Nghiên cứu xử lý nước thải từ công nghệ sản xuất chitin cải tiến bằng phương pháp sinh học có thu hồi protein

i


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG




PHẠM ĐÌNH HẢI



NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI TỪ CƠNG NGHỆ SẢN
XUẤT CHITIN CẢI TIẾN BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC
CĨ THU HỒI PROTEIN



LUẬN VĂN THẠC SĨ




Nha Trang – 2011
ii


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

PHẠM ĐÌNH HẢI



NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI TỪ CÔNG NGHỆ SẢN
XUẤT CHITIN CẢI TIẾN BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC
CÓ THU HỒI PROTEIN

Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ SAU THU HOẠCH
Mã số: 605410

LUẬN VĂN THẠC SĨ

PGS. TS. TRANG SĨ TRUNG
TS. LÊ HOÀNG NGHIÊM


Nha Trang - 2011
iii

LỜI CAM KẾT
Luận văn Thạc sỹ khoa học này được tác giả thực hiện dưới sự hướng dẫn
khoa học của PGS.TS. Trang Sĩ Trung, Trường Đại học Nha Trang; TS. Lê Hoàng
Nghiêm, Trường Đại học Bách khoa Tp. Hồ Chí Minh.
Những kết quả thực nghiệm mà tôi trình bày trong luận văn Thạc sỹ khoa
học này là do tôi tự nghiên cứu và hoàn toàn mới, chưa được ai công bố chính thức.
Tôi xin cam đoan đây là sự thật và hoàn toàn chịu trách nhiệm với những kết quả
mình đã công bố.

Nha Trang, ngày 25 tháng 12 năm 2011
Tác giả thực hiện
Phạm Đình Hải










iv

LỜI CẢM ƠN
Xin kính gửi lời cảm ơn đến Ban Giám Hiệu Trường Đại học Nha Trang,
Ban Chủ nhiệm Khoa Chế biến, Khoa Sau đại học các thầy cô giáo cùng các anh
chị công tác tại Bộ môn Hóa sinh – Vi sinh, Phòng Thí nghiệm khoa Chế biến, viện
Công nghệ sinh học và Môi trường, trường Đại học Nha Trang, Cơ sở Chế biến phế
liệu hải sản Suối Tân, Cam Lâm, Khánh Hòa.
Đặc biệt tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:
- PGS.TS Trang Sĩ Trung, đã tận tình giúp đỡ và hướng dẫn tôi trong suốt quá
trình thực hiện đề tài.
- TS. Lê Hoàng Nghiêm, Trường Đại học Bách khoa Tp. Hồ Chí Minh, đã
nhiệt tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài.
- ThS. Nguyễn Công Minh, Bộ môn Hóa - vi sinh - Khoa Chế biến - Trường
Đại học Nha Trang đã trợ giúp tôi trong việc thực hiện các phép phân tích và xử lý
kết quả.

- Ba mẹ, các anh chị và vợ, con đã luôn động viên, không ngừng ủng hộ tôi.
- Cùng các bạn hữu, đồng nghiệp đã tận tình giúp đỡ và cùng tôi chia sẻ những
khó khăn để hoàn thành luận văn này.







v

MỤC LỤC
LỜI CAM KẾT i
LỜI CẢM ƠN iv
DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT viii
DANH MỤC BẢNG ix
DANH MỤC HÌNH x
MỞ ĐẦU 1
1. Tính cấp thiết của đề tài 1
2. Mục tiêu đề tài 1
3. Nội dung đề tài 1
4. Ý nghĩa khoa học của đề tài 2
5. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài 2
Chương 1 3
TỔNG QUAN 3
1.1. CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CHITIN TỪ PHẾ LIỆU TÔM 3
1.1.1. Giới thiệu chung 3
1.2.2. Giới thiệu quy trình sản xuất chitin 3
1.2. LƯỢNG NƯỚC THẢI VÀ CÁC THÀNH PHẦN NƯỚC THẢI SẢN XUẤT CHITIN 5

1.2.1. Nuớc thải sản xuất chitin 5
1.2.2. Các thành phần nước thải chitin. 5
1.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP THU HỒI PROTEIN HÒA TAN TRONG DUNG DỊCH 8
1.3.1. Kết tủa bằng muối 8
1.3.2. Kết tủa pH đẳng điện 9
1.3.3. Kết tủa bằng nhiệt độ 9
1.3.5. Kết tủa bằng polyme 10
1.4. TỔNG QUAN XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC 11
1.4.1. Cơ sở lý thuyết của quá trình. 11
1.4.2. Phương pháp kỵ khí. 12
1.4.3. Phương pháp hiếu khí 12
1.4.4. Khử Nitơ bằng phương pháp Nitrat hóa và khử Nitrat. 13
1.4.4.2. Quá trình nitrat hóa 15
vi

1.4.5. Khử phospho trong nước thải 20
1.5. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MBBR 22
1.5.1. Giới thiệu chung 22
1.5.2. Giá thể động 23
1.5.3. Lớp màng biofilm 24
1.5.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý bằng công nghệ MBBR 26
1.5.5. Ưu điểm và nhược điểm của công nghệ MBBR 28
1.6. TỔNG QUAN XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG BỂ ĐẤT NGẬP NƯỚC KIẾN TẠO 29
1.6.1. Khái niệm đất ngập nước kiến tạo 30
1.6.2. Phân loại 30
1.6.3. Thực vật được sử dụng trong hệ thống đất ngập nước kiến tạo 30
1.6.4. Khả năng làm sạch nước của đất ngập nước kiến tạo 32
1.7. NHỮNG NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI THỦY SẢN VÀ NƯỚC THẢI TỪ
CỘNG NGHỆ SẢN XUẤT CHITIN 32
Chương 2 35

ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 35
2.1. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 35
2.1.1. Nước thải đầu vào 35
2.1.2. Bùn hoạt tính sử dụng trong nghiên cứu 35
2.1.3. Hóa chất sử dụng 35
2.1.4. Giá thể động 35
2.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 35
2.2.1. Thu mẫu và xử lý mẫu 35
2.2.2. Phương pháp điều chỉnh pH 35
2.2.3. Sơ đồ bố trí thí nghiệm tổng quát 35
2.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI 48
2.4. PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ SỐ LIỆU 48
Chương 3 49
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 49
3.1. THU HỒI PROTEIN TỪ NƯỚC THẢI CHITIN 49
3.1.1. Tối ưu hóa quá trình thu hồi protein từ dịch ép đầu tôm 49
vii

