trường do ngành chế biến thủy hải sản gây ra 18

1.1.2.1 Nước thải 18

1.1.2.2 Khí thải 20

1.1.2.3 Chất thải rắn 20

1.1.2.4 Nhiệt thải và tiếng ồn 21

1.1.2.5 Mùi 22

1.1.2.6 Vi sinh vật 22

1.1.3 Thành phần và tính chất nước thải của ngành chế biến thủy hải sản… 22

1.2 NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC VÀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHẾ BIẾN THỦY SẢN CÓ ĐỘ MẶN CAO 26

1.2.1 Nghiên cứu trong và ngoài nước về xử lý nước thải thủy sản có độ mặn cao……….……… 26

1.2.2 Tổng quan các phương pháp xử lý nước thải thủy hải sản 30

1.2.2.1 Phương pháp sinh học bùn hoạt tính hiếu khí 30

1.2.2.2 Phương pháp dùng bể sinh học kỵ khí UASB 31

1.2.2.3 Phương pháp dùng bể sinh học thiếu khí ANOXIC 31

1.2.2.4 Phương pháp MBR lọc sinh học bằng màng 32

1.2.2.5 Phương pháp MBBR 32

1.2.3 Tổng quan quy trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học bùn hoạt tính……… 33

1.2.3.1 Khái niệm 33

1.2.3.2 Nguyên tắc 33

1.2.3.3 Các điều kiện, yêu cầu và các yếu tố ảnh hưởng tối quá trình xử lý 35

1.2.3.4 Cấu trúc của các chất bẩn và bùn hoạt tính 35

1.2.3.5 Những đặc tính của vi sinh vật 36

1.2.3.6 Sự phân giải các chất hữu cơ ở quá trình xử lý sinh học hiếu khí 37

1.2.3.7 Những nhân tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý sinh học hiếu khí 38

1.2.3.8 Ưu và nhược điểm của quá trình 39

1.3 TỔNG QUAN VỀ QUY TRÌNH SẢN XUẤT CHẾ PHẨM SINH HỌC TRONG XỬ LÝ CHẤT THẢI 39

1.3.1 Khái niệm 39

1.3.2 Công nghệ sản xuất chế phẩm sinh học……… 40

PHẦN 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 44

2.1 VẬT LIỆU THÍ NGHIỆM 44

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 44

2.1.1.1 Chế phẩm sinh học khảo sát 44

2.1.1.2 Nước thải thủy sản 48

2.1.1.3 Bùn hoạt tính 51

2.2.1 Xây dựng mô hình nghiên cứu và thí nghiệm 51

2.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 54

2.2.1 Sơ đồ trình tự nghiên cứu 54

2.2.2 Phương pháp thực hiện 58

PHẦN 3: KẾT QUẢ - THẢO LUẬN 60

3.1 GIAI ĐOẠN CHẠY THÍCH NGHI 60

3.2 GIAI ĐOẠN CHẠY TẢI TRỌNG BỔ SUNG CHẾ PHẨM 63

3.2.1 Thí nghiệm 1, 2: Xác định độ mặn xử lý tối ưu (Giả thuyết 1) 64

3.2.1.1 Thí nghiệm thử nghiệm 64

3.1.1.2 Thí nghiệm tối ưu 86

3.1.1.3 So sánh hiệu quả xử lý của 2 chế phẩm Microbe – Lift IND và EM – WAT 1, xác định nồng độ chế phẩm tối ưu 91

3.1.3 Thí nghiệm 3: Xác định nồng độ chế phẩm bổ sung tối ưu (Giả thuyết 2) ……… 92

PHẦN 4: KẾT LUẬN - ĐỀ NGHỊ……….….… 98

1 KẾT LUẬN: 98

2 ĐỀ NGHỊ: 99

TÀI LIỆU THAM KHẢO 100

PHỤ LỤC……….103

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

BOD: Biochemical oxygen Demand – Nhu cầu oxy sinh hoá

COD: Chemical Oxygen Demand – Nhu cầu oxy hóa học

CBTS: Chế biến thủy sản

DO: Dissolved Oxygen – Oxy hòa tan

HRT: Thời gian lưu thủy lực

KCN: Khu công nghiệp

DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Sản lượng nuôi trồng và khai thác thủy sản Việt Nam từ năm 1995 – 2017

……… 17

7 Hình 1.2: Tình hình xuất thủy sản Việt Nam từ năm 2005 - 2017 18

Hình 1.3: Các giải đoạn tăng trưởng của tế bào vi sinh vật 35

Hình 1.4: Qui trình sản xuất chế phẩm sinh học 44

Hình 1.5: Chế phẩm sinh học Microbe – Lift IND 46

Hình 1.6: Chế phẩm sinh học EM – WAT 1 47

Hình 1.7: Sơ đồ dây chuyền công nghệ của công ty 50

Hình 1.8: Mô hình bể thí nghiệm 51

Hình 1.9: Mô hình bố trí bể thí nghiệm 52

Hình 3.1: Diễn biến hiệu suất xử lý COD theo thời gian nghiên cứu giai đoạn chạy thích nghi 61

Hình 3.2: Diễn biến hiệu quả xử lý BOD5 theo thời gian nghiên cứu giai đoạn chạy thích nghi 62

Hình 3.3: Diễn biến độ mặn theo thời gian nghiên cứu giai đoạn chạy thích nghi 63

Hình 3.4: Diễn biến MLSS theo thời gian nghiên cứu giai đoạn chạy thích nghi 63

Hình 3.5: Diễn biến pH theo thời gian nghiên cứu giai đoạn chạy thích nghi 64

Hình 3.6: Diễn biến hiệu quả xử lý COD theo thời gian chạy thử nghiệm với tải trọng 24 giờ có bổ sung chế phẩm IND 65

Hình 3.7: Diễn biến hiệu quả xử lý BOD5 theo thời gian chạy thử nghiệm với tải trọng 24 giờ có bổ sung chế phẩm IND 66

Hình 3.8: Diễn biến độ mặn theo thời gian chạy thử nghiệm với tải trọng 24 giờ có bổ sung chế phẩm IND 67

Hình 3.9: Diễn biến MLSS theo thời gian chạy thử nghiệm với tải trọng 24 giờ có bổ sung chế phẩm IND 67

Hình 3.10: Diễn biến pH theo thời gian chạy thử nghiệm với tải trọng 24 giờ có bổ sung chế phẩm IND 68

Hình 3.11: Diễn biến hiệu suất xử lý COD theo thời gian chạy thử nghiệm với tải trọng 12

giờ có bổ sung chế phẩm IND 69

Hình 3.12: Diễn biến hiệu suất xử lý BOD5 theo thời gian chạy thử nghiệm với tải trọng 12 giờ có bổ sung chế phẩm IND 70

Hình 3.13: Diễn biến độ mặn theo thời gian chạy thử nghiệm với tải trọng 12 giờ có bổ

Hình 3.16: Diễn biến hiệu suất xử lý COD theo thời gian chạy thử nghiệm với tải trọng 8

giờ có bổ sung chế phẩm IND 72

Hình 3.17: Diễn biến hiệu suất xử lý BOD5 theo thời gian chạy thử nghiệm với tải trọng 8 giờ có bổ sung chế phẩm IND 73

Hình 3.18: Diễn biến độ mặn theo thời gian chạy thử nghiệm với tải trọng 8 giờ có bổ sung

Hình 3.21: Diễn biến hiệu quả xử lý COD theo thời gian chạy thử nghiệm với tải trọng 24

giờ có bổ sung chế phẩm EM – WAT1 76

Hình 3.22: Diễn biến hiệu quả xử lý BOD5 theo thời gian chạy thử nghiệm với tải trọng 24 giờ có bổ sung chế phẩm EM – WAT1 77

Hình 3.23: Diễn biến độ mặn theo thời gian chạy thử nghiệm với tải trọng 24 giờ có bổ

Hình 3.26: Diễn biến hiệu suất xử lý COD theo thời gian chạy thử nghiệm với tải trọng 12

giờ có bổ sung chế phẩm EM – WAT1 80

Hình 3.27: Diễn biến hiệu suất xử lý BOD5 theo thời gian chạy thử nghiệm với tải trọng 12 giờ có bổ sung chế phẩm EM – WAT1 80

Hình 3.28: Diễn biến độ mặn theo thời gian chạy thử nghiệm với tải trọng 12 giờ có bổ

Hình 3.31: Diễn biến hiệu suất xử lý COD theo thời gian chạy thử nghiệm với tải trọng 8

giờ có bổ sung chế phẩm EM – WAT1 83

Hình 3.32: Diễn biến hiệu suất xử lý BOD5 theo thời gian chạy thử nghiệm với tải trọng 8 giờ có bổ sung chế phẩm EM – WAT1 83

Hình 3.33: Diễn biến độ mặn theo thời gian chạy thử nghiệm với tải trọng 8 giờ có bổ sung

