Khảo sát ứng dụng chủng vi khuẩn phản nitrate Achromobacter xylosoxidans trong xử lý nước thải thủy sản nồng độ muối cao

Khảo sát ứng dụng chủng vi khuẩn phản nitrate Achromobacter xylosoxidans trong xử lý nước thải thủy sản nồng độ muối cao Khảo sát ứng dụng chủng vi khuẩn phản nitrate Achromobacter xylosoxidans trong xử lý nước thải thủy sản nồng độ muối cao luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

ĐỒ ÁN/ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

KHẢO SÁT ỨNG DỤNG CHỦNG VI KHUẨN PHẢN

NITRATE ACHROMOBACTER XYLOSOXIDANS

TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI THỦY SẢN

NỒNG ĐỘ MUỐI CAO

Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ SINH HỌC

Giảng viên hướng dẫn : Ths Huỳnh Văn Thành Sinh viên thực hiện : Võ Thị Diệp Thúy MSSV: 1151110348 Lớp: 11DSH03

LỜI CAM ĐOAN

Đồ án tốt nghiệp này là công trình nghiên cứu của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn khoa học của ThS Huỳnh Văn Thành – Khoa Công nghệ sinh học – Thực phẩm – Môi trường, Trường Đại Học Công Nghệ Tp.Hồ Chí Minh Những kết quả có được trong đồ án này hoàn toàn không sao chép từ đồ án tốt nghiệp của người khác dưới bất kỳ hình thức nào Các số liệu trích dẫn trong đồ án tốt nghiệp này là hoàn toàn trung thực Tôi xin chịu trách nhiệm hoàn toàn về đồ án tốt nghiệp của mình

TP.HCM, ngày 20 tháng 08 năm 2015

Sinh viên thực hiện

Võ Thị Diệp Thúy

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, cho con gửi lời cảm ơn sâu sắc chân thành nhất đến ba mẹ và gia đình đã tạo mọi điều kiện tốt nhất cho em được cắp sách đến trường.theo đuổi con đường học vấn mà em đã chọn suốt 16 năm qua

Lời thứ hai, cho em gửi lời tri ân chân thành nhất đến thầy Ths Huỳnh Văn Thành và cô Ts Nguyễn Hoài Hương đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo hết mình trong suốt thời gian dài làm đồ án để em có thể hoàn thành đồ án tốt nghiệp của mình với kết quả tốt nhất

Em xin chân thành cảm ơn các thầy các cô trong khoa Công nghệ sinh họccùng ban giám hiệu nhà trường đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất từ điều kiện học tập, trang thiết bị máy móc hiện đại để em có thể làm việc và thực hiện đề tài tốt nghiệp của em đạt kết quả tốt nhất

Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến chị Lê Trần Ánh Tuyết, chị Võ Phương Huỳnh cùng các bạn lớp 11DSH, những người luôn động viên và giúp đỡ hết mình để em hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp này

Cuối cùng, em xin cảm ơn các Thầy Cô trong Hội đồng phản biện đã dành thời gian đọc và nhận xét đồ án này

TP.HCM, ngày 20 tháng 8 năm 2015

Sinh viên thực hiện

Võ Thị Diệp Thúy

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC BẢNG viii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 4

1.1 Chu trình nitơ và quá trình chuyển hóa nitơ trong nước thải 4

1.1.1 Nitơ và các hợp chất của nitơ 4

1.1.2 Quá trình chuyển hóa nitơ trong nước thải 5

Quá trình chuyển hóa nitơ trong môi trường nước 5

1.1.2.1 Quá trình tự làm sạch của nguồn nước 5

1.1.2.2 1.1.3 Quá trình khử các hợp chất của nitơ bằng phương pháp sinh học 8

Chu trình sinh địa hóa nitơ 8

1.1.3.1 Quá trình amon hóa 9

1.1.3.2 Quá trình nitrate hóa 10

1.1.3.3 Quá trình phản nitrate hóa 10

1.1.3.4 Quá trình cố định nitơ 11

1.1.3.5 1.2 Tình hình gây ô nhiễm của nguồn nước thải chứa nitơ 11

1.2.1 Nước sinh hoạt 11

1.2.2 Nước thải công nghiệp 13

Nước thải công nghiệp chế biến sữa 16

1.2.2.1 Nước thải công nghiệp sản xuất bia 17

1.2.2.2 Nước thải công nghiệp chế biến thủy sản 18

1.2.2.3 1.2.3 Nước thải nông nghiệp, chăn nuôi 31

1.2.4 Tác động của nước thải chứa nitơ đến môi trường 34

Tác động đến môi trường nước 34

1.2.4.1 Tác động đến sức khỏe con người 35 1.2.4.2

1.3 Phương pháp khử nitơ trong nước thải 37

1.3.1 Phương pháp hóa lý 37

1.3.2 Phương pháp xử lý hóa học 38

Phương pháp trao đổi ion 38

1.3.2.1 Phương pháp oxy hóa khử 39

1.3.2.2 1.3.3 Phương pháp xử lý sinh học 39

1.3.4 Các vấn đề tồn tại 39

1.4 Các vi sinh vật xử lý nitơ 41

1.4.1 Vi khuẩn nitrate hóa 41

1.4.2 Vi khuẩn phản nitrate hóa 42

Pseudomonas stutzeri 44

1.4.2.1 Paracoccus denitrificans 45

1.4.2.2 Bacillus azotoformans 47

1.4.2.3 Thiobacillus denitrificans 48

1.4.2.4 Achromobacter xylosoxidans 49

1.4.2.5 CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 61

2.1 Thời gian và địa điểm 61

2.2 Vật liệu-hóa chất- dụng cụ thiết bị thí nghiệm 61

2.2.1 Vật liệu 61

2.2.2 Hóa chất 61

2.2.3 Dụng cụ và thiết bị thí nghiệm 61

2.3 Nội dung nghiên cứu chính 61

2.3.1 Bố trí thí nghiệm 61

2.3.2 Nhân giống và tăng sinh 62

2.3.3 Khảo sát nồng độ Chlorine tối thiểu có thể tiêt diệt được Achomobacter xylosoxidans 63

Khảo sát nồng độ Chlorine tối thiểu có thể tiêu diệt được 2.3.3.1 Achomobacter xylosoxidans trên môi trường LB 63

Khảo sát nồng độ Chlorine tối thiểu có thể tiêu diệt được 2.3.3.2

Achomobacter xylosoxidans trên môi trường Gitay 64

Khảo sát nồng độ Chlorine tối thiểu có thể tiêu diệt được 2.3.3.3 Achomobacter xylosoxidans trên môi trường Giltay agar 65

2.3.4 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ chlorine đến khả năng phản nitrate của Achromobacter xylosoxidan 66

2.3.5 Kiểm tra khả năng chịu nồng độ muối của Achomobacter xylosoxidan trên môi trường Giltay 67

2.3.6 Khảo sát ảnh hưởng của chlorine và muối đến khả năng phản nitrate của Achomobacter xylosoxidans 68

2.3.7 Khảo sát khả năng xử lý nước thải nồng độ muối và chlorine cao trên mô hình bioreactor quy mô phòng thí nghiệm 68

2.4 Phương pháp phân tích 70

2.4.1 Phương pháp dựng đường chuẩn 70

Phương pháp dựng đường chuẩn nitrate 70

2.4.1.1 Phương pháp dụng đường chuẩn nitrite 71

2.4.1.2 Phương pháp dựng đường chuẩn amoni 72

2.4.1.3 2.4.2 Phương pháp định tính NH4+, NO3-, NO2- 73

Phản ứng định tính amoni (NH4+): 73

2.4.2.1 Phản ứng định tính nitrite (NO2-): 74

2.4.2.2 Phản ứng định tính nitrate (NO3-): 74

2.4.2.3 2.4.3 Phương pháp định lượng 76

Phương pháp định lượng nitrate (Nguyễn Văn Phước, 2005) 76

2.4.3.1 Phương pháp định lượng NO2- 78

2.4.3.2 Phương pháp định lượng NH4+ 78

2.4.3.3 2.4.4 Phương pháp xác định COD 79

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 82

3.1 Khảo sát nồng độ Chlorine tối thiểu có thể tiêt diệt được Achomobacter xylosoxidans 82

3.1.1 Khảo sát nồng độ chlorine tối thiểu có thể tiêu diệt được Achromobacter xylosoxidans trên môi trường LB và Giltay 82

Khảo sát nồng độ chlorine tối thiểu có thể tiêu diệt được 3.1.1.1

Achromobacter xylosoxidans trên môi trường LB 82

Khảo sát nồng độ chlorine tối thiểu có thể tiêu diệt được 3.1.1.2

Achromobacter xylosoxidans trên môi trường Giltay 833.1.2 Khảo sát mật độ Chlorine tối thiểu có thể tiêu diệt được Achromobacter xylosoxidans trên môi trường Giltay agar 843.2 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ chlorine đến khả năng phản nitrate của