3.1.2. Tối ưu hóa quá trình thu hồi protein từ dịch xử lý enzyme 57
3.1.3. Tối ưu hóa quá trình thu hồi protein từ dịch xử lý NaOH 65
3.1.4. Đánh giá chất lượng protein thu hồi 72
3.1.5. Đánh giá hiệu quả về mặt môi trường của nước thải sản suất chitin sau khi thu hồi
protein 72
3.2. THÍ NGHIỆM NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI TỪ QUY TRÌNH SẢN XUẤT
CHITIN 73
3.2.1. Thí nghiệm thích nghi và tạo màng biofilm trên giá thể 73
3.2.2. Thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng hữu cơ đến hiệu quả xử lý COD,
BOD
5
và sự chuyển hóa nitơ của mô hình MBBR kỵ khí 80

3.2.3. Thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng hữu cơ đến hiệu quả xử lý COD,
BOD
5
và hiệu quả xử lý nitơ của bể kỵ khí nối tiếp hiếu khí 89
3.2.4. Thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng hữu cơ đến hiệu quả xử lý COD,
BOD
5
và sự chuyển hóa nitơ của bể đất ngập nước kiến tạo trồng sậy 94
3.2.5. Đánh giá các chỉ tiêu môi trường của nước thải sản xuất chitin sau khi xử lý 97
3.3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI VỚI CÔNG SUẤT 50m
3
/NGÀY 99
3.3.1. Quy trình xử lý nước thải sản xuất chitin theo phương pháp sinh học 99
3.3.2. Thiết minh quy trình xử lý nước thải sản xuất chitin theo phương pháp sinh học 99
Chương 4 103
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 103
4.1. KẾT LUẬN. 103
4.2. KIẾN NGHỊ 103
TÀI LIỆU THAM KHẢO 104
PHỤ LỤC 110







viii

DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT

BOD Biological oxygen demand – Nhu cầu oxy sinh hóa
BTNMT Bộ Tài nguyên Môi trường
COD Chemical oxygen demand – Nhu cầu oxy hóa học
DO Dissolved oxygen – Nồng độ oxy hòa tan
E/W Tỷ lệ enzyme với phế liệu tôm
F/M Food/Microorganism – Tỷ lệ chất hữu cơ/lượng vi sinh vật
HTR Hydrolic time retention – Thời gian lưu nước
OLR Organic loading rate – Tải trọng chất hữu cơ
MBBR Moving bed biofilm reactor – Bể phản ứng màng sinh học dính bám
trên giá thể lơ lửng
PAOs Vi sinh vật tích lũy phosphate
QCVN Quy chuẩn Việt Nam
SRT Sludge retention time – Thời gian lưu bùn
TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam
TN Tổng Nitơ
TP Tổng Phospho
TS Tổng rắn lơ lửng
VFAs Axit béo dễ bay hơi

ix

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1. Định mức hóa chất và lượng nước tiêu thụ trong công nghệ sản xuất chitin, tính
cho một tấn nguyên liệu 6
Bảng 1.2. Thành phần và tính chất nước thải sản xuất chitin 7
Bảng 1.3. Các phản ứng chuyển hóa sinh học của Nitơ trong nước 13
Bảng 1.4. Thông số các loại giá thể 24
Bảng 2.1. Qui hoạch thực nghiệm hiệu suất thu hồi protein dịch đầu tôm 37
Bảng 2.2. Qui hoạch thực nghiệm hiệu suất thu hồi protein dịch xử lý enzyme 38
Bảng 2.3. Qui hoạch thực nghiệm hiệu suất thu hồi protein dịch xử lý NaOH 39
Bảng 2.4. Tóm tắt thông số thiết kế của mô hình kỵ khí và hiếu khí 43
Bảng 2.6. Các chỉ tiêu và phương pháp phân tích 48
Bảng 3.1. Các nhân tố và khoảng biến thiên của quy hoạch thực nghiệm 52
Bảng 3.2. Các kết quả thí nghiệm của quy hoạch thực nghiệm 54
Bảng 3.3. Các nhân tố và giá trị của quy hoạch thực nghiệm 60
Bảng 3.4a. Các kết quả của thí nghiệm quy hoạch thực nghiệm 61
Bảng 3.5. Các nhân tố và giá trị của quy hoạch thực nghiệm 68
Bảng 3.6. Các kết quả của thí nghiệm quy hoạch thực nghiệm 68
Bảng 3.7. Các chỉ tiêu lý hóa của hổn hợp protein thu hồi 72
Bảng 3.8. Các chỉ tiêu môi trường nước thải trước và sau khi thu hồi protein 73
Bảng 3.9. So sánh hiệu quả xử lý COD, BOD
5
và TN ở các mức tải trọng 88
Bảng 3.10. So sánh các chỉ tiêu của nước thải chitin đã xử lý với giá trị tới hạn loại B của
QCVN 11/2008 và QCVN 24/2009 của BTNMT 98

x


DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1. Mô hình tương tác trái dấu của chất phân tử 10
Hình 1.2. Ảnh hưởng tỉ số BOD : N và thời gian lưu bùn đối với tỉ lệ loại bỏ nitơ 18
Hình 1.3. Các loại giá thể Kaldnes 24
Hình 1.4. Lớp biofilm dính bám trên bề mặt giá thể 27
Hình 1.5. Sơ đồ đất ngập nước kiến tạo chảy ngầm theo chiều ngang 31
Hình 1.6. Sơ đồ đất ngập nước kiến tạo chảy ngầm theo chiều đứng 31
Hình 2.1. Mô hình kỵ khí 41
Hình 2.2. Mô hình hiếu khí 42
Hình 2.3. Mô hình kỵ khí nối tiếp hiếu khí 46
Hình 2.4. Mô hình MBBR kỵ khí nối tiếp hiếu khí và bể đất ngập nước kiến tạo 47
Hình 3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất thu hồi protein 49
Hình 3.2. Ảnh hưởng của thời gian đun đến hiệu suất thu hồi protein 50
Hình 3.3. Ảnh hưởng của nồng độ chitosan đến hiệu suất thu hồi protein 50
Hình 3.4. Ảnh hưởng của nồng độ CaCl
2
đến hiệu suất thu hồi protein 51
Hình 3.4.a
1
. Bề mặt đáp ứng của hàm hiệu suất thu hồi protein ở nồng độ CaCl
2
là 50 ppm
với nồng độ chitosan và nhiệt độ ở dạng 3D 53
Hình 3.4.a
2
. Bề mặt đáp ứng của hàm hiệu suất thu hồi protein ở nồng độ CaCl

2
là 50 ppm
với nồng độ chitosan và nhiệt độ ở dạng mặt phẳng 53
Hình 3.4.b
1
. Bề mặt đáp ứng của hàm hiệu suất thu hồi protein ở nồng độ chitosan là 100
ppm với nồng độ CaCl
2
và nhiệt độ ở dạng 3D 55
Hình 3.4.b
2
. Bề mặt đáp ứng của hàm hiệu suất thu hồi protein ở nồng độ chitosan là 100
ppm với nồng độ CaCl
2
và nhiệt độ ở dạng mặt phẳng 55
xi