Hình 3.41: Diễn biến hiệu suất xử lý COD theo thời gian khi bổ sung chế phẩm EM –

Hình 3.50: Diễn biến hiệu suất xử lý COD theo thời gian khi bổ sung chế phẩm Microbe –

Lift IND ở các liều luợng khác nhau 94

Hình 3.51: Diễn biến hiệu suất xử lý BOD5 theo thời gian khi bổ sung chế phẩm Microbe – Lift IND ở các liều luợng khác nhau 94

Hình 3.52: Diễn biến độ mặn theo thời gian khi bổ sung chế phẩm Microbe – Lift IND ở

các liều luợng khác nhau 95

Hình 3.53: Diễn biến MLSS theo thời gian khi bổ sung chế phẩm Microbe – Lift IND ở

các liều luợng khác nhau 96

Hình 3.54: Diễn biến pH theo thời gian khi bổ sung chế phẩm Microbe – Lift IND ở các

liều luợng khác nhau 96

DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Sản lượng nuôi trồng thủy sản lớn nhất thế giới năm 2015 16 Bảng 1.2: Kết quả phân tích nước thải tại một số cơ sở chế biến thủy hải sản của Hải Phòng

TÓM TẮT

Trong nghiên cứu này, công nghệ sinh học bùn hoạt tính có sự bổ sung 2 chế phẩm sinh học Microbe – Lift IND và EM-WAT được dùng để xử lý nước thải thủy sản có độ mặn cao Từ đó đánh giá hiệu quả và so sánh khả năng xử lý nước thải của bùn hoạt tính khi bổ sung hai chế phẩm này thông qua các chỉ tiêu: Nhu cầu oxy hóa học (COD), nhu cầu oxy hóa sinh học (BOD), hàm lượng chất rắn lơ lửng trong bùn (MLSS), độ mặn, pH và tìm ra nồng độ chế phẩm tối ưu Kết quả nghiên cứu cho thấy tải trọng tối ưu là 4.5kg COD/m3.ngày, ứng với thời gian lưu 8 giờ, độ mặn tối

ưu sau thử nghiệm là khoảng từ 5‰ đến 10‰ Độ mặn xử lý tối ưu của bùn hoạt tính khi bổ sung chế phẩm Microbe – Lift IND là 8‰, khi bổ sung chế phẩm EM–WAT1 là 6‰ Nồng độ tối ưu của chế phẩm Microbe – Lift IND là 0.25mL chế phẩm/L nước thải Nồng độ muối càng cao thì hiệu suất xử lý BOD5 càng giảm dần

pH ổn định ở mức từ 6.5 đến 7.5 tạo điều kiện cho vi sinh sinh trưởng và phát triển Nồng độ bùn (MLSS) tăng dần theo thời gian chạy mô hình, ổn định trong khoảng

từ 2000-4000 mg/L, tuy nhiên cuối mỗi đợt chạy MLSS thường tăng cao Độ mặn giảm nhưng không nhiều, chủ yếu do lắng và do vi sinh vật ưa mặn hấp thu và phân giải

Từ khóa: nước thải chế biến thủy sản, nước thải có độ mặn cao, chế phẩm sinh học, bùn hoạt tính, vi sinh vật ưa mặn, bổ sung

MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐÊ TÀI

Nước ta với hệ thống sông ngòi dày đặc và có đường bờ biển dài rất thuận lợi phát triển hoạt động khai thác và nuôi trồng thủy sản Ngành chế biến thủy hải sản phát triển thành một ngành kinh tế mũi nhọn, ngành sản xuất hàng hóa lớn, chiếm một phần không nhỏ trong việc tăng trưởng kinh tế đất nước, đóng góp lớn vào tổng kim ngạch xuất khẩu Cùng với đó, trong những năm gần đây, ngành chế biến thủy hải sản ở nước ta có sự phát triển vượt bậc về cả quy mô cũng như số lượng các cơ

sở chế biến Theo Hiệp hội chế biến và xuất khẩu thủy sản Việt Nam (VASEP), Việt Nam nằm trong Top 5 các quốc gia đứng đầu thế giới về nuôi trồng và xuất khẩu thủy sản Diện tích nuôi tôm nước lợ tại Việt Nam là hơn 685.000 ha, sản lượng hơn 660.000 tấn và có hơn 500 nhà máy chế biến thủy sản trên toàn quốc (Thủy sản Việt Nam, 2014)

Nhiều nhà máy, xí nghiệp chế biến được thành lập và đưa vào hoạt động, đã đặt

ra các vấn đề không nhỏ về môi trường và chất lượng nước thải sau xử lý Các nhà máy chế biến thủy hải sản nằm gần biển ở vùng thiếu nước ngọt thường sử dụng nước biển cho nhiều công đoạn như rã đông hay rửa nguyên liệu thô Nước thải sinh ra từ các công đoạn này bên cạnh các chỉ số ô nhiễm đặc thù, còn có độ mặn cao gần như nước biển: từ 10 – 30 g/l NaCl (Lefebvre, 2006) Chính vì vậy, bên cạnh việc tạo điều kiện cho các doanh nghiệp, thì việc kiểm soát cũng như bảo vệ môi trường chung, môi trường nước nói riêng là vô cùng quan trọng và cấp bách hàng đầu

Nước thải nhiễm mặn hay nước thải có độ mặn cao (Saline Wastewater hay High Salinity Wastewater) gồm nhiều loại hình: nước thải sinh hoạt, thủy sản hay sản xuất công nghiệp (Báo cáo phân tích xu hướng công nghệ - Sở Khoa học Công Nghệ TP HCM, 2016)

Trong môi trường nước mặn, các vi sinh vật (VSV) mất hoạt tính vì quá trình plasmolysis xảy ra với sự có mặt của muối ăn, nghĩa là hiện tượng co hẹp của chất nguyên sinh cách xa vách tế bào của vi khuẩn do mất nước dưới tác dụng của áp suất thẩm thấu, dẫn đến những khoảng trống giữa các tế bào và màng tế bào Điều này tác động xấu đến khả năng sinh trưởng của các vi sinh vật Các hệ thống xử lý nước thải áp dụng công nghệ cổ điển cũng gặp khó khăn vì trong môi trường nước thải có độ mặn cao các VSV thường phát triển rất chậm, không đạt được mật độ sinh khối trong hệ thống đủ cao để phân hủy hiệu quả Các mô hình sử dụng bùn hoạt tính cũng gặp khó khăn tương tự Theo các nghiên cứu quốc tế được công bố, với độ mặn từ 3000 mg/l trở lên, sinh khối hiếu khí bị tác động rõ rệt, dẫn đến hiệu quả phân hủy hữu cơ giảm mạnh Nguyên nhân là độ mặn cao có thể gây ra áp lực thẩm thấu hoặc ức chế các con đường phản ứng trong quá trình phân hủy hữu cơ Vì thế, các hệ thống xử lý sinh học truyền thống thường không hiệu quả trong việc loại bỏ các chất ô nhiễm hữu cơ trong môi trường nước mặn (Lefebvre, 2006) Tuy nhiên, đây lại là giải pháp hoàn toàn thân thiện với môi trường khi giải quyết các vấn đề ô nhiễm nước, nên Việt Nam và trên thế giới đã có những nghiên cứu nhằm phân lập

vi sinh vật và tìm kiếm sơ đồ công nghệ sinh học phù hợp

Có những loài vi sinh vật cần muối ăn để tăng trưởng được gọi là các vi sinh vật halophilic Nồng độ muối nội bào của các vi sinh vật halophilic (ưa muối) và chịu muối (halotolerant) thường thấp và chúng duy trì một cân bằng thẩm thấu giữa dịch bào (cytoplasm) của chúng với môi trường bên ngoài bằng cách tích lũy ở

hàm lượng cao các chất tan thẩm thấu hữu cơ khác nhau Phần lớn các nghiên cứu

xử lý nước thải nhiễm mặn bằng phương pháp sinh học đã áp dụng các vi sinh vật

ưa mặn và các kỹ thuật hiếu khí Đã có nghiên cứu loại bỏ COD trong nước thải nhiễm mặn bằng hệ thống đĩa sinh học quay (rotating biological discs) với sinh khối bùn hoạt tính có bổ sung dòng vi khuẩn chịu mặn Halobacterium Halobium (Dincer

và Kargi, 2001)

Bên cạnh các vi khuẩn chịu mặn, các chủng nấm men đã thích nghi với nồng độ mặn tương đối cao cũng là một nguồn vi sinh vật có khả năng xử lý nước thải nhiễm mặn một cách hiệu quả

Ngày nay, việc sử dụng chế phẩm sinh học nói chung và chế phẩm sinh học

dạng lỏng nói riêng có chứa chủng nấm men Saccharomyces kết hợp một số chủng

vi khuẩn để xử lý nước thải thủy sản có độ mặn cao đang được quan tâm nhưng chưa có nghiên cứu cụ thể Trên thị trường ngày nay có rất nhiều loại chế phẩm sinh học nhưng đề tài lựa chọn 2 chế phẩm sinh học Microbe – Lift IND và EM – WAT1