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

COD Nhu cầu oxy hóa học (Chemical Oxygen Demand)

DO Oxy hòa tan (Dissolved Oxygen)

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Thành phần tính chất nước xám và nước đen (Almeida và nnk, 2000; Eilersen và nnk, 1999, Henze, 1997;Sunberg, 1995) 12 Bảng 1.2 Thành phần, tính chất và nồng độ các chất trong nước thải sinh hoạt tòa nhà (Trần Ngọc Lân, 2012) 13 Bảng 1.3 Tính chất đặc trưng của nước thải 1 số ngành công nhiệp (Nguyễn Thị Lệ Diệu, 1997) 14 Bảng 1.4 Chất lượng nước thải đầu vào hệ thống xử lý nước thải tập trung khu công nghiệp (Phạm Đình Đôn, 2005) 15 Bảng 1.5 Thành phần nước thải công nghiệp chế biến sữa (Trần Văn Nhân, 1999) 17 Bảng 1.6 Tính chất đặc trưng của nước thải ngành sản xuất Bia (Lương Đức Phẩm, 2005) 18 Bảng 1.7 Thành phần nước thải chế biến thủy sản (Tổng cục môi trường, 2009) 23 Bảng 1.8 Đặc tính nước thải của nhà máy cá khô (Nguyễn Phước Dân, 2008) 25 Bảng 1.9 Thành phần chính trong phân tươi của một số loài vật nuôi (Lê Văn Cát, 11/2007) 33 Bảng 1.10 Mức độ ô nhiễm trung bình và khoảng ô nhiễm trong ao nuôi cá da trơn phụ thuộc vào mùa nuôi (Phạm Đình Đôn, 2014) 34 Bảng 1.11 Mức độ ô nhiễm trong ao nuôi tôm phụ thuộc vào mật độ nuôi (con/m2) (Lê Văn Cát, 11/2007) 34 Bảng 1.12 Tiêu chuẩn về hàm lượng nitrate và nitrite trong nước uống ở một số tổ chức (http://www.genome.jp) 37 Bảng 1.13 Các phương pháp xử lý nitơ trong nước thải 40

Bảng 1.14 Phân loại Achromobacter xylosoxidans 49 Bảng 1.15 Đặc điểm sinh hóa của vi khuẩn Achromobacter xylosoxidans (Nguyễn

Thị Hồng Đào, 2012) 50 Bảng 1.16 Quá trình khử nitrate dị hóa và khử nitrate đồng hóa trong chu trình N của vi khuẩn nhân thực ( Walter G Zumft, 1997) 54

Bảng 1.17 Nồng độ methanol sử dụng để khử nitrate hoặc nitrite hoàn toàn (A)

(Michael H Gerardi, 2002) 58

Bảng 2.1 Cách pha dung dịch chlorine gốc các nồng độ khác nhau 64

Bảng 2.2 Các thông số mô hình bioreactor xây dựng từ thí nghiệm (Huỳnh Văn Thành, 2013) 69

Bảng 2.3 Trình tự tiến hành dựng đường chuẩn nitrate 71

Bảng 2.4 Tiến trình dựng đường chuẩn nitrite 72

Bảng 2.5 Tiến trình dựng đường chuẩn amoni 73

Bảng 2.6 Cường độ màu của NH4+ - NO2- & NO3- với thuốc thử tương ứng trong phản ứng định tính 75

Bảng 2.7 Các bước định lượng nitrate 77

Bảng 2.8 Các bước tiến hành định lượng nitrite 78

Bảng 2.9 các bước tiến hành định lượng NH4+ 79

Bảng 2.10 các bước tiến hành chuẩn bị mẫu COD 80

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Chu trình nitơ (Nguyễn Ngọc Tĩnh) 8

Hình 1.2 Dây chuyền công nghệ hệ thống xử lý nước thải thủy sản (Tổng cục Môi trường,2011) 31

Hình 1.3 Chu trình N thu gọn do vi khuẩn thực hiện (Water G.Zumft, 1997) 43

Hình 1.4 Hình thái khuẩn lạc Pseudomonas stutzeri 45

Hình 1.5 Hình thái tế bào và khuẩn lạc Paracoccus denitrificans 46

Hình 1.6 Hình thái tế bào Thiobacillus denitrificans 48

Hình 1.7 Kết quả giải trình tự 16S rRNA của chủng Achromobacter xylosoxidans (Huỳnh Văn Thành, 2013) 50

Hình 1.8 Kết quả so sánh với Genbank và định danh của chủng Achromobacter xylosoxidans (Huỳnh Văn Thành, 2013) 51

Hình 1.9 Cơ chế quá trình khử nitrate dị hóa (hô hấp kỵ khí) (wikipedia.org) 55

Hình 1.10 Cơ chế quá trình khử nitrate dị hóa amôn hóa (wikipedia.org) 56

Hình 1.11 Cơ chế khử nitrate đồng hóa (wikipedia.org) 57

Hình 2.1 Quy trình tiến hành thí nghiệm 62

Hình 3.1 Mật độ vi khuẩn trong thí nghiệm khảo sát nồng độ chlorine trên môi trường LB 82

Hình 3.2 Mật độ vi khuẩn trong thí nghiệm khảo sát nồng độ chlorine trên môi trường Giltay 83

Hình 3.3 Môi trường Giltay agar không bổ sung chlorine có cấy khuẩn 85

Hình 3.4 Môi trường Giltay agar bổ sung chlorine nồng độ lần lượt là 5 ppm, 10 ppm, 20 ppm có cấy khuẩn 85

Hình 3.5 Môi trường Giltay agar bổ sung chlorine nồng độ lần lượt là 50 ppm, 100 ppm, 200 ppm có cấy khuẩn 86

Hình 3.6 Mật độ vi khuẩn Achromobacter xylosoxidans trong thí nghiệm có các nồng độ muối khác nhau 87

Hình 3.7 Động học chuyển hóa nitrate của vi khuẩn Achromobacter xylosoxidans trong thí nghiệm có các nồng độ chlorine khác nhau 88

Hình 3.8 Động học chuyển hóa nitrite của vi khuẩn Achromobacter xylosoxidans

trong thí nghiệm có các nồng độ chlorine khác nhau 89

Hình 3.9 Động học chuyển hóa amoni của vi khuẩn Achromobacter xylosoxidans

trong thí nghiệm có các nồng độ chlorine khác nhau 89

Hình 3.10 Hiệu suất xử lý COD của vi khuẩn Achromobacter xylosoxidans trong

thí nghiệm có các nồng độ chlorine khác nhau 90

Hình 3.11 Tốc độ chuyển hóa nitơ trung bình của Achromobacter xylosoxidans

trong thí nghiệm có các nồng độ chlorine khác nhau 91

Hình 3.12 Hiệu quả xử lý nitơ trung bình của Achromobacter xylosoxidans trong

thí nghiệm có các nồng độ chlorine khác nhau 92

Hình 3.13 Mật độ vi khuẩn Achromobacter xylosoxidans trong thí nghiệm có các

nồng độ muối khác nhau 93

Hình 3.14 Động học chuyển hóa nitrate của vi khuẩn Achromobacter xylosoxidans

trong thí nghiệm có các nồng độ muối khác nhau 94

Hình 3.15 Động học chuyển hóa nitrite của vi khuẩn Achromobacter xylosoxidans

trong thí nghiệm có các nồng độ muối khác nhau 95

Hình 3.16 Động học chuyển hóa amoni của vi khuẩn Achromobacter xylosoxidans

trong thí nghiệm có các nồng độ muối khác nhau 96

Hình 3.17 Tốc độ chuyển hóa nitơ trung bình của Achromobacter xylosoxidans

trong thí nghiệm có các nồng độ muối khác nhau 96

Hình 3.18 Hiệu quả xử lý nitơ trung bình của Achromobacter xylosoxidans trong

thí nghiệm có các nồng độ muối khác nhau 97

Hình 3.19 Mật độ vi khuẩn Achromobacter xylosoxidans 98 Hình 3.20 Động học chuyển hóa nitrate của vi khuẩn Achromobacter xylosoxidans