Hình 3.4.c
1
. Bề mặt đáp ứng của hàm hiệu suất thu hồi protein ở nhiệt độ là 80
0
C với
nồng độ CaCl
2
và nồng độ chitosan ở dạng 3D 56
Hình 3.4.c
2
. Bề mặt đáp ứng của hàm hiệu suất thu hồi protein ở nhiệt độ là 80
0
C với

nồng độ CaCl
2
và nồng độ chitosan ở mặt phẳng 56
Hình 3.5. Ảnh hưởng của pH đến hiệu xuất thu hồi protein của dịch xử lý enzyme 57
Hình 3.6. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất thu hồi protein 58
Hình 3.7. Ảnh hưởng của nồng độ chitosan đến hiệu suất thu hồi protein 59
Hình 3.8. Ảnh hưởng của nồng độ CaCl
2
đến hiệu suất thu hồi protein 59
Hình 3.8.a
1
Bề mặt đáp ứng của hàm hiệu suất thu hồi protein ở nồng độ CaCl
2
là 8 ppm
với nồng độ chitosan và pH ở dạng 3D 62
Hình 3.8.a
2
Bề mặt đáp ứng của hàm hiệu suất thu hồi protein ở nồng độ CaCl
2
là 8 ppm
với nồng độ chitosan và pH ở dạng mặt phẳng 62
Hình 3.8.b
1
. Bề mặt đáp ứng của hàm hiệu suất thu hồi protein ở nồng độ chitosan là 50
ppm với nồng độ CaCl
2
và nhiệt độ ở dạng 3D 63
Hình 3.8.b
2
. Bề mặt đáp ứng của hàm hiệu suất thu hồi protein ở nồng độ chitosan là 50

ppm với nồng độ CaCl
2
và pH ở dạng mặt phẳng. 63
Hình 3.8.c
1
. Bề mặt đáp ứng của hàm hiệu suất thu hồi protein ở pH = 4.5 với nồng độ
CaCl
2
và nồng độ chitosan ở dạng 3D 64
Hình 3.8.c
2
. Bề mặt đáp ứng của hàm hiệu suất thu hồi protein ở pH = 4.5 với nồng độ
CaCl
2
và nồng độ chitosan ở dạng mặt phẳng 64
Hình 3.9. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất thu hồi protein của dịch xử lý NaOH 65
Hình 3.10. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất thu hồi protein 66
Hình 3.11. Ảnh hưởng của nồng độ chitosan đến hiệu suất thu hồi protein 66
Hình 3.12. Ảnh hưởng của nồng độ CaCl
2
đến hiệu suất thu hồi protein 67
Hình 3.12.a
1
Bề mặt đáp ứng của hàm hiệu suất thu hồi protein ở nồng độ CaCl
2
là 4 ppm
với nồng độ chitosan và pH ở dạng 3D 69
xii

Hình 3.8.a

2
Bề mặt đáp ứng của hàm hiệu suất thu hồi protein ở nồng độ CaCl
2
là 8 ppm
với nồng độ chitosan và pH ở dạng mặt phẳng 69
Hình 3.12.b
1
Bề mặt đáp ứng của hàm hiệu suất thu hồi protein ở nồng độ chitosan là 50
ppm với nồng độ CaCl
2
và pH ở dạng 3D 70
Hình 3.12.b
2
Bề mặt đáp ứng của hàm hiệu suất thu hồi protein ở nồng độ chitosan là 50
ppm với nồng độ CaCl
2
và pH ở dạng mặt phẳng 70
Hình 3.12.c
1
Bề mặt đáp ứng của hàm hiệu suất thu hồi protein ở pH = 8.5 với nồng độ
CaCl
2
và chitosan ở dạng 3D 71
Hình 3.12.c
2
Bề mặt đáp ứng của hàm hiệu suất thu hồi protein ở pH = 8.5 với nồng độ
CaCl
2
và chitosan ở dạng mặt phẳng 71
Hình 3.13. Màng biofilm kỵ khí bám dính vào giá thể các ngày 74

Hình 3.15. Biến thiên nồng độ TS trên giá thể kỵ khí 75
Hình 3.14. Biến thiên nồng độ COD và hiệu quả xử lý ở giai đoạn thích nghi của mô hình
kỵ khí 76
Hình 3.18. Biến thiên nồng độ COD và hiệu quả xử lý ở giai đoạn thích nghi của mô hình
hiếu khí 78
Hình 3.16. Màng biofilm hiếu khí bám dính vào giá thể các ngày thứ 79
Hình 3.17. Biến thiên nồng độ TS trên giá thể giai đoạn thích nghi ở mô hình hiếu khí .79
Hình 3.19. Biến thiên nồng độ COD và hiệu quả xử lý, OLR = 3kgCOD/m
3
.ngày 80
Hình 3.20. Biến thiên nồng độ BOD
5
và hiệu quả xử lý, OLR = 3kgCOD/m
3
.ngày 81
Hình 3.21. Biến thiên nồng độ TN và hiệu quả xử lý, OLR = 3kgCOD/m
3
.ngày 81
Hình 3.22. Biến thiên nồng độ COD và hiệu quả xử lý, OLR = 5kgCOD/m
3
.ngày 82
Hình 3.23. Biến thiên nồng độ BOD
5
và hiệu quả xử lý, OLR = 5kgCOD/m
3
.ngày 83
Hình 3.24. Biến thiên nồng độ TN và hiệu quả xử lý, OLR = 5kgCOD/m
3
.ngày 83
Hình 3.25. Biến thiên nồng độ COD và hiệu quả xử lý, OLR = 7kgCOD/m

3
.ngày 84
Hình 3.26. Biến thiên nồng độ BOD
5
và hiệu quả xử lý, OLR = 7kgCOD/m
3
.ngày 85
xiii

Hình 3.27. Biến thiên nồng độ TN và hiệu quả xử lý, OLR = 7kgCOD/m
3
.ngày 85
Hình 3.28. Biến thiên nồng độ COD và hiệu quả xử lý, OLR = 9kgCOD/m
3
.ngày 86
Hình 3.29. Biến thiên nồng độ BOD
5
và hiệu quả xử lý, OLR = 9kgCOD/m
3
.ngày 87
Hình 3.30. Biến thiên nồng độ TN và hiệu quả xử lý, OLR = 9kgCOD/m
3
.ngày 87
Hình 3.31. Biến thiên nồng độ COD và hiệu quả xử lý, HTR = 24 giờ 89
Hình 3.32. Biến thiên nồng độ BOD
5
và hiệu quả xử lý, HTR = 24 giờ 90
Hình 3.33. Biến thiên nồng độ TN và hiệu quả xử lý, HTR = 24 giờ 91
Hình 3.34. Biến thiên nồng độ COD và hiệu quả xử lý, HTR = 22giờ 91
Hình 3.35. Biến thiên nồng độ BOD