Do vậy, sử dụng chế phẩm sinh học để cải thiện tình hình nước thải là một giải pháp để giải quyết bài toán này

Vì lý do trên việc “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ sinh học bùn hoạt tính trong xử lý nước thải thủy sản có độ mặn cao” là rất cần thiết

2 MỤC TIÊU CUẨ ĐỀ TÀI

Trên cơ sở đánh giá hiệu quả xử lý nước thải thủy sản có độ mặn cao từ các chế phẩm sinh học khảo sát, giúp cho các công ty chế biến thủy sản giảm được một phần gánh nặng trong việc xử lý lượng nước thải

Đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng xử lý nước thải, xác định hiệu suất xử lý nước thải chế biến thủy sản bằng bùn hoạt tính có bổ sung chế phẩm sinh học quy mô phòng thí nghiệm

Đánh giá hiệu quả và so sánh khả năng xử lý nước thải từ 2 chế phẩm Microbe – Lift IND và EM – WAT1

Xác định khoảng giá trị độ mặn, nồng độ chế phẩm tối ưu để đạt hiệu suất

xử lý tốt nhất

3 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

 Chế phẩm sinh học Microbe – Lift IND, EM – WAT 1 chứa chủng nấm men

Saccharomyces sp và vi khuẩn xử lý độ mặn

 Nước thải thủy sản được lấy từ bể điều hòa sau song chắn rác tinh (Công ty

Cổ Phần Đầu Tư Thương Mại INCOMFISH – Địa chỉ: Lô A77/I Đường 7, Khu Công Nghiệp Vĩnh Lộc, Quận Tân Bình, TP Hồ Chí Minh)

 Bùn hoạt tính được lấy từ bể lắng thứ cấp (Công Ty TNHH Framas Việt Nam – Địa chỉ: Khu Công Nghiệp Sóng Thần 2, Số 9 Đường 12, Huyện Dĩ An, Bình Dương)

 Mô hình xử lý sinh học hiếu khí với vi sinh vật tăng trưởng dạng lơ lửng (bùn hoạt tính)

4 PHẠM VI NGHIÊN CỨU: Nghiên cứu được thực hiện ở quy mô phòng thí nghiệm

PHẦN 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 TỔNG QUAN VỀ VỀ NGÀNH CHẾ BIẾN THỦY HẢI SẢN

1.1.1 Hiện trạng về ngành chế biến thủy hải sản trên thế giới và Việt Nam

 Trên thế thới:

Nuôi trồng thủy sản là một ngành sản xuất động thực vật thủy sinh trong điều kiên ̣ kiểm soát hoặc bán kiểm soát, hoăc ̣ như người ta vẫn thường nói, nuôi trồng thủy sản là sản xuất nông nghiêp ̣ trong môi trường nước (Cục khai thác và bảo vệ nguồn lợi thúy sản, 2003)

Thủy sản là ngành công nghiệp mang tính toàn cầu lớn đa dạng và cung cấp nhiều chủng loại sản phẩm, tối đa hóa thị trường nhập khẩu và xuất khẩu Trong cùng xu hướng tăng sản lượng, tổng lượng thủy sản được giao dịch trên toàn cầu gần như không đổi trong vòng 3 năm, ở mức 60 tấn Điều này chỉ ra tầm quan trọng trong tiêu thụ nội địa tại nước sản xuất đang tăng lên, đặc biệt là tại các vùng đang phát triển (Tổng quan thủy sản thế giới, 2016)

Tăng trưởng trong giao dịch thủy sản ở các nước đang phát triển tương đối chậm, các nhà sản xuất và thị trường các nước phất triển vẫn dẫn đầu xu thế tăng trưởng Châu Âu, đã tăng trưởng đáng kể về giá trị giao dịch trong năm 2016, nhờ nhu cầu tiêu thụ tăng chậm nhưng ổn định trong điều kiện kinh kế duy trì tăng trưởng Giá trị giao dịch tăng còn nhờ vào nguyên nhân giá cao đối với một số sản phẩm như cá tuyết, cá hồi, các loại thân mềm, cá biển (Tổng quan thủy sản thế giới, 2016)

Năm 2017, các yếu tố môi trường hạn chế khả năng cung cấp một số sản phẩm thủy sản quan trọng, cả tự nhiên và nuôi trồng, điều này sẽ khiến giá tăng trên thị trường quốc tế, đặc biệt là khi xem xét đến triển vọng nhu cầu toàn thế giới Các nhà phân tích dự báo khả năng phục hồi kinh tế chậm ở khu vực Châu Âu và sự tăng trưởng tương đối thấp nhưng ổn định ở khu vực Hoa Kỳ và Nhật bản, trong khi Nga

và Brazil dường như đang thoát khỏi khủng hoảng So với nhu cầu cao tại một số

nền kinh tế mới nổi, triển vọng thị trường thủy sản toàn thế giới có thể được miêu tả một cách thận trọng theo xu hướng lạc quan (World Atlas, 2017)

Top các nước xuất khẩu cá và thủy sản lớn nhất thế giới năm 2015

- China ($14.1 Billion USD)

- Norway ($8.8 Billion USD)

- Vietnam ($5.8 Billion USD)

- USA ($5.1 Billion USD)

- India ($4.6 Billion USD)

- Canada ($4.2 Billion USD)

- Chile ($4.0 Billion USD)

- Sweden ($3.7 Billion USD)

- The Netherlands ($3.13 Billion USD)

Bảng 1.1: Sản lượng nuôi trồng thủy sản lớn nhất thế giới năm 2015 XẾP

 Tại Việt Nam:

Việt Nam là một trong 10 nước xuất khẩu thủy sản hàng đầu trên thế giới, ngành thủy sản hiện tại chiếm 4% GDP, 8% xuất khẩu và 9% lực lượng lao động (khoảng 3,4 triệu người) của cả nước Nhóm hàng chủ đạo trong xuất khẩu thủy sản của Việt Nam là cá tra, cá basa, tôm và các động vật thân mềm như mực, bạch tuộc, nghêu, sò,… Trong vòng 20 năm qua ngành thủy sản luôn duy trì tốc độ tăng trưởng

ấn tượng từ 10-20% (INEST, 2009) Năm 2001, nước mắm chiếm 50% sản lượng và 31% giá trị, thủy sản đông lạnh chiếm tương ứng 12,9% và 17,6%, còn lại là cá khô, bột cá, mực khô, tôm khô… Đến năm 2010 thủy sản đông lạnh đã tăng trưởng mạnh

và chiếm 28,4% về sản lượng và 35% về giá trị Sản lượng và giá trị nước mắm vẫn tăng, nhưng chỉ còn chiếm 34,7% sản lượng và 21,3% về giá trị Bên cạnh đó, nhờ

có phụ phẩm từ chế biến cá tra nên sản lượng và giá trị bột cá tăng mạnh, chiếm 24,6% về sản lượng và 12,9% về giá trị (Nguyễn Thế Đồng và ctv, 2011)

Hình 1.1: Sản lượng nuôi trồng và khai thác thủy sản Việt Nam từ năm 1995 - 2017

Trong giai đoạn 2001 – 2015, xuất khẩu thủy sản tăng nhanh về cả giá trị và khối lượng Đến năm 2015, giá trị xuất khẩu đạt 6,57 tỷ USD, sản phẩm thủy sản được xuất khẩu sang 164 nước và vùng lãnh thổ 3 thị trường chính là EU, Mỹ và

Nhật Bản chiếm trên 54% tỷ trọng Số nhà máy và công suất cấp đông của các cơ sở chế biến tăng rất nhanh trong giai đoạn 2001- 2013 Trong giai đoạn này, có sự phân khúc rõ rệt về phân bố và quy mô các doanh nghiệp chế biến thủy sản xuất khẩu theo vùng Có trên 80% sản lượng chế biến thủy sản xuất khẩu từ các tỉnh thành phố thuộc vùng Đông Nam Bộ và Đồng Bằng Sông Cửu Long Sản lượng chế biến thủy sản của vùng đồng bằng sông Hồng chiếm tỷ trọng chưa đến 1,5% (Tổng quan ngành chế biến thủy sản Việt Nam, 2017)

Hình 1.2: Tình hình xuất thủy sản Việt Nam từ năm 2005 - 2017

Ngành công nghiệp chế biến thủy sản rất phát triển ở các tỉnh phía Nam trong những năm gần đây với hầu hết các cơ sở chế biến thủy sản công suất trung bình từ 1.200 – 6.500 tấn sản phẩm/năm Số cơ sở chế biến thủy sản của khu vực là

132 cơ sở, chuyên sản xuất các mặt hàng cao cấp (chiếm gần 40% tổng số cơ sở chế biến thủy sản trên toàn quốc) Nguyên liệu chủ yếu của khu vực này cũng là các loại tôm sú và các loại mức ống, mực nang, bạch tuộc, cá da trơn… (Tổng quan ngành chế biến thủy sản Việt Nam, 2017)