Hình 3.23 Hiệu suất xử lý COD của vi khuẩn Achromobacter xylosoxidans 100 Hình 3.24 Tốc độ chuyển hóa nitơ trung bình của Achromobacter xylosoxidans 101 Hình 3.25 Hiệu quả xử lý nitơ trung bình của Achromobacter xylosoxidans 101 Hình 3.26 Động học chuyển hóa nitrate của vi khuẩn Achromobacter xylosoxidans

trên mô hình bioreactor 103

Hình 3.27 Động học chuyển hóa nitrite của vi khuẩn Achromobacter xylosoxidans

trên mô hình bioreactor 104

Hình 3.28 Động học chuyển hóa amoni của vi khuẩn Achromobacter xylosoxidans

trên mô hình bioreactor 104

Hình 3.29 Hiệu suất xử lý COD của vi khuẩn Achromobacter xylosoxidans trên mô

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Thuỷ sản là một trong những ngành sản xuất kinh doanh, một ngành hoạt động kinh tế nằm trong tổng thể kinh tế - xã hội của loài người Thuỷ sản đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp thực phẩm cho nhân loại, không những thế đây còn

là một ngành kinh tế tạo cơ hội công ăn việc làm cho nhiều cộng đồng nhân dân đặc biệt là ở vùng nông thôn và vùng ven biển

Tuy nhiên, ngoài những lợi ích mang lại thì ngành công nghiệp chế biến thủy sản là một trong những ngành gây ô nhiễm nghiêm trọng đến môi trường 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 Với tình trạng ô nhiễm nước thải ngành công nghiệp chế biến thủy sản như trên, xử lý nước thải công nghiệp chế biến thủy sản là một trong những vấn đề cấp bách và cần thiết hiện nay

Nước thải chế biến thủy sản có hàm lượng COD, BOD Để xử lý hoặc loại bỏ các chất ô nhiễm trong nước có thể sử dụng các phương pháp xử lý hóa lý, hóa học… Tuy nhiên hiệu quả xử lý còn hạn chế do lượng nitrate vẫn còn tồn tại trong nước thải sau xử lý rất nhiều

Trong thời gian gần đây, xử lý nước thải có hàm lượng nitơ cao bằng phương pháp sinh học có bổ sung thêm các chủng vi khuẩn, trong đó có chủng vi khuẩn phản nitrate nhằm mục đích xử lý triệt để các hợp chất chứa nitơ thành N2 mà các phương pháp trước đây chưa khắc phục được Đối với các phương pháp xử lý trước đây chủ yếu chỉ loại bỏ COD, BOD Trong khi đó các hợp chất chứa nitơ vẫn chưa

xử lý triệt để còn tồn tại ở dạng NO3-, NO2-

Từ những kết quả nghiên cứu trước đây nhận thấy các vi sinh vật phản nitrate

nói chung và chủng Achromobacter xylosoxidans nói riêng ngoài khả chuyển hóa

các hợp chất nitơ như nitrate, nitrite thành N2, chúng còn có khả năng phát triển trong môi trường nước thải chứa hàm lượng muối lớn

Với mục đích hoàn thiện hướng nghiên cứu của các đề tài về chủng

Achromobacter xylosoxidans trước đó để ứng dụng vi khuẩn vào xử lý nước thải

chế biến thủy sản, được sự cho phép của khoa Công nghệ sinh học - Thực phẩm -

Môi trường, tác giả thực hiện đề tài “Khảo sát ứng dụng chủng vi khuẩn phản

nitrate Achromobacter xylosoxidans trong xử lý nước thải thủy sản nồng độ muối cao”

2 Mục tiêu nghiên cứu

Khảo sát các nồng độ muối và chlorine thích hợp để quá trình xử lý nitrate của

chủng vi khuẩn Achromobacter xylosoxidans trong nước thải thủy sản nồng độ

muối cao diễn ra thuận lợi và đạt hiệu quả cao

Ứng dụng chủng vi khuẩn phản nitrate Achromobacter xylosoxidans vào xử

lý nước thải thủy sản nồng độ muối cao quy mô phòng thí nghiệm

3 Nội dung nghiên cứu

Khảo sát nồng độ Chlorine tối thiểu có thể tiêt diệt được Achromobacter

Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ muối và chlorine đến khả năng phản nitrate

của Achomobacter xylosoxidan

Chạy mô hình MBBR phản nitrate quy mô phòng thí nghiệm

4 Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

 Đối tượng nghiên cứu

Tiến hành nghiên cứu thử nghiệm trên chủng Achromobacter xylosoxidans của

Trung Tâm thí Nghiệm Khoa Công nghệ sinh học-Thực phẩm-Môi trường

 Phương pháp nghiên cứu

 Phương pháp tổng hợp tài liệu:

Nghiên cứu, thu thập tài liệu tham khảo, tài liệu internet liên quan đến đề tài Tổng hợp, lựa chọn các tài liệu thu thập theo mục tiêu đề ra

 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm:

Sử dụng chủng vi khuẩn phản nitrate Khảo sát các điều kiện ảnh hưởng đến

tăng trưởng và khả năng phản nitrate của chủng vi khuẩn Achromobacter

xylosoxidans trong nước thải chế biến thủy sản như nồng độ muối, nồng độ chlorine

thích hợp để đạt hiệu quả xử lý nitrate cao và không tích lũy nitrite cũng như pháp sinh amoni

Dựa trên các thông số thí nghiệm tiến hành chạy mô hình xử lý nước thải chế biến thủy sản nồng độ muối cao quy mô phòng thí nghiệm

 Phương pháp thu thập và xử lý số liệu:

+ Ghi nhận số liệu từ kết quả thí nghiệm khảo sát theo từng thời điểm + Xử lý số liệu bằng phần mềm Microsoft Excel

+ Xử lý thống kê bằng phần mềm Statgraphics Centurion XV Các số liệu được phân tích ANOVA và được trắc nghiệm phân hạng LSD với mức ý nghĩa 0,05

5 Các kết quả đạt được từ đề tài

Tìm ra được nồng độ muối, nồng độ chlorine thích hợp để đưa vi khuẩn

Achromobacter xylosoxidans ứng dụng vào xử lý nước thải thủy sản nồng độ muối

và chlorine cao quy mô phòng thí nghiệm

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

Chu trình nitơ và quá trình chuyển hóa nitơ trong nước thải

1.1

1.1.1 Nitơ và các hợp chất của nitơ

Nitơ là một nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn các nguyên tố có ký hiệu

là N và số nguyên tử bằng 7 Ở điều kiện bình thường nó là một chất khí không màu, không mùi, không vị khá trơ và tồn tại dưới dạng phân tử nitơ, còn gọi là đạm khí Nitơ chiếm khoảng 78% khí quyển trái đất và là thành phần của mọi cơ thể sống Nitơ tạo ra nhiều hợp chất quan trọng như acid amin, acid nucleic, ammoniac, acid citric, cyanua… (Lê Văn Cát, 1999)

Phân tử nitơ trong khí quyển là tương đối trơ, nhưng trong tự nhiên nó bị chuyển hóa rất chậm thành các hợp chất có ích về mặt sinh học và công nghiệp nhờ một số cơ thể sống, chủ yếu là các vi khuẩn Khả năng kết hợp hay cố định nitơ là đặc trưng quan trọng của công nghiệp hóa chất hiện đại, trong đó nitơ được chuyển hóa thành ammoniac, ammoniac có thể được sử dụng trực tiếp chủ yếu làm phân bón hay làm nguyên liệu cho nhiều hóa chất khác

Các muối của acid nitrite bao gồm nhiều hợp chất quan trọng như diêm tiêu, thuốc sung, và nitrate amoni Các hợp chất nitrate hữu cơ khác như TNT Acid citrate được sử dụng làm chất oxi hóa trong tên lửa dùng nhiên liệu lỏng Ammoniac là một hợp chất quan trọng giữa N và H Ammoniac có tính base, trong dung dịch thì nó tạo ra các cation amoni (NH4+) Các chất khác có cấu trúc tương tự

là dinitơ monoxit (N2O), nitơ monoxit (NO) và nitơ dioxit (NO2), các oxit tiêu chuẩn hơn là dinitơ trioxit (N2O3) và dinitơ pentoxit (N2O5), trên thực tế là tương đối không ổn định và là các chất nổ Các acid tương ứng là acid nitơ (HNO2) và acid nitrite (HNO3), với các muối tương ứng được gọi là nitrite và nitrate (Lê Văn Cát, 11/2007)

1.1.2 Quá trình chuyển hóa nitơ trong nước thải

Quá trình chuyển hóa nitơ trong môi trường nước

Quá trình amon hóa các hợp chất hữu cơ chứa nitơ trong nước diễn ra tương đối mạnh mẽ trong cả điều kiện hiếu khí và kỵ khí Trong điều kiện hiếu khí, các hợp chất hữu cơ được chuyển hóa hoàn toàn thành các hợp chất vô cơ, giúp làm sạch môi trường nước Trong điều kiện kỵ khí, các acid amin không được vô cơ hóa hoàn toàn, bên cạnh NH3 và CO2 còn tích lũy nhiều loại hợp chất hữu cơ khác như acid hữu cơ, rượu và các sản phẩm có mùi khó chịu cho nguồn nước Quá trình amon hóa protein giữ vai trò quan trọng trong việc khép kín vòng tuần hoàn nitơ chuyển từ dạng hấp thụ sang muối amon dễ dàng được thực vật sử dụng Nhờ quá trình này mà NH3 luôn luôn được phục hồi, cung cấp cho thực vật thủy sinh

Quá trình tự làm sạch của nguồn nước

1.1.2.2

Khi nguồn nước bị ô nhiễm bởi nước thải sinh hoạt và công nghiệp, sẽ tạo thành một lượng dư chất gây phá vỡ chu trình Sự ô nhiễm quá mức sẽ làm cho nhiều chất hữu cơ trở nên không ổn định, làm cho cơ chế cân bằng của sinh vật, sự cung cấp ôxy diễn ra không bình thường Tuy nhiên, tuỳ thuộc lượng các chất gây

ô nhiễm, lưu lượng nước nguồn, các điều kiện thuỷ động của dòng chảy , những chu trình bình thường sẽ được phục hồi trở lại Sự phục hồi này được gọi là sự tự làm sạch (Trần Mạnh Thắng, n.d.)