5
và hiệu quả xử lý, HTR = 22 92
Hình 3.36. Biến thiên nồng độ TN và hiệu quả xử lý, HTR = 22 giờ 92
Hình 3.37. Biến thiên nồng độ COD và hiệu quả xử lý, HTR = 20 giờ 93
Hình 3.38. Biến thiên nồng độ BOD
5
và hiệu quả xử lý, HTR = 20 giờ 94
Hình 3.39. Biến thiên nồng độ TN và hiệu quả xử lý, HTR = 20 giờ 94
Hình 3.40. Bể sậy mới trồng 95
Hình 3.41. bể sậy được 30 ngày tuổi 95
Hình 3.42. bể sậy được 45 ngày tuổi 95
Hình 3.43. Biến thiên nồng độ COD và hiệu quả xử lý ở bể đất ngập nước trồng sậy 96
Hình 3.44. Biến thiên nồng độ BOD
5
và hiệu quả xử lý ở bể đất ngập nước trồng sậy 96
Hình 3.45. Biến thiên nồng độ TN và hiệu quả xử lý ở đất ngập nước trồng bể sậy 97
Hình 3.46 Sơ đồ công nghệ xử lý nước thải chitin công suất 50m
3
/ngày 99
1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Tôm là mặt hang chủ lực chiếm tới gần 25% tổng kim ngạch xuất khẩu thủy sản của Việt
Nam. Hiện các sản phẩm chế biến từ tôm Việt Nam xuất khẩu ra nước ngoài đều ở dạng bán
thành phẩm như tôm bóc vỏ, bỏ đầu. Do vậy, công nghệ chế biến tôm ở Việt Nam đang hàng
ngày hàng giờ thải ra một lượng lớn phế liệu đầu vỏ tôm – đây chính là nguồn nguyên liệu
quan trọng cho quá trình sản xuất chitin, chitosan.
Các quy trình sản xuất chitin hiện nay chưa áp dụng quy trình sản xuất sạch hơn nghĩa là
chưa giảm thiểu ô nhiễm tại nguồn thông qua việc sử dụng nguyên nhiên vật liệu có hiệu quả

hơn, cụ thể chưa tận thu được các thành phần quan trọng trong phế liệu của tôm như protein,
astaxanthin,… nếu không được tận dụng có hiệu quả sẽ gây ô nhiễm môi trường. Hơn nữa là
ngành sản xuất chitin đang đứng trước nguy cơ là không thể tiếp tục sản xuất vì phát thải một
lượng lớn nước thải ra môi trường mà không thể xử lý được.
Tại Việt Nam, công nghệ xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học được biết đến như là
một công nghệ tiết kiệm năng lượng, cộng thêm đặc điểm về chi phí thấp và không cần kỹ
năng vận hành cao, biến nó trở thành công nghệ khả thi cho xử lý nước thải tải trọng hữu cơ
cao. Tuy nhiên, cho đến nay, xét về phạm vi áp dụng trong xử lý nước thải thủy sản nói chung
và xử lý nước thải trong quy trình sản xuất chitin nói riêng, không có nhiều nhà máy xử lý
nước thải xử dụng phương pháp này do thiếu kinh nghiệm trong vận hành và quản lý.
Dựa trên những phân tích đã trình bày, đề tài “Nghiên cứu xử lý nước thải từ công
nghệ sản xuất chitin cải tiến bằng phương pháp sinh học có thu hồi protein” là một hướng
nghiên cứu cần thiết. Thành công của đề tài sẽ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường do công
nghệ sản xuất chitin – chitosan gây ra. Hơn nữa hướng nghiên cứu còn giúp giảm chi phí
trong quá trình sản xuất và góp phần nâng cao hiệu quả của phế liệu.
2. Mục tiêu đề tài
Nghiên cứu quy trình xử lý nước thải từ công nghệ sản xuất chitin đạt quy chuẩn Việt
Nam
3. Nội dung đề tài
a. Nghiên cứu quy trình thu hồi protein trong công nghệ sản xuất chitin cải tiến.
2

b. Nghiên cứu hệ thống mô hình kết hợp xử lý lọc sinh học kỵ khí và hiếu khí xử lý nước
thải sản xuất chitin đạt QCVN 24:2009/BTNMT (Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải
công nghiệp) và QCVN 11:2008/BTNMT (Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công
nghiệp chế biến thủy sản).
c. Đề xuất các thông số thiết kế hệ thống xử lý nước thải 50 m
3
/ngày.
4. Ý nghĩa khoa học của đề tài

- Tạo ra dẫn liệu khoa học có giá trị tham khảo cho sinh viên, cao học viên và cán bộ kỹ thuật
trong ngành chế biến thủy sản cũng như ngành môi trường.
- Kết quả nghiên cứu của đề tài là cở sở để các nhà sản xuất áp dụng giải pháp tương tự nhằm
giảm thiểu mức độ ô nhiễm của nước thải và xử lý hiệu quả hơn nước thải chitin.
5. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
- Nâng cao hiệu quả thu hồi protein của dịch ở công đoạn ép đầu tôm, xử lý enzyme và xử lý
xút nhằm giảm bớt ô nhiễm của nước thải đầu vào.
- Giảm mức độ ô nhiễm môi trường của nước thải, giảm chi phí trong quá trình sản xuất hơn
nữa góp phần bảo vệ môi trường.
- Đề tài có ý nghĩa rất lớn là giúp cho doanh nghiệp hiểu biết về xử lý nước thải từ công nghệ
sản xuất chitin từ phế liệu tôm.












3

Chương 1
TỔNG QUAN
1.1. CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT CHITIN TỪ PHẾ LIỆU TÔM
1.1.1. Giới thiệu chung
Chitin là một polysaccharide phổ biến trong tự nhiên sau cellulose, cấu tạo bởi các

monosaccharide liên kết với nhau bởi cầu nối 1,4 – glucozide, có công thức phân tử
(C
8
H
13
O
5
N)
n
. Trong đó n phụ thuộc nguồn gốc nguyên liệu.
Chitin có ở thành tế bào của nấm Zygemycethers và một số loại tảo chlorophiceae. Ở động
vật, chitin là một thành phần cấu trúc quan trọng của vỏ động vật không xương sống như: côn
trùng, nhiễm thể, giáp xác và giun tròn. Trong động vật thủy sản đặc biệt là trong tôm, cua,
ghẹ, hàm lượng chitin chiếm tỷ lệ rất cao 14  35% so với trọng lượng khô.
Chitin có màu trắng, không tan trong nước, trong kiềm, trong acid loãng và các dung môi
hữu cơ như ete, rượu; tan được trong dung dịch acid đậm đặc như acid sulfuric, acid
phosphoric và lithium chlorid tertiary amides. Khi đun nóng chitin trong dung dich NaOH
đặc, chitin bị khử gốc acetyl tạo thành chitosan. Khi đun nóng chitin trong dung dịch HCl
đặc, chitin bị thủy phân tạo thành các phân tử glucosamin có hoạt tính sinh học cao.
Chitin và dẫn xuất được ứng dụng rộng rãi trên hầu hết các lĩnh vực như: Bổ sung vào
thức ăn gia súc, ứng dụng trong xử lý môi trường, ứng dụng trong công nghệ sinh học, trong
y học và mỹ phẩm, nông nghiệp ….
1.2.2. Giới thiệu quy trình sản xuất chitin