1.1.2 Các vấn đề môi trường do ngành chế biến thủy hải sản gây ra

1.1.2.1 Nước thải

Nước thải là một trong những vấn đề môi trường lớn nhất của ngành chế biến thủy hải sản, nước thải chế biến thủy hải sản đặc trưng bởi các thông số ô nhiễm như: màu, mùi, chất rắn không hòa tan, chất rắn lơ lửng, các vi khuẩn, chỉ số BOD, COD, pH Nước thải thủy sản có thể chia thành ba nguồn khác nhau: nước thải sản xuất, nước thải vệ sinh công nghiệp và nước thải sinh hoạt Trong đó nước thải thủy sản có hàm lượng COD dao động trong khoảng 300 – 3000 (mg/L), giá trị điển hình

là 1500 (mg/L), hàm lượng BOD dao động trong khoảng từ 300 – 2000 (mg/L), giá trị điển hình là 1000 (mg/L) Trong nước thường có các vụn thủy sản và các vụn này

dể lắng, hàm lượng chất rắn lơ lửng dao động từ 200 – 1000 (mg/L), giá trị thường gặp là 500 (mg/L) Nước thải thủy sản cũng bị ô nhiễm chất dinh dưỡng với hàm lượng Nito khá cao từ 50 – 200 (mg/L), giá trị điển hình là 30 (mg/L) Ngoài ra, trong nước thải của ngành chế biến thủy hải sản có chứa thành phần hữu cơ mà khi

bị phân hủy sẽ tạo ra các sản phẩm trung gian của sự phân hủy các acid béo không bảo hòa, tạo mùi rất khó chịu và đặc trưng, gây ô nhiễm về mặt cảm quan và ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe công nhân làm việc Đối với các công ty thủy sản có sản xuất thêm các sản phẩm khô, sản phẩm đóng hộp thì trong dây chuyền sản xuất

sẽ có thêm các công đoạn nướng, luộc, chiên thì trong thành phần nước thải sẽ có chất béo, dầu… Đặc biệt những nhà máy chế biến hải sản nằm gần biển ở vùng thiếu nước ngọt thường sử dụng nước biển cho nhiều công đoạn như rã đông hay rửa nguyên liệu thô nên độ mặn của nước thải trong các nhà máy này rất cao, khó xử lý (Nguyễn Thế Đồng và ctv, 2011)

Bảng 1.2: Kết quả phân tích nước thải tại một số cơ sở chế biến thủy hải sản

của Hải Phòng THÔNG SỐ CTY TMTN

MINH CHÂU

TCVN 5945 –

1995 (Giá trị giới hạn loại B, cột 2

Nguồn: Đánh giá môi trường chiến lược cho quy hoạch tổng thể phát

triển thủy sản Hải Phòng, 2015 1.1.2.2 Khí thải

Khí thải sinh ra từ các lò đốt (lò đốt dầu của lò hơi), máy phát điện có chứa các chất gây ô nhiễm như NO2, SO2, bụi với mức độ dao động theo thời gian và mức độ vận hành theo lò hơi Tuy vậy, các chất ô nhiễm này đều có nồng độ nhỏ hơn tiêu chuẩn cho phép (TCVN 5937 – 1995) Trong ngành chế biến thủy hải sản, các chất gây ô nhiễm không khí khá đặc trưng đó là H2S với nồng độ có khả năng đạt từ 0.2- 0.4 mg/m3, sinh ra chủ yếu từ sự phân hủy các chất thải rắn (đầu, ruột, vẩy…) của các vi khuẩn và NH3 sinh ra từ mùi nguyên liệu thủy sản hoặc do sự thất thoát từ các máy nén khí của các thiết bị đông lạnh Các khí này có đặc điểm không phát tán đi xa nên mức độ ô nhiễm chỉ giới hạn trong khu vực phát sinh chúng Nhìn chung, các chất gây ô nhiễm không khí của ngành chế biến thủy sản là khá đa dạng nhưng ở mức độ nhẹ và có thể khắc phục (Nguyễn Thế Đồng và ctv, 2011)

1.1.2.3 Chất thải rắn

Chất thải rắn sinh ra trong quá trình chế biến tồn tại dưới dạng thừa; tạp chất, đầu, đuôi, xương vẩy…phần lớn các chất này được tận dụng lại để chế biến thành các loại thức ăn gia súc Tuy nhiên, vẫn còn xót lại một lượng chất thải rắn trôi theo dòng nước thải do quá trình làm vệ sinh nhà xưởng không kỹ, lượng chất thải này có thể là nguồn gây ô nhiễm không khí bổ sung do mùi từ chúng bốc lên, gây khó chịu

và ảnh hưởng đến sức khỏe của công nhân trong công ty và cư dân ở khu vực lân cận ( Nguyễn Thế Đồng và ctv, 2011)

Bảng 1.3: Lượng chất thỉ rắn trong quá trình chế biến thủy hải sản

4

2 Nước mắm (tấn chất thải/1000 lít nước mắm) 0.2

3 Hàng khô: (tấn phế thải/tấn nguyên liệu)

- Tôm khô

- Cá khô

- Mực ống khô

0.43 0.38 0.17

Nguồn: WHO, 1993

1.1.2.4 Nhiệt thải và tiếng ồn

Nhiệt thải từ lò nấu, từ hệ thống làm lạnh và tiếng ồn từ các thiết bị sản xuất ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe công nhân và người dân xung quanh

Tiếng ồn và độ rung thường gây ảnh hưởng trực tiếp đến thính giác, làm giảm thính lực của người lao động, giảm hiệu suất làm việc, và phát sinh nhiều chứng bệnh khác Tác động của tiếng ồn có biểu hiện qua phản xạ của hệ thần kinh hoặc gây trở ngại đến hoạt động của hệ thần kinh thực vật, khả năng định hướng, giữ thăng bằng qua đó ảnh hưởng đến năng suất lao động Tiếng ồn quá lớn có thể gây thương tích (Nguyễn Thế Đồng và ctv, 2011)

1.1.2.5 Mùi

Mùi hôi tanh ở khu vưc sản xuất tuy không có độc tính cấp, nhưng trong điều kiện phải tiếp xúc với thời gian dài người lao động sẽ có biểu hiện đặc trưng như buồn nôn, kém ăn, mệt mỏi trong giờ làm việc (Nguyễn Thế Đồng và ctv, 2011)

1.1.2.6 Vi sinh vật

Các vi sinh vật đặc biệt vi khuẩn gây bệnh và trứng giun sán trong nguồn nước là nguồn ô nhiễm đặc biệt Con người trực tiếp sử dụng nguồn nước nhiễm bẩn hay qua các nhân tố lây bệnh sẽ truyền dẫn các bệnh dịch cho người như bệnh lỵ, thương hàn, bại liệt, nhiễm khuẩn đường tiết niệu, tiêu chảy cấp tính (Nguyễn Thế Đồng và ctv, 2011)

1.1.3 Thành phần và tính chất nước thải của ngành chế biến thủy hải sản

Đặc điểm của ngành chế biến thủy hải sản là có lượng chất thải lớn Các chất thải có đặc tính dễ ươn hỏng và dễ thất thoát theo đường thâm nhập vào dòng nước thải (Nguyễn Thế Đồng và ctv, 2011)

Đối với các khâu chế biến cơ bản, nguồn thải chính là khâu xử lý và bảo quản 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 rót nước sốt, nước muối, dầu Các nguồn thải chính từ sản xuất bột cá và dầu cá là nước khát máu từu khâu bốc dỡ và bảo quản cá và thời điểm dòng thải đậm đặc nhất là khâu ly tâm nước ngưng tụ các thiết bị cô đặc (Tổng cục môi trường, 2011)

Nước trong chế biến thủy hải sản có hàm lượng chất hữu cơ cao vì trong đó

có dầu, protein, chất rắn lơ lửn và chứa lượng phosphat và nitrat Dòng thải từ chế

biến thủy sản còn chứa những mẫu vụn thịt xương nguyên liệu chế biến, máu chất béo, các chất hòa tan từ nội tạng cũng như những chất tẩy rửa và các tác nhân làm sạch khác Trong đó có nhiều hợp chất khó phân hủy (Nguyễn Thế Đồng và ctv, 2011)

Bảng 1.4: Thành phần và tính chất nước thải các nhà máy chế biến thủy hải

Bảng 1.5: Thành phần và tính chất nước thải nhà máy chế biến thủy hải sản Ngô

Quyền – Kiên Giang

COD, mg/L 893 336 230 1200

Nguồn: CEFINEA, 2002

Ghi chú:

Mẫu 1: Nước thải chế biến mực

Mẫu 2: Nước thải chế biến tôm

Mẫu 3: Nước thải phân xương hải sản đông lạnh

Mẫu 4: Cống xả phân xưởng hải sản đông lạnh

 Nhận xét:

Ảnh hưởng của ngành chế biến thủy sản đến môi trường có sự khác nhau đáng kể, không chỉ phụ thuộc vào loại hình chế biến, mà còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như quy mô sản xuất, sản phẩm, nguyên liệu đầu vào, mùa vụ, trình độ công nghệ sản xuất, trình độ tổ chức quản lý sản xuất…, trong đó yếu tố kỹ thuật, công nghệ và tổ chức quản lý sản xuất có ảnh hưởng quyết định đến vấn đề bảo vệ môi trường của từng doanh nghiệp

Trong thành phần nước thải ngành này, chủ yếu quan tâm đến một số chỉ tiêu như sau: BOD5 dao động từ 600 – 5500 mg/L, hầu hết vượt tiêu chuẩn cho phép (40 mg/L), thậm chí vượt hàng trăm lần; COD dao động trung bình từ 100 – 2000 mg/L, trong khi tiêu chuẩn cho phép là 80 mg/L (TCVN 6982 – 2001, TCVN 6983 – 2001), tức gấp 1 – 20 lần tiêu chuẩn cho phép, hàm lượng Nitơ và photpho cũng rất cao vượt xa tiêu chuẩn cho phép Ngoài ra trong nước thải còn chứa một lượng lớn các chất thải rắn như: vây, dè, dầu, vảy, nan mực… rất dễ lắng và phân hủy sinh ra mùi hôi tanh

Các chất hữu cơ chứa trong nước thải chế biến thủy sản chủ yếu là dễ bị phân hủy Trong nước thải chứa các chất như cacbonhydrat, protein, chất béo,… khi xả vào nguồn nước sẽ làm suy giảm nồng độ oxy hòa tan trong nước do vi sinh vật sử dụng ôxy hòa tan để phân hủy các chất hữu cơ Nồng độ oxy hòa tan dưới 50% bão hòa có khả năng gây ảnh hưởng tới sự phát triển của tôm, cá Oxy hòa tan giảm

không chỉ gây suy thoái tài nguyên thủy sản mà còn làm giảm khả năng tự làm sạch của nguồn nước, dẫn đến giảm chất lượng nước cấp cho sinh hoạt và công nghiệp

Các chất rắn lơ lửng làm cho nước đục hoặc có màu, nó hạn chế độ sâu tầng nước 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 tài nguyên thủy sinh đồng thời gây tác hại về mặt cảm quan (tăng độ đục nguồn nước) và gây bồi lắng lòng sông, cản trở sự lưu thông nước và tàu bè,…

Nồng độ các chất nitơ, photpho cao gây ra hiện tượng phát triển bùng nổ các loài tảo, đến mức độ giới hạn tảo sẽ bị chết và phân hủy gây nên hiện tượng thiếu oxy Nếu nồng độ oxy giảm tới 0 gây ra hiện tượng thủy vực chết ảnh hưởng tới chất lượng nước của thủy vực Ngoài ra, các loài tảo nổi trên mặt nước tạo thành lớp màng khiến cho bên dưới không có ánh sáng Quá trình quang hợp của các thực vật tầng dưới bị ngưng trệ Tất cả các hiện tượng trên gây tác động xấu tới chất lượng nước, ảnh hưởng tới hệ thủy sinh, nghề nuôi trồng thủy sản, du lịch và cấp nước Amonia rất độc cho tôm, cá dù ở nồng độ rất nhỏ Nồng độ làm chết tôm, cá từ 1, 2¸

3 mg/l Tiêu chuẩn chất lượng nước nuôi trồng thủy sản của nhiều quốc gia yêu cầu nồng độ Amonia không vượt quá 1mg/l

Tuy nhiên tùy loại hình sản xuất và quy mô sản xuất, tính chất nước thải thay đổi khác nhau Đầu ra nước thải sản xuất thủy sản được so sánh với QCVN 11:2015/BTMNT Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp chế biến thủy sản

Các vi sinh vật đặc biệt vi khuẩn gây bệnh và trứng giun sán trong nguồn nước là nguồn ô nhiễm đặc biệt Con người trực tiếp sử dụng nguồn nước nhiễm bẩn hay qua các nhân tố lây bệnh sẽ truyền dẫn các bệnh dịch cho người như bệnh lỵ, thương hàn, bại liệt, nhiễm khuẩn đường tiết niệu, tiêu chảy cấp tính,…

Thực tế cho thấy hầu hết các cơ sở chế biến thủy hải sản của nước ta hiện nay chưa có hệ thống xử lý nước thải hoặc có cơ sở có hệ thống xử lý nhưng không đạt yêu cầu đã làm ô nhiễm trầm trọng đến môi trường sống của cộng đồng xung quanh,

gây ô nhiễm nặng đến nguồn nước ngầm, nước mặt, nhiều giếng nước xung quanh không sử dụng được Vì vậy, việc nghiên cứu áp dụng và triển khai công nghệ xử lý nước thải ngành chế biến thủy hải sản đang là vấn đề cấp bách mà chúng ta cần thực hiện

LÝ NƯỚC THẢI CHẾ BIẾN THỦY SẢN CÓ ĐỘ MẶN CAO

1.2.1 Nghiên cứu trong và ngoài nước về xử lý nước thải thủy sản có độ mặn cao

 Tình hình nghiên cứu xử lý nước thải độ mặn tại nước ngoài

Có những loài vi sinh vật cần muối ăn để tăng trưởng được gọi là các vi sinh

vật Halophilic Nồng độ muối nội bào của các vi sinh vật Halophilic (ưa muối) và Halotolerant chịu muối thường thấp và chúng duy trì một cân bằng thẩm thấu giữa dịch bào (Cytoplasm) của chúng với môi trường bên ngoài bằng cách tích lũy ở hàm

lượng cao các chất tan thẩm thấu hữu cơ khác nhau Do đó, việc sử dụng các vi sinh vật chịu muối trong các hệ thống xử lý sinh học có thể là giải pháp loại bỏ COD trong nước thải nhiễm mặn (Kapdan, 2007)

Phần lớn các nghiên cứu xử lý nước thải nhiễm mặn bằng phương pháp sinh

học đã áp dụng các vi sinh vật ưa mặn và các kỹ thuật hiếu khí Dincer và Kargi

(2001) đã nghiên cứu loại bỏ COD trong nước thải nhiễm mặn bằng hệ thống đĩa sinh học quay (Rotating Biological Discs) với sinh khối bùn hoạt tính có bổ sung

dòng vi khuẩn chịu mặn Halobacterium Halobium Các tác giả cũng nghiên cứu quá

trình nitro hóa và phi nitro hóa cũng như loại bỏ dinh dưỡng trong nước thải nhiễm mặn với các kỹ thuật khác nhau Xử lý nước thải nhiễm mặn bằng phương pháp kỵ khí là một tiếp cận mới cần được nghiên cứu chi tiết Các nghiên cứu đã được tiến hành với các điều kiện môi trường và các cấu hình quá trình sinh học khác nhau với sinh khối kỵ khí được thích nghi Tuy nhiên hiện nay có nhiều chủng vi sinh vật kỵ

khí ưa mặn đã được phân lập như Haloanaerobacter chitinovorans, Haloanaerobium congolense, Haloanaerobium lacusrosei, Haloanaerobium praevalens, Haloanaerobium alkaliphilum, trong đó Haloanaerobium praevalens

Haloanerobium pravalens được ghi nhận có khả năng loại carbon cao (Dincer và

Kargi, 2001)

Kapdan và cộng tác viên đã sử dụng thiết bị dạng UAPB (Upflow Anaerobic Packed Bed) để xử lý nước thải nhiễm mặn nhân tạo với COD dao động từ 1900 –

6300 mg/l, hàm lượng muối dao động từ 0 – 5% , và thời gian lưu thủy lực (HRT) từ

11 – 30h, với chủng chủ đạo là Haloanaerobium lacusrosei Với COD ban đầu 1900

mg/l và HRT 19h và hàm lượng muối 3%, hiệu quả loại COD đạt tới 94% Với COD đầu vào 3400 mg/l và độ mặn 3%, tăng HRT từ 11h lên 30 h dẫn đến tăng hiệu quả loại COD từ 60 – 84% Không ghi nhận được hiệu ứng ức chế cơ chất Ức chế phân hủy hữu cơ quan sát được bắt đầu từ độ mặn 3% trở đi Mô hình Stover – Kincannon được sử dụng để xác định các hệ số động học Hằng số giá trị bão hòa Kb = 5.3 g/l.ngày, Hằng số tốc độ phân hủy cực đại umax= 7.05 g/L.ngày (I.K.Kapdan, B.Erten, 2007)