Khi sự ô nhiễm diễn ra bởi quá nhiều chất hữu cơ thì sẽ thấy rõ và phân biệt được các vùng ô nhiễm và vùng phục hồi Mỗi vùng được đặc trưng bởi các điều kiện hoá lý, sinh mà có thể quan sát kiểm tra đánh giá được Các vùng đó là: Vùng phân huỷ: Được hình thành ngay sau nguồn nước thải và được biểu hiện bởi

độ đục và màu đen của nước Ở đây sẽ diễn ra sự phân huỷ kỵ khí; sự tiêu thụ ôxy tăng nhanh, xuất hiện CO2 và NH4 Các dạng sinh vật bậc cao, đặc biệt là cá sẽ bị chết hoặc là chúng phải rời đi nơi khác Nấm có thể hình thành và xuất hiện thành khối màu nâu trắng hoặc màu xám như những chiếc đũa nhỏ và chìm xuống; vi khuẩn xuất hiện ít hơn nấm Trong cặn lắng có một loài ấu trùng roi; loài này nuốt cặn và thải cặn ra ở dạng ổn định và lại được các sinh vật khác sử dụng Vùng phân huỷ mạnh: Vùng này thấy rất rõ khi nước bị ô nhiễm nặng và đặc trưng bởi sự vắng mặt ôxy hoà tan, diễn ra sự phân huỷ kỵ khí Do kết quả của sự phân huỷ cặn, các bọt khí và bùn cặn có thể xuất hiện trên mặt nước tạo thành váng màu đen Nước sẽ có màu xám đen và có mùi hôi thối của các hợp chất chứa lưu huỳnh Các vi sinh vật chủ yếu là vi khuẩn kỵ khí, nấm hầu như đã biến mất; các loài động vật bậc cao cũng rất ít, chỉ có một ít loài ấu trùng, côn trùng Vùng phục hồi:

ở vùng này nhiều chất hữu cơ đã lắng đọng xuống ở dạng cặn Cặn bị phân huỷ kỵ khí dưới đáy hoặc trong dòng nước chuyển động Vì nhu cầu tiêu thụ ôxy của nước nhỏ hơn tốc độ làm thoáng bề mặt nên tình trạng được cải thiện, nước được trong hơn Lượng CO2, NH4+ giảm và ôxy hoà tan, NO2-, NO3- tăng lên (Lê Văn Cát, 11/2007)

Vi khuẩn có xu hướng giảm về số lượng vì việc cung cấp thức ăn bị giảm, chúng chủ yếu là loài hiếu khí Nấm xanh, tảo xuất hiện đã sử dụng các hợp chất chứa nitrơ và CO2 rồi giải phóng ôxy giúp cho việc làm thoáng và hoà tan ôxy mạnh mẽ hơn Tiếp theo, nhu cầu tiêu thụ ôxy giảm; các loài khuê tảo cũng ít hơn; xuất hiện các loài nguyên sinh động vật, nhuyễn thể, các thực vật nước; quần thể cá cũng ổn định dần và tìm thức ăn trong vùng này Vùng nước trong: ở đây dòng chảy

đã trở lại trạng thái tự nhiên và có các loài phù du thông thường của nước sạch Do ảnh hưởng của độ phì dưỡng do ô nhiễm trước đây cho nên các loài phù du sẽ xuất

hiện với số lượng lớn Nước trở lại trạng thái cân bằng ôxy - lượng ôxy hoà tan lớn hơn lượng ôxy tiêu thụ - trạng thái ban đầu của nước đã được phục hồi hoàn toàn Trong quá trình phục hồi, coliforms và các sinh vật gây bệnh cũng đã giảm về số lượng vì môi trường không thuận lợi cho chúng và xuất hiện những sinh vật chủ đạo Tuy nhiên một số loài gây bệnh còn tồn tại trong vùng nước trong, do đó có thể nước vẫn còn bị ô nhiễm bởi vi khuẩn gây bệnh và không thể dùng cho ăn uống, sinh hoạt nếu không được xử lý Khả năng tự làm sạch của nước sẽ diễn ra không đạt kết quả khi trong nước thải có chứa các chất độc hại đối với sự sống của các sinh vật; quá trình tự làm sạch của nước chỉ diễn ra khi các chất độc hại trong nước

bị tiêu tan hoặc pha loãng hay lý do nào khác (Nguyễn Phước Dân, 2008)

Có 3 quá trình tự làm sạch trong nước: tự làm sạch vật lý, tự làm sạch hóa học,

tự làm sạch sinh học Quá trình tự làm sạch sinh học xảy ra thường xuyên và mạnh

mẽ nhất quá trình này quyết định mức độ tự làm sạch toàn diện của nước Quá trình

tự làm sạch sinh học xảy ra do động vật, thực vật và vi sinh vật, trong đó vi sinh vật đóng vai trò quan trọng nhất Vi khuẩn đóng vai trò chủ yếu trong quá trình phân hủy các chất hữu cơ Chúng có khả năng phân hủy chất hữu cơ Chúng có khả năng phân hủy chất hữu cơ bất kỳ nào có trong tự nhiên Tuy nhiên, quá trình tự làm sạch nước là có giới hạn, khi số lượng vi sinh vật tăng dần lên trong nước thải thì khả năng tự làm sạch sinh học diễn ra mạnh mẽ, nước dần trở lại trạng thái bình thường,nhưng khi nguồn nước bị ô nhiễm nghiêm trọng và liên tục được thải vào các lưu vực tự nhiên thì sẽ làm thay đổ toàn bộ hệ sinh thái trong nước, hàm lượng chất hữu cơ cao trong nước thải sẽ làm giảm lượng oxy hòa tan, ức chế sự phát triển của vi sinh vật khác trong môi trường nước Vi sinh vật không thể xử lý chất ô nhiễm kịp dẫn đến mất khả năng tự làm sạch Nước dần bị ô nhiễm nặng Vì vậy, cần phải có biện pháp xử lý nước thải ô nhiễm trước khi đưa ra môi trường ngoài

1.1.3 Quá trình khử các hợp chất của nitơ bằng phương pháp sinh học

Chu trình sinh địa hóa nitơ

1.1.3.1

Trong tự nhiên nitơ tồn tại ở nhiều dạng hợp chất hóa học tham gia và chuyển hóa trong nhiều quá trình, quan trọng hơn cả là chuyển hóa giữa các dạng hợp chất

vô cơ và hữu cơ chứa nitơ

Hình 1.1 Chu trình nitơ (Nguyễn Ngọc Tĩnh)

Hợp chất nitơ đơn giản và đầu tiên trong chu trình là nitơ tự do trong không khí, nitơ vô cơ này chuyển hóa thành nitơ hữu cơ nhờ quá trình cố định nitơ của vi sinh vật, thực vật Trong cơ thể sinh vật, nitơ tồn tại chủ yếu dưới dạng các hợp chất đạm hữu cơ như protein, acid amin Khi cơ thể sinh vật chết đi lượng nitơ hữu cơ này tồn tại trong đất Dưới tác dụng của nhóm vi sinh vật hoại sinh thực hiện quá trình amon hóa phân giải thành các acid amin Các acid amin này lại được nhóm vi sinh vật phân giải thành ammoniac Ammoniac tiếp tục được chuyển hóa thành các hợp chất của nitrite, nitrate nhờ nhóm vi sinh vật nitrate hóa Dạng nitrate được chuyển hóa thành nitơ phân tử nhờ quá trình phản nitrate hóa trả lại nitơ tự do cho khí quyển (Lê Văn Cát, 11/2007)