1.1.2.1. Phế liệu
Chitin có thể được chiết rút từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau như: vỏ tôm, vỏ cua,
tảo, nấm, vi khuẩn, sâu bọ … Tuy nhiên, nguyên liệu chính cho quá trình sản xuất chitin là
phế liệu tôm.
1.1.2.2. Quá trình khử protein
Phế liệu

Khử protein Khử khoáng Tẩy màu Chitin
4

Chitin tồn tại trong nguyên liệu dưới dạng liên kết với protein, khoáng và các hợp chất
khác nên trong quá trình sản xuất chitin cần phải khử các hợp chất phi chitin này ra khỏi
chitin.
Hiện nay, các qui trình sản xuất chitin chủ yếu sử dụng phương pháp hóa học bởi vì có ưu
điểm: nhanh, đơn giản, dễ thực hiện ở qui mô lớn. Ngược lại, phương pháp hóa học cũng có
một số nhược điểm: Xử lý bằng acid và kiềm ở nồng độ cao, thời gian dài dẫn đến chất lượng
sản phẩm chitin, thu được có độ nhớt và phân tử lượng thấp, đồng thời thành phẩm còn chứa
tạp chất hóa học, chưa tận thu nguồn protein và astaxanthin có giá trị. Bên cạnh đó, lượng hóa
chất thải ra từ qui trình sản xuất là rất lớn, gây ô nhiễm môi trường.
 Phương pháp hóa học
Đối với quá trình khử loại protein, nhiệt độ đóng vai trò quan trọng, ở nhiệt độ thường,
quá trình tách protein diễn ra chậm, thời gian thủy phân từ một đến vài ngày. Khi nâng nhiệt
độ xử lý thì thời gian cần thiết để tách protein giảm đáng kể. Để rút ngắn thời gian tách
protein chỉ còn vài giờ thì nhiệt độ cần đạt khoảng 90 – 100
o
C. Nhưng cần phải lưu ý là khi
sử dụng nhiệt độ cao hoặc thời gian xử lý dài sẽ dẫn đến quá trình cắt mạch của sản phẩm
chitin.
Hóa chất sử dụng cho công đoạn này thường là NaOH, Na
2
CO
3,
NaHCO
3
, KOH, K
2
CO

3
,
Ca(OH)
2
. Thực tế, NaOH vẫn được sử dụng phổ biến nhất. Nồng độ kiềm cao thì khả năng
thủy phân protein cao, thời gian xử lý ngắn, hàm lượng protein còn lại trong sản phẩm chitin
thấp. Tuy nhiên, cũng giống như nhiệt độ và thời gian, nồng độ kiềm cao gây ra hiện tượng
cắt mạch chitin và chitosan (thông thường nồng độ kiềm sử dụng là 4%).
Tỷ lệ giữa phế liệu với hóa chất cũng đóng vai trò quan trọng quyết định đến hiệu quả của
quá trình tách protein. Thực tế, để quá trình xử lý có hiệu quả tỷ lệ này là 5/1 đối với nguyên
liệu tươi và 15/1 đối với nguyên liệu khô. Hiệu quả của quá trình quá trình tăng lên nếu quá
trình xử lý có khuấy đảo và từ phế liệu được nghiền nhỏ đến kích thước từ 2 – 5mm, cũng
như để khử protein triệt để chúng ta nên lập lại qúa trình nhiều lần [27].
 Phương pháp mới có kết hợp sử dụng enzyme
5

Quá trình khử protein được thực hiện bằng các enzyme protease để thay thế xử lý bằng
NaOH. Việc sử dụng enzyme protease cho phép hạn chế ô nhiễm môi trường. Ngoài ra,
protein trong dịch thủy phân có thể sử dụng bổ sung vào thức ăn gia súc.
1.1.2.3. Quá trình khử khoáng
HCl, HNO
3,
H
2
SO
4
là các hóa chất thường dùng để khử khoáng. Tuy nhiên, thông thường
quá trình khử khoáng được thực hiện trong dung dịch HCl loãng ở nhiệt độ phòng. Tương tự
như quá trình khử protein, theo các công trình nghiên cứu đã công bố, chế độ khử khoáng
cũng rất đa dạng, nồng độ HCl từ 0,5N đến 2N, nhiệt độ từ nhiệt độ rất thấp đến nhiệt độ

phòng. Thời gian từ 0,5h đến 48h.
1.1.2.4. Quá trình tẩy màu.
Trong phế liệu tôm có chứa một lượng lớn các chất màu, chủ yếu thuộc nhóm carotenoid:
astacene, astaxanthin, canthaxanthin, lutein và β-carotene. Việc tẩy màu này có thể thực hiện
bằng cách phơi dưới ánh sáng mặt trời hoặc xử lý bằng các chất tẩy màu thông dụng như
KMnO
4
, H
2
O
2
,

NaOCl, NaHSO
3
, H
2
O
2
và NaOCl được sử dụng nhiều nhất [27].
1.2. LƯỢNG NƯỚC THẢI VÀ CÁC THÀNH PHẦN NƯỚC THẢI SẢN XUẤT
CHITIN
1.2.1. Nuớc thải sản xuất chitin
Từ việc phân tích quy trình công nghệ sản xuất chitin ta thấy: Hầu hết các công đoạn trong
công nghệ sản xuất này đều là quá trình ướt nghĩa là quá trình nào hầu như cũng có sử dụng
nước. Nguồn nước thải phát sinh chủ yếu từ các công đoạn như: ép, khử protein, khử khoáng
và nhiều nhất là các công đoạn rửa trung tính sau khi xử lý acid hay xút. Lượng nước thải
trong quá trình thường dao động lớn trong ngày sản xuất.
Theo thống kê sơ bộ của trung tâm Chế biến thủy san trường đại học Nha Trang lượng hóa
chất và lượng nước tiêu thụ cho một tấn nguyên liệu để sản xuất chitin được trình bày trong