Nước thải nhiễm dầu của tàu biển, chủ yếu từ các buồng động cơ (Bilge Waters) và từ công đoạn rửa các tăng chứa dầu là loại nước thải rất ô nhiễm và khó

xử lý vì chúng chứa các chất khó phân hủy và độc hại đối với môi trường 7 đồng thời nhiễm mặn tới mức 25000 mg/l Do đó công nghệ sinh học được quan tâm áp dụng nhằm xử lý trước hết là nước thải vệ sinh tàu dầu Đặc biệt, công nghệ tái sinh sinh học đối với than hoạt tính hạt (GAC) đã bão hòa các hợp chất chứa trong nước

thải cặn dầu được thải bỏ và Thiết bị lọc màng sinh học (Biofilm Membrane Bioreactor – BF MBR đã được nghiên cứu Kết quả cho thấy việc sử dụng các VSV

thích nghi với nước mặn có khả năng phân hủy các chất ô nhiễm là rất khả thi một

loài vi khuẩn chịu mặn - Staphylococcus Xylosus cũng đã được sử dụng làm vi khuẩn mồi (Inoculum) cho thiết bị hữu cơ dạng mẻ phân hủy nước thải nhiễm mặn

nhân tạo trong điều kiện hiếu khí với ba dạng sinh khối: bùn sinh học, hỗn hợp

Staphylococcus với bùn sinh học và S xylosus thuần chủng với các mức nhiễm mặn

lần lượt là 5,10 và 15 g NaCl/L Kết quả nghiên cứu cho thấy: Hỗn hợp

Staphylococcus thuần chủng với bùn sinh học cho phép loại bỏ 92.59% COD với

nồng độ muối 5g/L NaCl và thời gian lưu thủy lực HRT là 24h Với S Xylosus thuần chủng, hiệu quả loại bỏ COD đạt 86.36% với nồng độ muối 10g/l NaCl và đạt 72.57% với nồng độ muối 15g/l NaCl khi thời gian lưu thủy lực HRT đạt 24h Thời gian lưu thủy lực HRT tăng lên 48h không có hiệu ứng gì đáng kể đến hiệu quả phân hủy hữu cơ, vì vậy HRT = 24h thích hợp kể cả với nồng độ muối cao nhất (15g/l) (Mancini Getal, 2012)

Bên cạnh các vi khuẩn chịu mặn, các chủng nấm men đã thích nghi với nồng

độ mặn tương đối cao cũng là một nguồn vi sinh vật có khả năng xử lý nước thải nhiễm mặn một cách hiệu quả Một số nghiên cứu mới cho thấy sử dụng các chủng nấm men chịu mặn là một hướng nghiên cứu rất có triển vọng Tuy các chủng nấm

men nói chung có hằng số tăng trưởng đặc thù cực đại – umax (maximum specific grow rate) tại nồng độ muối 20g/l thấp hơn so với vi khuẩn, nhưng khi nồng độ

muối tăng lên đến >30g/l, hằng số tăng trưởng đặc thù của nấm men không bị suy giảm, trong khi đại lượng này ở các vi khuẩn suy giảm rất mạnh Ngoài ra các chủng nấm men chịu mặn có thể hoạt động trong một khoảng giá trị pH rộng hơn so với các vi khuẩn và có khả năng loại COD hiệu quả nhất trong khoảng pH: 5,0 - 5,5 (Nghiên cứu ứng dụng công nghệ sinh học để xử lý nước thải nhiễm mặn, 2016)

Một số nghiên cứu với một vài loại hình nước thải đặc thù khác, chẳng hạn nước thải thuộc da (Lefebre, 2005), nước thải súc rửa tàu dầu (Mancini, 2012), nước thải chế biến hải sản (Vidal, 1997, Mosquera-Corral, 2001) nước thải chế biến dầu oliu (Vitolo, 1999) cũng đã được bước đầu nghiên cứu

Sustainable Aquatic Resources and Biotechnology, Curtin University of

Technology, Bentley, WA, Australia “The use of probiotics in aquaculture”

Nghiên cứu việc sử dụng chế phẩm sinh học trong nuôi trồng thủy sản.2

Mohapatra S1, Chakraborty T, Kumar V, DeBoeck G, Mohanta KN Laboratory of Freshwater Fish Reproduction and Development, School of Life

Science, Southwest University, Chongqing, China “Aquaculture and stress

management: a review of probiotic intervention” Nuôi trồng thuỷ sản và quản lý:

Đánh giá sự ảnh hưởng của chế phẩm sinh học

 Tình hình nghiên cứu xử lý nước thải độ mặn tại Vệt Nam

Trong những năm gần đây, các nhà khoa học trong và ngoài quân đội đã thực hiện một số nghiên cứu về chủ đề này và đã phân lập, tuyển chọn các chủng vi sinh vật có khả năng phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện nước mặn, thử hoạt tính proteinaza, đồng thời nghiên cứu ảnh hưởng của các điều kiện ngoại cảnh như nhiệt

độ, pH ban đầu, nồng độ muối, nồng độ cơ chất… đến hoạt tính của các VSV này (Nghiên cứu ứng dụng công nghệ sinh học để xử lý nước thải nhiễm mặn, 2016)

Các nhà khoa học trong và ngoài quân đội cũng đã có nhiều nỗ lực để thu gom và xử lý chất thải và nước thải nhiễm mặn trên một số đảo nói riêng, cũng như

xử lý nước thải nhiễm mặn của một số nhà máy chế biến hải sản, với công nghệ xử

lý nước thải chủ đạo là sử dụng chế phẩm sinh học, hoặc các công nghệ cổ điển như

bể tự hoại, bùn hoạt tính… (Nghiên cứu ứng dụng công nghệ sinh học để xử lý nước thải nhiễm mặn, 2016)

Phân lập, nuôi cấy và định danh nấm men chịu mặn: Nhóm nghiên cứu đã phân lập chủng nấm men YH có quan hệ gần gũi và mức độ tương đồng cao với các chủng nấm men thuộc chi Candida Đặc biệt, chủng YH tương đồng 92% chủng Candida sp YS W113A (AM410670) Kết hợp với việc quan sát hình thái khuẩn lạc

và hình thái tế bào dưới kính hiển vi điện tử quét, chủng YH được định tên là Candida sp YH Tốc độ tăng trưởng tối đa µmax tại các nồng độ NaCl 20 g/L, 25 g/L và 30 g/L lần lượt là 2,79; 2,77 và 2,93 ngày-1 Hệ số năng suất tăng trưởng (Y) của nấm men giảm dần tương ứng với sự tăng dần nồng độ muối NaCl: 0,4271; 0,281 và 0,2564 mgVSS/mgCOD, khá tương đồng với các số liệu quốc tế Kết quả SEM được trình bày trên hình sau, cho thấy hình thái tế bào được quan sát dưới kính hiển vi điện tử quét có độ phóng đại 9.000 lần và độ phóng đại 20.000 lần Tế bào có dạng hình ovan, là hình thái cơ bản của nấm men Mật độ tế bào nấm men dày đặc

và chiếm ưu thế trong mẫu bùn quan sát Kết quả này cũng phù hợp với một số

nghiên cứu trên thế giới sử dụng nấm men để xử lý nước thải trong điều kiện nhiễm mặn Kết quả hình SEM cho thấy khả năng chịu mặn tốt, sinh trưởng và phát triển trong điều kiện độ mặn lên đến 30.000 mg/l (Nghiên cứu ứng dụng công nghệ sinh học để xử lý nước thải nhiễm mặn, 2016)

Các hệ thống xử lý nước thải áp dụng công nghệ cổ điển cũng gặp khó khăn

vì trong môi trường nước thải có độ mặn cao các vi sinh vật thường phát triển rất chậm, không đạt được mật độ sinh khối trong hệ thống đủ cao để phân hủy hiệu quả Các mô hình sử dụng bùn hoạt tính cũng gặp khó khăn tương tự Theo các nghiên cứu quốc tế được công bố, với độ mặn từ 3000 mg/l trở lên, sinh khối hiếu khí bị tác động rõ rệt, dẫn đến hiệu quả phân hủy hữu cơ giảm mạnh Nguyên nhân là độ mặn cao có thể gây ra áp lực thẩm thấu hoặc ức chế các con đường phản ứng trong quá trình phân hủy hữu cơ (Nghiên cứu ứng dụng công nghệ sinh học để xử lý nước thải nhiễm mặn, 2016)

Nhưng nhìn chung, việc ứng dụng chế phẩm sinh học vào xử lý nước thải không còn xa lạ ở Việt Nam, tuy nhiên các nghiên cứu để xử lý nước thải thủy sản, đặc biệt nước thải thủy sản có độ mặn cao chưa nhiều