Như vậy, vòng tuần hoàn nitơ được khép kín Trong hầu hết các giai đoạn chuyển hóa của vòng tuần hoàn đều có sự tham gia của các vi sinh vật khác nhau Nếu sự hoạt động của nhóm nào đó ngừng lại, toàn bộ sự chuyển hóa của vòng tuần hoàn sẽ bị ảnh hưởng rất nghiêm trọng (Lê Văn Cát, 1999)

Quá trình amon hóa

1.1.3.2

Quá trình amon hóa là quá trình oxy hóa các hợp chất nitơ hữu cơ như acid amin, protein, ure… thành nitơ vô cơ, CO2 và nước Quá trình amon hóa bao gồm 2 quá trình

 Amon hóa ure

Urea có trong thành phần nước tiểu của người và động vật, chiếm khoảng 22% nước tiểu Trong công thức cấu tạo, ure chứa 46,6% nitơ, vì thế nó là nguồn dinh dưỡng đạm tốt cho cây trồng

Quá trình amon hóa chia làm 2 giai đoạn Đầu tiên, dưới tác dụng của enzyme urease được tạo ra bởi các vi sinh vật, ure sẽ phân hủy tạo thành muối carbonat amoni Sau đó, carbonat amoni được chuyển hóa thành NH3, CO2 và H2O bằng một phản ứng hóa học thông thường

Một số loài vi sinh vật tiết enzyme urease có hoạt tính phân giải cao như

Bacillus amylovorum, planosarcina ureae, Micrococcus ureae… Đa số chúng thuộc

nhóm hiếu khí hoặc kỵ khí không bắt buộc chúng ưa pH trung tính hoặc hơi kiềm

 Amon hóa protein

Protein là thành phần quan trọng của tế bào vi sinh vật khi sinh vật chết đi, protein được tích lũy trong đất Protein chứa 15-17% nitơ nhưng cây trồng không thể hấp thu được trực tiếp mà phải thông qua quá trình amon hóa Quá trình này có thể xảy ra trong điều kiện hiếu khí hoặc kỵ khí nhờ nhóm vi sinh vật phân hủy protein có khả năng tiết ra enzyme protease, enzyme protease sẽ xúc tác quá trình thủy phân liên kết peptide trong phân tử protein, polypeptide tạo sản phẩm là acid amin

Trong điều kiện hiếu khí, các acid amin bị vô cơ hóa tạo ra sản phẩm là ammoniac, carbonic và nước Trong điều kiện kỵ khí lại diễn ra quá trình khử amin tạo nhiều loại hợp chất hữu cơ như acid hữu cơ, rượu và các sản phẩm bốc mùi khó chịu như indol và scatol

Quá trình nitrate hóa

 Giai đoạn nitrite hóa

Là quá trình oxy hóa NH4+ thành NO2- được tiến hành bởi các vi khuẩn nitrate hóa thuộc nhóm tự dưỡng hóa năng, có khả năng oxy hóa NH4+ bằng oxy không khí

và tạo ra năng lượng

Năng lượng dùng để đồng hóa CO2 tạo ra carbon hữu cơ Enzyme xúc tác cho quá trình này là các enzyme của quá trình hô hấp hiếu khí Nhóm vi sinh vật nitrite

hóa bao gồm 4 chi khác nhau: nitrosomonas, nitrozocystis, Nitrozolobus,

Nitrosospira (Lê Văn Cát, 1999; Trần Văn Nhân, 1999)

 Giai đoạn nitrate hóa

NO2- tạo thành tiếp tục được oxy hóa thành NO3- bởi nhóm vi khuẩn nitrate, đây cũng là nhóm vi khuẩn tự dưỡng hóa năng, thực hiện phản ứng oxi hóa nitrite

để cung cấp năng lượng cho quá trình đồng hóa năng lượng CO2

Nhóm vi khuẩn phản nitrate gồm có 3 chi khác nhau: nitrobacter, nitrospira,

Nitrococcus Ngoài nhóm vi khuẩn tự dưỡng hóa năng, trong đất còn có một số loài

vi sinh vật dị dưỡng cũng tiến hành quá trình nitrate hóa

Quá trình phản nitrate hóa

1.1.3.4

Các hợp chất đạm dạng nitrate ở trong đất rất dễ bị khử thành dạng nitơ phân

tử Quá trình này gọi là quá trình phản nitrate hóa được thực hiện trong điều kiện kỵ khí nhờ các vi sinh vật phản nitrate hóa Khi đó, NO3- là chất nhận điện tử cuối cùng trong chuỗi hô hấp kỵ khí và năng lượng tạo thành dùng để tổng hợp nên ATP cho

tế bào Trong môi trường tự nhiên ngoài quá trình phản nitrate sinh học còn có quá

trình phản nitrate hóa học không có sự tham gia của vi sinh vật thường xảy ra ở pH< 5,5

Quá trình cố định nitơ

1.1.3.5

Quá trình cố định nitơ sinh học là một quá trình khử nitơ thành NH3 dưới tác dụng enzyme nitrogenase của vi sinh vật Đây là quá trình quan trọng nhất để chuyển hóa nitơ vô cơ thành hữu cơ

Có 3 nhóm vi sinh vật có khả năng cố định nitơ: nhóm cộng sinh với cây họ đậu, nhóm sống tự do trong đất và nhóm tảo Trong đó, góp phần quan trọng nhất là

nhóm Rhizobium sống cộng sinh với cây họ đậu Cơ chế của quá trình cố định nitơ

cần enzyme nitrogenase của vi sinh vật, leghemoglobin của thực vật và năng lượng

1.2.1 Nước sinh hoạt

Nước thải sinh hoạt là nước thải phát sinh từ các hoạt động sinh hoạt của các cộng đồng dân cư như: khu vực đô thị, trung tâm thương mại, khu vực vui chơi giải trí, cơ quan công sở, …

Thông thường, nước thải sinh hoạt của hộ gia đình được chia làm hai loại chính: nước đen và nước xám Nước đen là nước thải từ nhà vệ sinh, chứa phần lớn các chất ô nhiễm, chủ yếu là: chất hữu cơ, các vi sinh vật gây bệnh và cặn lơ lửng Nước xám là nước phát sinh từ quá trình rửa, tắm, giặt, với thành phần các chất ô

nhiễm không đáng kể Các thành phần ô nhiễm chính đặc trưng thường thấy ở nước thải sinh hoạt là BOD5, COD, Nitơ (N) và Phospho (P) Trong nước thải sinh hoạt, hàm lượng N và P rất lớn, nếu không được loại bỏ thì sẽ làm cho nguồn tiếp nhận nước thải bị phú dưỡng – một hiện tượng thường xảy ra ở nguồn nước có hàm lượng N và P cao Với thành phần ô nhiễm là các tạp chất nhiễm bẩn có tính chất khác nhau, từ các loại chất không tan đến các chất ít tan và cả những hợp chất tan trong nước, việc xử lý nước thải sinh hoạt là loại bỏ các tạp chất đó, làm sạch nước

và có thể đưa nước vào nguồn tiếp nhận hoặc đưa vào tái sử dụng Việc lựa chọn phương pháp xử lý thích hợp thường được căn cứ trên đặc điểm của các loại tạp

chất có trong nước thải (Nguyễn Văn Việt, 2012)

Bảng 1.1 Thành phần tính chất nước xám và nước đen (Almeida và nnk, 2000;

Eilersen và nnk, 1999, Henze, 1997;Sunberg, 1995)

Theo tiêu chuẩn vệ sinh nước ăn uống dựa trên quyết định 1329 của Bộ Y tế, nước sinh hoạt đạt chuẩn ở mức hàm lượng amôn là 1,5mg/l Trên thực tế, kết quả phân tích được đều vượt quá chỉ tiêu cho phép, nhiều nơi cao từ 20 đến 30 lần theo

số liệu điều tra mới đây của bộ Xây dựng cho biết: nước dùng để ăn uống ở các làng que, thị xã, thành phố lấy từ nước giếng khoan đều bị nhiễm nitơ liên kết: nitrate, nitrite, amôn quá cao so với tiêu chuẩn cho phép (Trần Ngọc Lân, 2012)

Bảng 1.2 Thành phần, tính chất và nồng độ các chất trong nước thải sinh hoạt tòa

1.2.2 Nước thải công nghiệp

Nước thải công nghiệp là loại nước thải sau quá trình sản xuất, đặc tính ô nhiễm và nồng độ của nước thải công nghiệp rất khác nhau phụ thuộc vào loại hình công nghiệp và chế độ công nghệ lựa chọn

Bảng 1.3 Tính chất đặc trưng của nước thải 1 số ngành công nhiệp (Nguyễn Thị Lệ

Diệu, 1997)