Bảng 1.1.
1.2.2. Các thành phần nước thải chitin.
Nước thải trong quá trình sản xuất chitin thường có độ pH khá cao, nằm trong khoảng 9 
11, do đó, cần bể trung hòa để ổn định pH. Nước thải chitin chứa hàm lượng chất hữu cơ cao
sẽ làm giảm lượng oxy hòa tan trong nước, gián tiếp ảnh hưởng đến đời sống của các loài
6

thủy sinh sống trong nước. Tác động chủ yếu là khả năng làm thay đổi loài, số lượng vi sinh
vật. Cụ thể, hàm lượng nitơ hữu cơ từ 673  947mg/l, Photpho tổng 139  197mg/l, chất rắn
lơ lửng 4.638  5.098mg/l [17]. Trong nước thường có các mảnh vụn của tôm dễ lắng, chứng
tỏ ô nhiễm chất dinh dưỡng rất cao. Hàm lượng chất rắn lơ lửng dạng vô cơ và hữu cơ trong
nước thải làm dòng tiếp nhận bị vẫn đục và sa lắng. Màu tối của nước thải làm cho dòng tiếp
nhận có màu, khả năng ánh sáng qua nước bị giảm, dẫn đến quá trình quang hợp trong nước
bị yếu, hàm lượng oxy hòa tan trong nước thấp và môi trường trong nước trở nên kỵ khí ảnh
hưởng đến đời sống của nhiều động, thực vật thủy, trong đó có vi sinh vật. Quá trình xử lý
cần có song chắn rác để lọc các mảnh vụn vỏ tôm và thực hiện công đoạn lắng để loại đi kết
tủa làm giảm đi chất rắn lơ lửng trong nước.
Bảng 1.1. Định mức hóa chất và lượng nước tiêu thụ trong công nghệ sản xuất
chitin, tính cho một tấn nguyên liệu
Hóa chất Vỏ tôm tươi Vỏ tôm khô
HCl (32%) 200 (kg) 800 (kg)
NaOH (98%) 150 (kg) 600 (kg)
Nước 10m
3
38m
3

Từ bảng tham khảo kết quả giá trị các thành phần của nước thải trong quá trình sản xuất
chitin (Bảng 1.1), tổng nitơ (mg/l) là 673 – 947 so với quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước
thải công nghiệp chế biến thủy sản (QCVN 11: 2008/BTNMT) là 60, còn quy chuẩn kỹ thuật

quốc gia về nước thải công nghiệp (QCVN 24: 2009/BTNMT) là 30. Như vậy hàm lượng
protein rất cao so với quy chuẩn quốc gia đưa ra và ngưỡng xử lý của quá trình xử lý sinh học
nên cần phải có biện pháp làm giảm protein của nước thải đầu vào để bảo đảm hiệu quả xử lý,
trong phạm vi đề tài áp dụng phương pháp kết tủa để tách protein.
Hàm lượng COD trong nước dao động 13,869  14,540 mg/l, BOD
5
từ 130  735mg/l cao
hơn rất nhiều lần cho phép. Tỷ lệ BOD
5
/COD  0,55 nên trong xử lý phải kết hợp cả hai
phương pháp sịnh học kỵ khí và sinh học hiếu khí.
Nước thải chứa một lượng lớn muối khoáng Ca, Mg (chủ yếu là các hợp chất canxi từ quá
trình khử khoáng), làm tăng độ cứng của nước, gây ra sự đóng cặn trong các đường ống làm
7

giảm áp lực trên đường ống. Do vậy, quá trình xử lý cần quan tâm đến sự biến thiên của các
chỉ tiêu này trong các hệ thống nhằm nâng cao hiệu quả của xử lý.
Qua số liệu thống kê cho thấy sự hiện diện của các kim loại nặng như: As, Cd, Pb, Cr, …
tất cả đều nằm trong mức độ cho phép, nên việc ô nhiễm kim loại nặng là không đáng lo ngại.
Tóm lại, so với quy định cho phép nước thải vào nguồn loại B theo Quy chuẩn kỹ thuật
quốc gia về nước thải công nghiệp của Bộ Tài nguyên môi trường năm 2009 (QCVN 24:
2009/BTNMT), mức độ ô nhiễm nước thải của quá trình sản xuất chitin vượt quá nhiều lần so
với quy chuẩn cho phép xả vào nguồn của nhà nước. Vì vậy, cần phải có biện pháp xử lý
thích hợp truớc khi xả vào nguồn.
Bảng 1.2. Thành phần và tính chất nước thải sản xuất chitin
Giá trị tới hạn loại B
Chỉ tiêu Đơn vị Giá trị
QCVN 11: 2008/BTNMT QCVN 24: 2009/BTNMT
pH 3,62 – 12,05 5,5 – 9 5,5 – 9
BOD

5
mg/l 130 –735 50 50
COD mg/l 13,869 – 14,540 80 100
TN mg/l 673 – 947 60 30
N-NH
3
mg/l 11,7 – 140 20 10
TP mg/l 139 – 197 Không quy định 6
TS mg/l 4,638 – 5,098 100 100
Clorua mg/l 2059 – 4544 Không quy định không quy định
Canxi mg/l 380 – 2520 Không quy định không quy định
Asen mg/l 0,003 – 0,008 Không quy định 0.1
Cadimi mg/l 0,002 – 0,006 Không quy định 0.01
Chì mg/l < 0,003 Không quy định 0.05
Crôm mg/l 0,096 – 0,047 Không quy định 0.1
Tổng
Coliforms

khuẩn
lạc
Kết quả thực tế 1000 1000
8

1.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP THU HỒI PROTEIN HÒA TAN TRONG DUNG DỊCH
Để thu hồi protein trong dung dịch thì quan trọng nhất phải là xác định được phương pháp
thích hợp nhất. Mỗi công nghệ, phương pháp đều có ưu, khuyết điểm nhất định. Do đó tuỳ
theo điều kiện của mỗi nhà máy mà chi phí đầu tư, chi phí năng lượng, hoá chất, nhân công,
hiệu suất thu hồi, yêu cầu về đảm bảo điều kiện môi trường và mục đích sử dụng protein thu
được mà chúng ta lựa chọn công nghệ thu hồi protein cho phù hợp.
1.3.1. Kết tủa bằng muối