1.2.2 Tổng quan các phương pháp xử lý nước thải thủy hải sản

1.2.2.1 Phương pháp sinh học bùn hoạt tính hiếu khí

Nước thải sau khi qua bể lắng 1 có chứa các chất hữu cơ hòa tan và các chất

lơ lửng đi vào bể phản ứng hiếu khí (Aerotank) Khi ở trong bể , các chất lơ lửng đóng vai trò là các hạt nhân để cho vi khuẩn cư trú, sinh sản và phát triển dần lên thành các bông cặn gọi là bùn hoạt tính Bùn hoạt tính là các bông cặn có màu nâu sẫm chứa các chất hữu cơ hấp thụ từ nước thải và là nơi cư trú để phát triển của vô

số vi khuẩn và vi sinh vật khác Vi sinh vật dùng chất nền (BOD) và chất dinh dưỡng (N,P) làm thức ăn để chuyển hóa chúng thành các chất tro không hòa tan và thành các tế bào mới Quá trình chuyển hóa cơ chất oxi hóa và tổng hợp tế bào như sau:

Chất hữu cơ + O2 => CO2 + H2O + tế bào mới + sản phẩm trung gian

Quá trình chuyển hóa thực hiện theo từng bước xen kẽ và nối tiếp nhau Một vài loại vi khuẩn tấn công vào các hợp chất hữu cơ có cấu trúc phức tạp, sau khi chuyển hóa thải ra các hợp chất hữu cơ đơn giản hơn, vi sinh vật khác lại dùng chất này làm thức ăn và thải ra chất hữu cơ đơn giản hơn nữa, và quá trình cứ tiếp tục cho đến khi chất thải cuối cùng không thể dùng làm thức ăn cho bất cứ loại sinh vật nào nữa

Số lượng bùn hoạt tính sinh ra trong thời gian lưu lại trong bể aerotank của lượng nước thải đi vào bể không đủ để làm giảm nhanh các chất hữu cơ, do đó phải

sử dụng lại bùn hoạt tính đã lắng xuống đáy bể lắng đợt 2 bằng cách tuần hoàn bùn ngược trở lại đầu bể Aerotank để duy trì nồng độ đủ của vi khuẩn trong bể Bùn dư

ở đáy bể lắng được xả ra khu xử lý bùn

1.2.2.2 Phương pháp dùng bể sinh học kỵ khí UASB

UASB được thiết kế cho nước thải có nồng độ ô nhiễm chất hữu cơ cao và thành phần chất rắn thấp.Nồng độ COD đầu vào được giới hạn ở mức min là 100mg/l, nếu SS>3000mg/l không thích hợp để xử lý bằng UASB Xử lý nước thải UASB là quá trình xử lý sinh học kỵ khí, trong đó nước thải sẽ được phân phối từ dưới lên và được khống chế vận tốc phù hợp (v<1m/h) Cấu tạo của bể UASB thông thường bao gồm: hệ thống phân phối nước đáy bể, tầng xử lý và hệ thống tách pha

Nước thải được phân phối từ dưới lên, qua lớp bùn kỵ khí , tại đây sẽ diễn ra quá trình phân hủy chất hữu cơ bởi các vi sinh vật, hiệu quả xử lý của bể được quyết định bởi tầng vi sinh này Hệ thống tách pha phía trên bê làm nhiệm vụ tách các pha rắn – lỏng và khí, qua đó thì các chất khí sẽ bay lên và được thu hồi, bùn sẽ rơi xuống đáy bể và nước sau xử lý sẽ theo máng lắng chảy qua công trình xử lý tiếp theo

1.2.2.3 Phương pháp dùng bể sinh học thiếu khí ANOXIC

Bể Anoxic ( bể thiếu khí ) được sử dụng kết hợp với các công nghệ hiếu khí hay kị khí để xử lý nước thải chứa nồng độ Amoni NH4, Nitrit NO2, Nitrate NO3,

Nito vô cơ, Phosphate,…Tại bể Anoxic sẽ diễn ra các quá trình Nitrat hóa và khử Nitrate

Trong bể Anoxic được trang bị máy khuấy chìm với nhiệm vụ khuấy trộn dòng nước liên tục với một tốc độ ổn định nhằm tạo ra môi trường thiếu oxy, giúp vi sinh vật thiếu khí phát triển Ngoài ra, trong bể Anoxic còn được lắp đặt thêm hệ thống đệm sinh học (nhựa PVC) để làm nơi trú ngụ cho hệ vi sinh vật Hệ vi sinh vật thiếu khí sẽ bám dính vào bề mặt các đệm này để sinh trưởng, phát triển mạnh mẽ

1.2.2.4 Phương pháp MBR lọc sinh học bằng màng

Công nghệ MBR - Membrance Bio Reator (Bể lọc sinh học bằng màng) là sự kết hợp của cả phương pháp sinh học và lý học Mỗi đơn vị MBR được cấu tạo gồm nhiều sợi rỗng liên kết với nhau, mỗi sợi rỗng lại cấu tạo giống như một màng lọc với các lỗ lọc rất nhỏ mà một số vi sinh không có khả năng xuyên qua Các đơn vị MBR này sẽ liên kết với nhau thành những module lớn hơn và đặt vào các bể xử lý

Cơ chế hoạt động của vi sinh vật trong công nghệ MBR cũng tương tự như bể bùn hoạt tính hiếu khí nhưng thay vì tách bùn sinh học bằng công nghệ lắng thì công nghệ MBR lại tách bằng màng

chúng sẽ bị chết, khả năng bám vào vật liệu không còn Khi chúng không bám được lên bề mặt vật liệu sẽ bị bong ra rơi vào trong nước thải Một lượng nhỏ vi sinh vật còn bám trên các vật liệu sẽ tiếp tục sử dụng các hợp chất hữu cơ có trong nước thải

để hình thành một quần xã sinh vật mới

1.2.3 Tổng quan quy trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học bùn hoạt

tính

1.2.3.1 Khái niệm

Quá trình xử lý hiếu khí là quá trình oxy hóa sinh hóa các chất hữu cơ hòa tan, cả chất keo và các chất phân tán nhỏ trong nước thải, sử dụng vi sinh vật hiếu khí, hoạt động trong điều kiện cung cấp oxy liên tục

1.2.3.2 Nguyên tắc

Các phương pháp hiếu khí dựa trên nguyên tắc là các sinh vật hiếu khí phân hủy các chất hữu cơ trong điều kiện có oxy hòa tan

𝑐ℎấ𝑡 ℎữ𝑢 𝑐ơ + 𝑂2𝑣𝑖 sinh 𝑣ậ𝑡→ 𝐻2𝑂 + 𝐶𝑂2+ 𝑁𝐻3+ ⋯

Ở điều kiện hiếu khí (hàm lượng oxy hòa tan tối thiểu 1.5 – 2.0 mg/l), NH4+

cũng bị loại nhờ quá trình nitrat hóa của vi sinh vật tự dưỡng

𝑁𝐻4++ 2𝑂2𝑣𝑖 sinh 𝑣ậ𝑡→ 𝑁𝑂3−+ 2𝐻++ 𝐻2𝑂 + 𝑛ă𝑛𝑔 𝑙ượ𝑛𝑔

 Quy trình xử lý hiếu khí xảy ra qua 3 giai đoạn:

a) Oxy hóa các chất hữu cơ: CxHyOz + O2 𝑒𝑛𝑧𝑦𝑚𝑒→ CO2 + H2O + ∆H

b) Tổng hợp tế bào mới: CxHyOz + NH3 + O2 𝑒𝑛𝑧𝑦𝑚𝑒→ CO2 + H2O +

C5H7NO2 - ∆H

c) Phân hủy nội bào:C5H7NO2 + 5O2 𝑒𝑛𝑧𝑦𝑚𝑒→ 5CO2 + 2H2O + NH3 + ∆H

 Cơ chế của quá trình phân hủy các chất trong tế bào như sau:

Các chất hữu cơ đầu tiên bị oxy hóa là hydrat cacbon và một số chất hữu cơ khác Men của vi sinh vật sẽ tách hydro khỏi móc xích và đem phối hợp với oxy

không khí để tạo thành nước Nhờ có hydro khỏi móc xích và oxy trong nước, các phản ứng oxy hóa khử giữa các nguyên tử cacbon mới diễn ra được

Đường, rượu và các axit hữu cơ khác là các sản phẩm đặc trưng nhất của quá trình oxy hóa bởi vi sinh vật hiếu khí Các chất đó khi phân hủy hoàn toàn sẽ tạo thành 𝐻2𝑂 𝑣à 𝐶𝑂2

Thực ra không phải tất cả các chất đã bị giữ lại ở tế bào khuẩn (chỉ một phần)

bị oxy hóa hoàn toàn thành 𝐻2𝑂 𝑣à 𝐶𝑂2 Phần còn lại sẽ bị đồng hóa và được sử dụng để tồng hợp các chất mới của tế bào, tức là để sinh khối của vi sinh vật tăng lên Đồng thời song song với quá trình đồng hóa, trong tế bào vi sinh vật còn diễn ra quá trình dị hóa, phân hủy các chất có trong thành phần tế bào Như vậy một phần trong các chất sống đã được tổng hợp lại bị oxy hóa

 Sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật:

Sự sinh trưởng của vi sinh vật là sự tăng sinh khối do nó hấp thụ, đồng hóa các chất dinh dưỡng Theo nghĩa rộng, sinh trưởng hay sự tăng sinh khối là tăng trọng lượng, kích thước hoặc số lượng tế bào

Như vậy hiệu quả của sự dinh dưỡng (cũng đồng thời là sự giảm BOD) là quá trình tổng hợp các bộ phận của cơ thể - tế bào và sự tăng sinh khối – sức sinh trưởng Các quá trình diễn ra không đồng đều theo thời gian và không gian tế bào vi sinh vật

Ở những nơi có vi sinh vật thực hiện quá trình xử lý nước thải, sự tăng trưởng cũng được gọi là sự tăng số lượng tế bào và sự thay đổi kích thước tế bào Ở nổng

độ thấp của bùn, đường cong cho thấy sinh khối của bùn có xu hướng tăng theo cấp

số nhân (a – b) Giai đoạn này gọi là pha tiềm phát rồi pha tăng trưởng logarit, ở đây tốc độ phân đôi tế bào trong bùn sẽ điều hòa đạt giá trị tối đa Điều kiện chủ yếu là phải đáp ứng đầy đủ chất dinh dưỡng

Phần giữa đường cong gần như tuyến tính (b – c) Khi chất dinh dưỡng bắt đầu cạn kiệt, tốc độ sinh trưởng cũng bắt đầu giảm theo quy luật phản ứng bậc nhất

Sự sinh sản của vi sinh vật gần đạt tới tiệm cận tùy thuộc nồng độ chất dinh dưỡng Giai đoạn này gọi là pha sinh trưởng chậm dần

Phần đường cong (c – d) biểu thị sự giảm sinh khối của bùn bởi quá trình tự oxy hóa Nguyên nhân là do nghèo và hết chất dinh dưỡng Giai đoạn này gọi là pha oxy hóa nội bào của bùn hoạt tính Lúc đầu quá trình tự oxy hóa diễn ra theo kiểu phản ứng bậc nhất, sau đó tốc độ oxy hóa cũng giảm đi, vật chất cấu tạo của tề bào

vi khuẩn giảm rất ít và không bị oxy hóa nữa

Hình 1.3: Các giải đoạn tăng trưởng của tế bào vi sinh vật

1.2.3.3 Các điều kiện, yêu cầu và các yếu tố ảnh hưởng tối quá trình xử lý

Trong khi nước thải chứa các chất bẩn hữu cơ dễ hoặc có thể bị oxy hóa sinh hóa và khi trong điều kiện môi trường thích hợp (oxy, pH, nhiệt độ, nồng độ các chất độc hại không vượt quá giới hạn cho phép, …) thì có thể dùng phương pháp sinh hóa để xử lý Ngoài ra còn phải đảm bảo đủ lượng các nguyên tố dinh dưỡng (N, P, K, Fe, …) trong nước thải

Điều kiện đầu tiên là phải đảm bảo cung cấp đủ lượng oxy một cách liên tục

và sao cho lượng oxy hòa tan trong nước ra khỏi bể lắng đợt 2 không nhỏ hơn 2 mg/l

Nồng độ cho phép các chất bẩn hữu cơ: có nhiều chất bẩn trong nước thải sản xuất ở mức độ nhất định nào đó sẽ phá hủy chế độ hoạt động – sống bình thường của vi sinh vật Các chất độc hại đó thường có tác dụng làm hủy hoại thành phần cấu tạo của tế bào

1.2.3.4 Cấu trúc của các chất bẩn và bùn hoạt tính

Tác nhân tham gia vào quá trình phân hủy các chất bẩn hữu cơ là vi khuẩn, xạ khuẩn, nấm và một số động vật hạ đẳng Bên cạnh các chất dễ bị oxy hóa như hydrat cacbon còn có rất nhiều chất bị oxy hóa một phần hoặc thậm chí hoàn toàn không bị phân hủy dù có những vi khuẩn thích nghi tham gia quá trình Đó là những chất hữu

cơ tổng hợp: hydrat cacbon, rượu, andehyte, esthe, …

Ngoài carbon, nếu trong mạch còn có các nguyên tử khác nhau sẽ làm cho chất hữu cơ bền vững hơn đối với quá trình oxy hóa sinh hóa Ảnh hưởng nhiều nhất

là mạch có oxy rồi đến lưu huỳnh và nitơ

Bùn hoạt tính và màng vi sinh vật là tập hợp các loại vi sinh vật khác nhau Bùn hoạt tính là bông màu vàng nâu dễ lắng có kích thước 3 – 150 micromet Những bông gồm có vi sinh vật sống và chất rắn (40%) Những sinh vật sống là vi khuẩn, động vật hạ đẳng, dòi, giun, nấm men, nấm mốc và xạ khuẩn

Màng vi sinh vật phát triển ở bề mặt các hạt vật liệu lọc có dạng nhầy, dày 1 – 3 mm và hơn nữa màu của nó thay đổi theo thành phần của nước thải, từ vàng xám đến nâu tối Màng vi sinh vật cũng gồm vi khuẩn, nấm mốc và các sinh vật khác Trong quá trình xử lý, nước thải sau khi qua bể lọc sinh học, có mang theo các hạt của màng vi sinh vật hình dạng khác nhau, kích thước 15 – 30 micromet với màu vàng sáng hoặc nâu

Những loài vi khuẩn tham gia vào quá trình xử lý thường là các loài trực khuẩn không tạo nha bào Gram âm Sự có mặt các loài vi khuẩn dị dưỡng, với nhiều kiểu trao đổi chất sẽ làm cho bùn hoạt tính nhanh chóng thích nghi với nhiều loại nước khác nhau Ngoài ra chúng còn có thể sử dụng Nitơ hữu cơ Nhiều loài có khả năng khử Nitrat

Cho đến nay, người ta đã biết vi sinh vật có thể phân hủy tất cả chất hữu cơ

có trong thiên nhiên và rất nhiều chất hữu cơ nhân tạo

Pseudomonas, Bacterium, Bacillus, Cocynebacterium, Astrobacte, Mycobacterium, Micrococcus, Saccina, Nocadia,…

Các loài vi sinh lại được phân chia thành các nhóm – sắp xếp theo chế độ hấp thụ các chất dinh dưỡng trong nước thải

 Họ Pseudosomonadineae (chiếm 50 – 80% lượng vi khuẩn) được chia

thành các nhóm:

 Methanomonas : vi sinh vật lên men methan

 Nitrosomonas: vi sinh vật oxy hóa nitrit

 Hydrogenomonas: vi sinh vật oxy hóa phân tử hydro

 Sulformonas, Thiobacillus : vi sinh vật hồi phục các hợp chất chứa

lưu huỳnh

 Ngoài ra, Hydrogenomonas còn tích cực phân giải các hợp chất thơm

và các chất hữu cơ mạch vòng Sulformonas còn hấp thụ tốt các chất

hữu cơ

 Họ Bacterium (gồm 30 loại) chia thành:

 Bact Aliphacitum, Bact.Naphtalinicus, Bact.Benzoni, Bact.Cycloclastes, có khả năng hấp thụ dầu, sáp, phenol, mỡ, …

 Bact Mycoides: phân giải hợp chất chứa nitơ

 Thiobacterium, phiotrix: oxy hóa các hợp chất chứa lưu huỳnh

1.2.3.6 Sự phân giải các chất hữu cơ ở quá trình xử lý sinh học hiếu khí

Mức độ hấp thu

Các chất được hấp thụ phải là các chất bị oxy hóa

Chất dễ hấp thụ nhất: các chất vô cơ và các chất hữu cơ:

 Những hợp chất với trọng lượng phân tử lớn với cấu trúc nhiều mạch nhánh bên là những chất không bị oxy hóa sinh hóa

 Các chất không bị oxy hóa sinh hóa là những chất khó thẩm thấu khuếch tán qua màng tế bào, dẫn đến men (enzyme) của vi sinh vật rất khó xâm nhập

 Đối với những chất có nguyên tử C ở trung tâm, dù chỉ còn một liên kết C-H thì mức độ ảnh hưởng của cấu trúc nhánh phân tử đối với quá trình oxy hóa sinh hóa sẽ giảm đi

 Trong liên kết C-H, nếu thay nguyên tử hydro bằng các nhóm alkyl hoặc aryl thì sẽ khó bị oxy hóa sinh hóa hơn

 Ngoài C, nếu trong mạch có các nguyên tử khác nhau thì sẽ làm cho các chất hữu cơ bền vững hơn đối với quá trình oxy hóa sinh hóa Ảnh hưởng nhiều nhất là mạch có oxy rồi đến lưu huỳnh và nitơ

 Quá trình hấp thụ chất hữu cơ biểu diễn ở dạng tống quáT

CXHYOZ, O2,

N, P

C5H7NO2, CO2, H2O, những chất tan không phân hủy

những chất không phân hủy

1.2.3.7 Những nhân tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý sinh học hiếu khí

 Oxy hòa tan: Hàm lượng oxy trong nước thải (>= 2 mg/l)