Các chỉ tiêu Chế biến sữa Sản xuất thịt

hộp

Dệt sợi tổng hợp

Sản xuất clorophenol BOD5(mg/l) 1000 1400 1500 4300

xử lý cục bộ mà chảy chung vào đường cống thoát nước, các loại nước thải này sẽ gây ra hư hỏng đường ống, cống thoát nước Vì vậy, yêu cầu chung đối với các nhà máy, xí nghiệp trong các khu công nghiệp cần phải xây dựng hệ thống xử lý nước thải sơ bộ trước khí xả nước thải vào hệ thống thoát nước chung của khu công nghiệp (Phạm Đình Đôn, 2005)

Thành phần và tính chất, nồng độ của các chất bẩn trong hỗn hợp nước thải được thể hiện cụ thể ở bảng sau:

Bảng 1.4 Chất lượng nước thải đầu vào hệ thống xử lý nước thải tập trung khu

công nghiệp (Phạm Đình Đôn, 2005)

Chế biến thực phẩm thải ra một lượng đáng kể hợp chất chứa nitơ liên quan đến loại thực phẩm chứa nhiều đạm: chế biến thủy hải sản, giết mổ và sản xuất thức

ăn từ các loại thịt, sữa, đậu, nấm

Chế biến thủy sản, giết mổ gia súc gồm các công đoạn sản xuất các sản phẩm đông lạnh, đồ hộp, tỉ lệ các sản phẩm trên phụ thuộc vào nhu cầu của thị trường và trình độ phát triển công nghệ của từng nước Giai đoạn đầu của quá trình chế biến là

vệ sinh, giết mổ loại bỏ các phần thải Các công đoạn kể trên thường được thực hiện trong nước hoặc được rửa bằng nước với lượng khá lớn Nước thải từ khâu giết mổ chứa một lượng protein lớn Hợp chất chứa nitơ nhanh chóng được tiết ra từ các thành phần rắn vào nước với tốc độ phụ thuộc vào mức độ phân tán (kích thước), nhiệt độ môi trường và loại sản phẩm chế biến

Chủng loại và kích thước vật giết mổ gây ra độ ô nhiễm rất khác nhau: chế biến cá thấp hơn so với chế biến tôm đông lạnh, chế biến mực và bạch tuột thải ra nguồn nước có độ ô nhiễm rất cao

Chế biến sữa, bơ, pho mát, chế biến nấm cũng thải ra một lượng nước thải đáng kể chứa nitơ

Quá trình sản xuất một số loại hóa chất, phân bón, sợi tổng hợp thải ra một lượng khá lớn hợp chất hữu cơ chứa nitơ, các hợp chất này dễ bị thủy phân trong môi trường và tạo ra ammoniac

Nước thải công nghiệp chế biến sữa

1.2.2.1

Thành phần gây ô nhiễm chính trong quá trình sản xuất sữa là sữa và các sản phẩm từ sữa (chiếm 90% tải lượng hữu cơ_BOD) Vì vậy, các chỉ số cần quan tâm đối với nước thải sản xuất là BOD, COD, SS và chất béo Sữa tươi nguyên chất có giá trị BOD cao (khoảng 100000 mg/l) Cho nên những dung dịch sữa pha loãng cũng có ảnh hưởng ô nhiễm rõ rệt Những thành phần chính tham gia vào BOD của nước thải chế biến sữa là lactose, bơ sữa, protein và acid lactic

Nước thải chế biến sữa thường có hàm lượng chất hữu cơ hòa tan cao, ít chất

lơ lửng Vì vậy, chúng là nguồn thức ăn cho vi khuẩn và các vi sinh vật, gây nên sự thiếu hụt oxy nghiêm trọng do được vi khuẩn và các vi sinh vật tiêu thụ với tốc độ rật nhanh Ngoài ra nước thải sữa cũng chứa cả Nitơ và Photpho, là thức ăn tốt cho thực vật có thể dẫn đến hiện tượng phú dưỡng hóa nguồn nước

Nhìn chung, nước thải chế biến sữa ban đầu là trung tính hoặc hơi kiềm, nhưng có khuynh hướng trở nên acid hoàn toàn một cách nhanh chóng do sự thiếu hụt của oxy tạo điều kiện lên men của lactose thành acid lactic, khi đó pH giảm và

có khả năng gây ra sự kết tủa casein

Bảng 1.5 Thành phần nước thải công nghiệp chế biến sữa (Trần Văn Nhân, 1999)

Nước thải công nghiệp sản xuất bia

1.2.2.2

Đặc tính nước thải của công nghệ sản xuất bia là chứa hàm lượng chất hữu cơ cao ở trạng thái hòa tan và trạng thái lơ lửng ,trong đó chủ yếu là hydratcacbon, protein và axit hữu cơ Đây là các chất có khả năng phân hủy sinh học cao, Nguyên nhân chính chủ yếu :

 Hàm lượng BOD cao là do: bã nấu, bã hèm, men, hèm lỗng, bia dư rị rỉ vào nước thải

 pH dao động lớn do: cặn xút, axit tháo xả của các hệ thống rửa nồi, máy rửa chai, rửa két, nước tráng, rửa thiết bị, nước rửa vệ sinh sàn nhà, trạm

trình độ quản lý của từng nhà máy Mặt khác, mức độ ô nhiễm ở các loại nước thải của những nhà máy bia cũng khác nhau, ta có thể ước tính trung bình cho các thông

số trên như sau :

 Lượng nước cấp cho 1000 lít bia : 4 - 8 m3

 Nước thải tính từ sản xuất 1000 lít bia : 2.5 - 6 m3

 Tải trọng BOD5 : 3 – 6 kg/1000 lít bia

 Tỷ lệ BOD5 / COD : 0.55 – 0.7

 Hàm lượng các chất gây ô nhiễm trong nước thải bảng sau :

Bảng 1.6 Tính chất đặc trưng của nước thải ngành sản xuất Bia (Lương Đức Phẩm,

 Tính chất và thành phần của nước thải thủy sản

 Tính chất vật lý

Tính chất vật lý của nước thải được xác định dựa trên các chỉ tiêu về màu sắc, mùi, nhiệt độ, lưu lượng…Trong nước thải thường chứa nhiều mảnh vụn thịt và ruột của các loại thủy sản, các mảnh vụn này thường dễ lắng và dễ phân hủy gây nên các

mùi hôi tanh Ngoài ra trong nước thải còn thường xuyên có mặt các loại vảy cá và

mỡ cá Trong nước thải đôi khi còn có chứa các sản phẩm indol và các sản phẩm trung gian của sự phân hủy các acid béo không no, gây nên mùi hôi thối rất khó chịu và đặc trưng Mùi hôi này làm ô nhiễm về mặt cảm quan và ảnh hưởng sức khỏe công nhân trực tiếp làm việc, mùi hôi do các loại khí, sản phẩm của quá trình phân hủy kị khí không hoàn toàn của các hợp chất protid và acid béo khác trong nước thải sinh ra hợp chất mecaptanes, H2S…

+ Hàm lượng chất rắn lơ lửng: các chất rắn lơ lửng trong nước ((total) Suspended Solids- (T) SS-SS) có thể có bản chất là:

 Các chất vô cơ không tan ở dạng huyền phù (phù sa, gỉ sét,…)

 Các chất hữu cơ không tan

 Các vi sinh vật (vi khuẩn, tảo, vi nấm, động vật nguyên sinh…)

Sự có mặt của các chất rắn lơ lửng cản trở hay tiêu tốn thêm nhiều hóa chất trong quá trình xử lý

+ Màu: màu của nước thải là do các chất thải sinh hoạt, công nghiệp, thuốc nhuộm hoặc do các sản phẩm được tạo ra từ các quá trình phân hủy các chất hữu cơ Nước thải mới có màu hơi nâu sáng, tuy nhiên nhìn màu nước thải thường là màu xám có vẩn đục Màu sắc của nước thải bị thay đổi đáng kể nếu như có bị nhiễm khuẩn, khi đó nước thải có màu màu đen Độ màu là một thông số thường mang tính chất cảm quan, có thể được sử dụng để đánh giá trạng thái chung của nước thải

+ Mùi: hợp chất gây mùi đặc trưng nhất là H2S_ mùi trứng thối các hợp chất khác như indol, skatol, cadaverin và cercaptan được tạo thành dưới điề kiện yếm khí có thể gây ra những mùi khó chịu hơn cả H2S

+ Nhiệt độ: nhiệt độ của nước thải cao hơn so với nguồn sạch, bởi vì có sự gia nhiệt vào nước từ các thiết bị công nghiệp

+ Lưu lượng: thể tích thực của nước thải cũng được xem là một trong những đặc tính vật lý của nước thải, vận tốc dòng chảy luôn thay đổi trong ngày

 Tính chất hóa học

Các thông số mô tả tính chất hóa học thường là: số lượng các chất hữu cơ, chất

vô cơ và chất khí Để đơn giản hơn, ta có thể xác định tính chất hóa học của nước thải thông qua các thông số: độ kiềm, BOD, COD, các chất khí hòa tan, các hợp chất nitơ, pH, các chất rắn (hữu cơ, vô cơ, huyền phù…) và nước

+ Độ pH của nước: pH là chỉ số đặc trưng cho nồng độ ion H+ có trong dung dịch, thường được dùng để biểu thị tính acid và tính kiềm của nước

Độ pH của nước liên quan đến dạng tồn tại của kim loại và khí hòa tan trong nước, pH có ảnh hưởng đến hiệu quả tất cả quá trình xử lý nước

Độ pH có ảnh hưởng đến các quá trình trao đổi chất diễn ra bên trong cơ thể sinh vật nước Do vậy rất có ý nghĩa khía cạnh sinh thái môi trường + Độ kiềm: đặc trưng cho khả năng trung hòa acid, thường là độ kiềm bicarbonate Carbonate, hydroxide Độ kiềm thực chất là môi trường đệm (để giữ pH trung tính) của nước thải trong suốt quá trình xử lý sinh hóa + Nhu cầu oxy sinh hóa (Biochemical Oxygen Demand-BOD): dùng để xác định lượng chất bị phân hủy sinh học trong nước thải, là lượng oxy cần thiết để vi sinh vật oxy hóa các chất hữu cơ theo phản ứng:

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

Trong môi trường nước, khi quá trình oxy hóa sinh học xảy ra thì các vi sinh vật sử dụng oxy hòa tan, vì vậy xác định tổng lượng oxy hòa tan cần thiết cho quá trình phân hủy sinh học là phép đo quan trọng đánh giá ảnh hưởng của một dòng thải đối với nguồn nước BOD có ý nghĩa biểu thị lượng các chất thải hữu cơ trong nước có thể bị phân hủy bằng các vi sinh vật BOD thường được xác định sau 5 ngày ở nhiệt độ 200C BOD5 trong nước thải sinh hoạt thường nằm trong khoảng 100-300mg/l (Lê Minh Nguyệt, 2013)

+ Nhu cầu oxy hóa học (Chemical Oxygen Demand-COD): lượng oxy cần thiết để oxy hóa các chất hóa học trong nước bao gồm cả vô cơ và hữu

cơ Như vậy, COD là lượng oxy cần để oxy hóa các chất hóa học trong nước COD là một thông số quan trọng để đánh giá mức độ ô nhiễm chất

hữu cơ nói chung và cùng với thông số BOD, giúp đánh giá phần ô nhiễm không phân hủy sinh học của nước thải từ đó mới có thể lựu chọn phương pháp xử lý thích hợp COD thường nằm trong khoảng 200-500mg/l Tuy nhiên, trong nước thải công nghiệp, nồng độ này có thể gia tăng một cách đáng kể

+ Oxy hòa tan( Dissolved Oxygen-DO): là lượng oxy hòa tan trong nước cần thiết cho sự hô hấp của các sinh vật nước (cá, lưỡng thê, thủy sinh, côn trùng…) thường được tạo ra do sự hòa tan từ khí quyển hoặc do quan hợp của tảo Nồng độ oxy tự do trong nước nằm trong khoảng 8-10 ppm và dao động mạnh phụ thuộc vào nhiệt độ, sự phân hủy hóa chất, sự quan hợp của tảo,… Khi nồng độ DO thấp, các loài sinh vật nước giảm hoạt động hoặc bị chết Do vậy, DO là một chỉ số quan trọng để đánh giá

sự ô nhiễm nước của các thủy vực

+ Các chất khí hòa tan: đây là những khí có thể hòa tan được trong nước thải, nước thải công nghiệp thường có nồng độ oxy tương đối thấp

+ Hợp chất chứa Nitơ: số lượng và các loại hợp chất chứa nitơ sẽ thay đổi trong từng dạng nước thải khác nhau (nước thải chưa xử lý, nước thải sau

xử lý) Nitơ thường đi kèm vòng tuần hoàn oxy hóa và nồng độ của nó sẽ giảm dần Phần lớn nitơ chưa phân hủy Trong nước mặt cũng như nước ngầm nitơ tồn tại ở 3 dạng chính: ion amoni (NH4+), nitrite (NO2-) và nitrate (NO3-) Dưới tác động của nhiều yếu tố hóa lý và do hoạt động của một số sinh vật các dạng nitơ này chuyển hóa lẫn nhau, tích tụ lại trong nước ăn và có độc tính đối với con người Nếu sử dụng nước có

NO2- với hàm lượng vượt mức cho phép kéo dài, trẻ em và phụ nữ mang thai có thể mắc bệnh xanh da vì chất độc này cạnh tranh với hồng cầu để lấy oxy

+ Phospho và các hợp chất chứa phospho: trong các loại nước thải, phospho hiện diện chủ yếu dưới dạng phosphate Các hợp chất phosphate được chia thành phosphate vô cơ và phosphate hữu cơ Phospho là một

chất dinh dưỡng đa dạng cần thiết đối với sự phát triển của sinh vật Việc xác định phospho tổng là một thông số đóng vai trò quan trọng để đảm bảo quá trình phát triển bình thường của các vi sinh vật trong các hệ thống xử lý chất thải bằng phương pháp sinh học Phospho và các hợp chất chứa phospho có liên quan chặt chẽ đến hiện tượng phú dưỡng hóa nguồn nước, do sự có mặt quá nhiều các chất này kích thích sự phát triển mạnh của tảo và vi khuẩn lam

+ Các chất hoạt động bề mặt: là những chất hữu cơ gồm kỵ nước và ưa nước tạo nên sự phân tán của các chất đó trong dầu và nước Nguồn tạo

ra các chất hoạt động bề mặt là do việc sử dụng các chất tẩy rửa trong sinh hoạt và trong một số ngành công nghiệp

 Thành phần nước thải thủy sản

Thể tích và nồng độ của nước thải từ quy trình chế biến thủy sản chủ yếu phụ thuộc vào thành phần của nguyên liệu, chất phụ gia, quá trình xử lý nước và các quá trình đơn vị Thành phần chủ yếu của nước thải chế biến thủy sản là lipid và protein Trong quá trình chế biến thủy sản, sự khác biệt trong nguyên liệu thô và sản phẩm cuối liên quan đến sự khác nhau trong quá trình sản xuất, dẫn đến tiêu thụ nước khác nhau (cá da trơn: 5-7 m3/tấn sản phẩm; tôm đông lạnh: 4-6 m3/tấn sản phẩm; surimi: 20-25 m3/tấn sản phẩm; thuỷ sản đông lạnh hỗn hợp: 4-6 m3/tấn sản phẩm) Mức độ ô nhiễm của nước thải từ quá trình chế biến thuỷ sản thay đổi rất lớn phụ thuộc vào nguyên liệu thô (tôm, cá, cá mực, bạch tuộc, cua, nghiêu, sò), sản phẩm, thay đổi theo mùa vụ, và thậm chí ngay trong ngày làm việc Thành phần nước thải của một số loại hình chế biến thủy sản được trình bày trong Bảng 1.7

Bảng 1.7 Thành phần nước thải chế biến thủy sản (Tổng cục môi trường, 2009)

Tôm lạnh Cá da trơn

(Tra – basa)

Thủy sản đông lạnh hổn hợp

+ Nồng độ muối

Nước thải có độ mặn cao có chứa hàm lượng muối vô cơ cao là chủ yếu được tạo ra từ các ngành công nghiệp như chế biến hải sản, đồ hộp rau, tẩy và chế biến pho mát Trong đó, ngành công nghiệp chế biến thủy sản là một ngành công nghiệp thải ra một khối lượng lớn nước thải có nồng độ hữu cơ, hàm lượng muối và chất dinh dưỡng cao Vì vậy nó gây ô nhiễm nặng cho các vùng nước Hiện nay, các ngành công nghiệp chế biến thủy sản có vai trò quan trọng trong nền kinh tế Đông Nam Á Theo các quy định nghiêm ngặt về môi trường, ngành công nghiệp này hiện đang phải đối mặt với cả chi phí xử lý cao Những vấn đề hoạt động có liên quan

đến chất hữu cơ cao, hàm lượng muối cao và biến động theo mùa rất lớn dẫn đến thay đổi trong chất thải (Nguyễn Phước Dân, 2008)

Độ mặn cao là nguyên nhân gây ra sự thẩm thấu hoặc ức chế các con đường phản ứng trong quá trình thoái hoá hữu cơ Điều này làm giảm đáng kể hiệu quả xử

lý sinh học hoặc phân huỷ sinh học Ngoài ra, hàm lượng muối cao gây ly giải tế bào, làm tăng thải chất rắn Mật độ của động vật nguyên sinh cho keo tụ thích hợp cũng giảm đáng kể ở mức muối cao Ở đây, mặc dù thích nghi muối có thể được dự kiến từ quy trình thông thường, mức độ thích ứng bị hạn chế, và các quá trình như vậy thường không thể được sử dụng để xử lý nước thải có chứa hơn 3% muối (Woolard và Irvine, 1995)

Hiện nay nhiều nhà máy xử lý nước thải mặn có thể giải quyết các vấn đề liên quan đến độ mặn cao bằng cách pha loãng dòng thải nước muối với nước ngọt Tuy nhiên, thực tế điều này là không bền vững, do sức ép liên tục lên các ngành công nghiệp để giảm tiêu thụ nước ngọt (Woolard and Irvine, 1995) Các loại nước thải này thường khó xử lý với cách xử lý thông thường như bùn hoạt tính, lọc nhỏ giọt

và quá trình kỵ khí Ngoài ra, nồng độ muối cao còn tiêu diệt tế bào là nguyên nhân làm tăng chất rắn trong nước thải Quần thể nguyên sinh động vật và sinh vật dạng sợi thích hợp cho việc xử lý keo tụ cũng giám đáng kể khi nước thải có nồng độ muối cao (Burnett, 1974)

Thường các công trình xử lý nước thải sử dụng vi sinh vật, không thể xử lý nguồn nước thải có nồng độ muối cao hơn 3% ( > 30g/l), do đó để xử lý nguồn nước thải có nồng độ muối cao, thường phải pha loãng trước khi đưa vào hệ thống

xử lý (Nguyễn Phước Dân, 2001) nhưng biện pháp này không đem lại hiệu quả về mặt kinh tế Do đó, việc tìm ra chủng VSV có thể chịu được nồng độ muối cao để

xử lý nước thải có chứa nồng độ muối là cần thiết (Nguyễn Phước Dân, 2008)

Bảng 1.8 Đặc tính nước thải của nhà máy cá khô (Nguyễn Phước Dân, 2008)

Bể rửa + ngâm Nước thải tổng hợp

(ngoại trừ nước muối

từ bể ngâm) COD

BOD5

mg/l mg/l

5,250 5,250

+ Chlorine

Hypochlorites là chất khử khuẩn được sử dụng phổ biến nhất các cơ sở y tế Loại hóa chất này tồn tại ở hai dạng: dạng lỏng (sodium hypochlorite hay Javel) hoặc dạng rắn (calcium hypochlorites, sodium dichloroisocyanurate)

Các chất khử chuẩn chlorine có phổ kháng rộng, diệt khuẩn nhanh, giá thành thấp Hợp chất chlorine làm ức chế phản ứng tạo ra enzyme cần thiết tham gia vào

quá trình chuyển hóa trong tế bào vi khuẩn Làm thay đổi bản chất protein và bất hoạt các acid nucleic của vi khuẩn

Chlorine là một dạng chất khử trùng được sử dụng phổ biến trong các nhà máy chế biến thủy sản, lượng nước chlorine sau khi sử dụng sẽ được thải bỏ chung với các nguồn nước thải khác về bể chứa nước thải, do vậy trong nước thải chế biến thủy sản sẽ có lượng chlorine nhất định Chlorine bản chất là một chất khử trùng nên nồng độ chlorine trong nước thải ít nhiều sẽ ảnh hưởng đến khả năng sinh trưởng và khả năng xử lý nước thải của vi sinh vật

 Tác động của ngành thủy sản đối với môi trường

Trong thời gian qua, các hoạt động trong nuôi trồng và chế thủy sản ở ĐBSCL

đã phát sinh các nguồn chất thải rắn, chất thải lỏng, khí thải gây ô nhiễm môi trường với các nguồn thải chính bao gồm:

Bùn thải trong quá trình nuôi trồng thủy sản (nuôi tôm công nghiệp, nuôi tôm thâm canh, nuôi cá tra công nghiệp, nuôi cá trê) chứa các nguồn thức ăn dư thừa thối rữa bị phân hủy, các hóa chất và thuốc kháng sinh, các loại khoáng chất Diatomit, Dolomit, lưu huỳnh lắng đọng, các chất độc hại có trong đất phèn Fe2+, Fe3+, Al3+ , SO42- Lớp bùn này có chiều dày từ 0,1-0,3m trong tình trạng ngập nước yếm khí tạo thành các sản phẩm phân hủy độc hại như H2S, NH3, CH4, Mecaptan…thải ra trong quá trình vệ sinh và nạo vét ao nuôi tác động xấu đến môi trường xung quanh, ảnh hưởng đến chất lượng thủy sản nuôi trồng Thành phần bùn thải nuôi tôm công nghiệp có chứa khoảng 29,5%, Si 27.842mg/kg, Ca 13.256 mg/kg, K 5.642 mg/kg, Fe 11.210 mg/kg, H2S 8,3mg/kg, N-NH3 36,1mg/kg, N-

NO3- 0,3mg/kg, N-NO2 0,1mg/kg, PO4 1,8mg/kg, bùn thải đáy ao nuôi cá tra có thành phần pH 4,37-5,39, TOC 1,56-1,89%, tích tụ khoảng 24% nitơ và 24% phốt pho, trong bùn đáy ao nuôi tổng N 0,131-0,186%, tổng P 0,124-0,181%… là nguồn gây ô nhiễm môi trường khá nghiêm trọng cần phải được xử lý triệt để nhằm phát triển bền vững nghề nuôi trồng thủy sản ở ĐBSCL

Bên cạnh đó, nước thải nuôi trồng thủy sản cũng chứa các thành phần độc hại

có thể gây ô nhiễm môi trường cần được xử lý Nước thải nuôi tôm công nghiệp có

hàm lượng các chất hữu cơ cao (BOD5 12 - 35mg/l, COD 20 - 50mg/l), các chất dinh dưỡng (photpho, nitơ), chất rắn lơ lửng (12 - 70mg/l), ammoniac (0,5 - 1mg/l), coliforms (2,5.102 -3.104 MNP/100ml) Nước thải nuôi cá trê lai có thành phần BOD5 56mg/l, COD 118mg/l, tổng N 11,50 mg/l, tổng P 5,02 mg/l Nước thải nuôi

cá tra có thành phần BOD5 50mg/l, COD 112mg/l, tổng N 4,81 mg/l, tổng P 2,17 mg/l Nguồn nước thải nuôi trồng thủy sản trong một vụ nuôi (nuôi tôm thường 2 vụ/năm, nuôi cá 1 vụ/năm) có thể đạt đến 15.000 - 25.000 m3/ha tùy thuộc vào quy trình nuôi các loại thủy sản có chứa nhiều thành phần độc hại và các nguồn dịch bệnh phải được xử lý triệt để trước khi thải ra nguồn tiếp nhận

Nước thải trong ngành chế biến thủy sản là nguồn nước thải từ nước rửa nguyên liệu, sơ chế nguyên liệu, chế biến sản phẩm, các nguồn nước vệ sinh nhà xưởng sản xuất, nước rửa máy móc thiết bị, dụng cụ sản xuất trong các phân xưởng nhà máy chế biến thủy sản với thành phần như sau: BOD5 khoảng 800 - 2.000mg/l,

có lúc đạt đến 4.500mg/l COD khoảng 1.000 - 2.500mg/l, có lúc đạt đến 5.000mg/l, chất rắn lơ lửng (SS) khoảng 300 - 600mg/l, nitơ tổng số (Nt) khoảng

100 - 150mg/l, photpho tổng số (Pt) khoảng 20-50mg/l, đặc biệt vi sinh Coliforms thường lớn hơn 1.105 MPN/100ml, với lưu lượng khoảng 20 - 35 m3/tấn sản phẩm, đây là nguồn gây ô nhiễm môi trường rất nghiêm trọng cần phải được xử lý đáp ứng quy chuẩn môi trường quy định

Nguồn khí thải từ các hệ thống lò hơi, máy phát điện, lò sấy… chứa các thành phần độc hại CO, CO2, NO2, SO2, với lưu lượng, thành phần thải khác nhau, cần được quản lý chặt chẽ và được xử lý tại nguồn đáp ứng quy chuẩn môi trường quy định trước khi thải ra môi trường Bên cạnh đó, trong sản xuất chế biến thủy sản còn tạo ra mùi hôi do phân hủy chất hữu cơ như H2S, NH3, CH3SH (Methyl mercaptan), dung môi hữu cơ bay hơi, chất khử trùng phát sinh trong các công đoạn sản xuất chế biến thủy sản

Các hoạt động nuôi trồng và chế thủy sản phát sinh các nguồn thải gây ô nhiễm môi trường