Đây là phương pháp thường được sử dụng để kết tủa các protein hòa tan trong dung dịch.
Ở nồng độ muối thấp, độ hòa tan của dung dịch protein tăng chậm (salting in) nhưng khi tăng
nồng độ muối cao hơn, độ hòa tan của protein giảm rõ rệt (salting out) [54]. Thêm vào đó, khi
nồng độ muối cao sẽ làm giảm lực đẩy tỉnh điện giữa các nhóm điện tích tương tự nhau trên
bề mặt phân tử protein và làm rối loạn cấu trúc của phân tử nước bao quanh protein hình cầu,
ion muối sẽ cạnh tranh nước với các protein hình cầu. Tại một nồng độ muối nhất định, lớp
vỏ hydrate hóa của phân tử protein bị phá vỡ, các protein sẽ kết tụ lại với nhau gây ra hiện
tượng kết tủa [53]. Thêm vào đó các ion của muối trung tính sẽ bám trên bề mặt phân tử
protein tạo thành lớp có đện tích trung hòa, kết quả làm cho kết tủa protein [50]. Số lượng và
sự phân bố của các nhóm mang điện tích, các nhóm không mang điện và các phần kỵ nước
trên bề mặt của phân tử protein xác định được nồng độ muối cần thiết để kết tủa protein [60].
Kích thước và hình dạng của phân tử protein cũng góp phần tạo nên đặc điểm kết tủa của
protein. Cấu tạo cơ bản của nhóm phân tử protein có mối quan hệ chặt chẽ với tính chất kết
tủa protein từ hỗn hợp protein và không đặc trưng cho protein [52].
Thông thường, các anion đa điện như các nhóm sunfate, phosphate, citrate có ảnh hưởng
mạnh hơn các cation [53]. Nồng độ của dung dịch muối cần dùng tùy thuộc vào bản chất của
protein trong dung dịch [60]. Các ion âm và ion dương trong phân tử muối sẽ quyết định hiệu
quả của loại muối đó. Hiệu quả của các ion âm sẽ giảm dần theo thứ tự sau: citrate > sulfate >
phosphate > choride > thiocynate, các ion dương cho hiệu quả cao thường được sử dụng là:
NH
4
+
> K
+
> Na
+
[53].
9

1.3.2. Kết tủa pH đẳng điện

Kết tủa protein bằng cách thay đổi pH của dung dịch là phương pháp thường được sử
dụng để kết tủa các protein hòa tan trong dung dịch. Tại điểm pH đẳng điện (pI) điện tích của
protein bằng không, tương tác tĩnh điện giữa các phân tử là nhỏ nhất [53] đồng thời sự tương
tác giữa các phân tử protein với các phân tử nước bị giảm, dẫn đến lớp vỏ hydrate bên ngoài
bị phá vỡ, làm tăng tương tác giữa các phân tử protein, tạo điều kiện cho các phân tử protein
tập hợp lại với nhau hình thành kết tủa [60]. Các protein khác nhau thì có điểm pI khác nhau
và trong hỗn hợp nhiều loại protein thì vẫn có những protein có điểm pI nằm gần nhau [53].
Ở đây do không có sự thay đổi cấu trúc phân tử nên sau khi loại bỏ tác nhân gây kết tủa ra
khỏi dung dịch thì các phân tử protein có thể hòa tan trở lại [60].
Mặt khác, trong trường hợp pH của dung dịch thay đổi quá thấp hoặc quá cao thì biến tính
không thuận nghịch có thể xảy ra [25]. Khi đó điện tích các nhóm phân cực mạch bên của
acid amin thay đổi, tạo ra lực đẩy tỉnh điện giữa các nhóm bị ion hóa nên làm giản mạch các
phân tử protein, các nhóm kỵ nước xuất hiện trên bề mặt, tương tác giữa các protein chiếm ưu
thế, kết quả là các phân tử protein tiến lại gần nhau làm xuất hiện kết tủa [25].
Vì cơ chế kết tủa bằng pH có thể mang tính thuận nghịch nên áp dụng để tách hợp chất
protein có hoạt tính sinh học ra khỏi hỗn hợp mà vẫn đảm bảo giữ được hoạt tính và cấu trúc
phân tử tuy nhiên thời gian tủa thường xảy ra rất lâu, hiệu suất thu hồi lại thấp và chi phí cao
nên hiệu quả kinh tế không cao.
1.3.3. Kết tủa bằng nhiệt độ
Nhiệt độ cao sẽ làm phá lớp vỏ điện tích và làm giảm khả năng hydrate hóa của phân tử
protein, phá vỡ liên kết giữa các phân tử protein, giữa phân tử protein với nước, do đó khả
năng hấp thụ nước của protein bị giảm [50]. Ngoài ra khi đun nóng sẽ gây biến tính protein,
làm giảm mức độ hòa tan của protein vào nước gây ra hiện tượng kết tủa [26]. Mỗi loại
protein khác nhau đều có nhiệt độ biến tính khác nhau, cường độ và thời gian quyết định mức
độ biến đổi protein, trong đa số các trường hợp các protein đều bắt đầu biến tính ở nhiệt độ
khoảng 45 – 50
0
C, nhiệt độ càng tăng thì mức độ biến tính càng sâu sắc.
Bên cạnh đó các yếu tố như hoạt độ nước, pH của môi trường, hàm lượng muối, bản chất và
nồng độ của các chất khác cũng có ảnh hưởng nhất định đến độ bền nhiệt của protein [55].

10

Protein khi được gia nhiệt ở điểm đẳng điện sẽ cho kết tủa nhanh hơn, do đó người ta thường
dùng cách này để phân lập và tinh chế protein từ lactoserum, máu hoặc huyết tương [53]. Tuy
nhiên người ta cũng nhận thấy một số trường hợp protein kết tủa ở nhiệt độ thấp (trường hợp
protein của trứng, sữa).
1.3.5. Kết tủa bằng polyme
Hiện nay rất nhiều polyme được sử dụng để kết tủa protein như chitosan, alginate, PEG
(polyethylene glycol) là các loại polyme hữu cơ dùng phổ biến để kết tủa protein từ dung dịch
[30, 60, 64]. Trong các polyme hữu cơ thì chitosan được ứng dụng rộng rãi vì tính chất đặc
trưng mang điện tích dương nên có thể tương tác với phần lớn các chất hữu cơ mang điện tích
âm. Ngoài ra, chitosan có khả năng xử lý màu rất hiệu quả [71].

Hình 1.1. Mô hình tương tác trái dấu của chất phân tử
Chitosan được xem như là tác nhân thu hồi protein từ nước thải của ngành công nghệ thực
phẩm [29, 53, 59, 64]. Nhiều công trình nghiên cứu đã tiến hành thực nghiệm sử dụng
chitosan để thu hồi protein từ nước rửa surimi, dịch thải máu cá, nước thải trong quá trình chế
biến cá, chế biến sữa.
Phân tử chitosan cũng có khả năng hấp phụ, tạo cầu nối để liên kết các hạt keo protein đã
kết tủa thành các phân tử có kích thước lớn hơn và lắng xuống. Ngoài ra, chitosan có độ
deacetyl cao thì trong dung dịch có chứa nhiều gốc amin tích điện dương sẽ trung hòa điện
tích của các phân tử protein tích điện âm trong dung dịch, giảm khả năng hydrat hóa, tập hợp
lại và kết tủa [55, 70].
Ngoài ra, nồng độ chitosan cũng ảnh hưởng lớn đến hiệu quả thu hồi, cần sử dụng
chitosan ở một nồng độ hợp lý vì khi tăng nồng độ chitosan làm tăng số điện tích cùng dấu,
đẩy nhau tạo nên một mạng lưới keo, nên cản trở quá trình keo tụ lắng xuống của các phân tử
11

protein. Chitosan có độ deacetyl hóa càng cao thì các nhóm tích điện dương trên mạch
chitosan càng nhiều, thuận lợi trong tương tác ion để thu hồi protein hòa tan.

1.4. TỔNG QUAN XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC
1.4.1. Cơ sở lý thuyết của quá trình.
Trong các nguồn nước luôn xảy ra quá trình amon hóa chất hữu cơ chứa nitơ bởi các vi
khuẩn amon. Nhờ các men ngoại bào của các vi khuẩn gây thối như loài Pseudomonas,
Eubaterials… mà protein bị phân hủy thành các hợp chất đơn giản hơn là các polipeptit,
oligopeptit. Các chất này hoặc được tiếp tục phân hủy thành các acid amin nhờ men peptidaza
ngoại bào hoặc được tế bào hấp thụ, sau đó sẽ được phân hủy tiếp trong tế bào thành các acid
amin. Các acid amin một phần được vi sinh vật sử dụng để tổng hợp protein – xây dựng tế
bào mới, một phần được phân giải tiếp theo những con đường khác nhau để tạo thành NH
3
và
nhiều sản phẩm trung gian khác [14, 16].
Đối với protein có chứa lưu huỳnh, nhờ tác dụng của men Desunfuraza sẽ bị phân hủy tạo
ra H
2
S. Sản phẩm phân giải bởi vi sinh vật kỵ khí còn là scatol, indol, mercaptan và một số
khí khác. Nhờ sự hoạt động của các vi khuẩn như Thiobacillus, Thiobacillus denitrificans, vi
khuẩn lưu huỳnh dạng sợi thuộc giống Beggiatoa, Thiothrix và nhiều vi khuẩn dị dưỡng, vi
khuẩn hiếu khí khác nên quá trình sunfat hóa được thực hiện. Quá trình khử sunfat cũng xảy
ra bởi các vi khuẩn kỵ khí có trong bùn thối, nước thải thối (đại diện là Desunfovibrio
desunfuricans). Ngoài ra người ta còn thấy các loài Clotridium nigrificans và Pseudomonas
Zelinskii cũng có khả năng khử sunfat [19].
Có rất nhiều loài sinh vật có khả năng phân hủy chất béo. Đáng chú ý hơn cả là các loài
Pseudomonas, Vibrio, Sarcina, Serratina, Bacillus. Sản phẩm thủy phân chất béo là glyxerin
và acid béo nhờ các enzyme lipase nội bào hoặc ngoại bào. Sau đó glyxerin và acid béo được
oxy hóa tiếp tục thành nhiều sản phẩm khác nhau. Cùng với vai trò chuyển hóa vật chất các vi
sinh vật còn tham gia tạo cặn lắng và làm biến đổi chúng.
Trong tự nhiên còn xảy ra quá trình tự làm sạch nhờ các vi sinh vật sử dụng chất bẩn trong
nước làm nguồn thức ăn. Về mặt sinh học, tham gia vào quá trình tự làm sạch có rất nhiều
loài sinh vật như cá, chim, nguyên sinh động vật, nhuyễn thể… và vi sinh vật với mức độ

khác nhau, nhưng đóng vai trò quyết định vẫn là các vi sinh vật. Ngoài ra, còn thấy vai trò
12

làm sạch của các loài tảo. Thông qua hoạt động sống, tảo cung cấp oxy cho môi trường và các
chất kháng sinh để tiêu diệt mầm bệnh có trong nước. Tảo còn cản trở sự phát triển và cạnh
tranh nguồn thức ăn với các vi sinh vật gây bệnh. Tảo còn tiết ra mộ số chất có hoạt tính sinh
học giúp kích thích sự phát triển của một số vi sinh vật có lợi. Một số loài tảo và nhuyễn thể 2
mảnh có khả năng hấp thụ kim loại nặng và tia phóng xạ.
Trong nước thải các vi sinh vật có mối quan hệ phức tạp với nhau. Quan hệ cạnh tranh đã
có ảnh hưởng quyết định đến thành phần vi sinh vật. Quan hệ mồi thú đã làm cho số lượng vi
sinh vật trong nước thải thay đổi. Ngoài 2 mối quan hệ trên trong hệ vi sinh vật nước thải
nhiều loài vi sinh vật sống cộng sinh với nhau, có ảnh hưởng qua lại với nhau. Kết quả của
các quan hệ này đã làm ảnh hưởng lớn đến khả năng, tốc độ và hiệu quả phân hủy chất bẩn
của các vi sinh vật.
1.4.2. Phương pháp kỵ khí.
Quá trình phân hủy các chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí do quần thể vi sinh vật (chủ
yếu là vi khuẩn) hoạt động không cần có sự có mặt của oxy, sản phẩm cuối cùng là một hỗn
hợp khí có CH
4
, CO
2
, N
2
, H
2
trong đó có tới khoảng 65% là CH
4
.
Quá trình phân hủy kỵ khí chất bẩn có thể mô tả bằng sơ đồ tổng quát:
(CHO)

n
NS → CO
2
+ H
2
O + CH
4
+ NH
4
+ H
2
+ H
2
S + Tế bào vi sinh vật + …
Các vi sinh vật kỵ khí sử dụng một phần chất hữu cơ trong nước thải để xây dựng tế bào,
tăng sinh khối. Quá trình kỵ khí được ứng dụng cho các loại nước thải có nồng độ chất hữu
cơ cao BOD đến 30000 mg/l và có nhiều ưu điểm như thiết kế đơn giản, thể tích công trình
nhỏ, công trình có cấu tạo khá đơn giản và giá thành không cao, chi phí vận hành về năng
lượng thấp, lượng bùn sinh ra ít hơn 10 – 20 lần so với phương pháp hiếu. Tuy nhiên ngoài
các ưu điểm, công nghệ này cũng có những hạn chế là nhạy cảm với các chất độc hại với sự
thay đổi bất thường về tải trọng của công trình, xử lý nước thải chưa triệt để, những hiểu biết
về vi sinh vật còn rất hạn chế, thiếu kinh nghiệm về vận hành công trình khí [16, 19].
1.4.3. Phương pháp hiếu khí.
Nguyên tắc của công nghệ này là sử dụng các vi sinh vật hiếu khí phân hủy chất hữu cơ
trong nước thải có đầy đủ oxy hòa tan ở nhiệt độ, pH thích hợp. Quá trình phân hủy chất
hữu cơ của vi sinh vật hiếu khí có thể mô tả bằng sơ đồ: