Nghiên cứu ứng dụng vi sinh vật và vi tảo lam Spirulina trong xử lý nước thải làng nghề bún Phú Đô
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.9 MB, 105 trang )
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
1
LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới TS. Đặng Diễm
Hồng – Trưởng Phòng Công nghệ Tảo đã tận tình hướng dẫn và truyền đạt những
kinh nghiệm quý báu cho tôi trong suốt quá trình thực tập và làm luận văn tốt
nghiệp.
Để hoàn thành luận văn này, tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, hướng
dẫn của học viên cao học Đinh Thị Ngọc Mai, ThS. NCS. Ngô Thị Hoài Thu, KS.
Đinh Đức Hoàng cùng tập thể cán bộ Phòng Công nghệ Tảo, Viện Công nghệ sinh
học – Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Đồng thời, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến tập thể thầy cô giáo
Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội
đã truyền thụ những kiến thức quý báu cho tôi trong suốt quá trình học tập.
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Ban lãnh đạo Viện Công ngh
ệ sinh học – Viện
Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi có thể hoàn
thành luận văn tốt nghiệp này.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè, những người đã quan tâm giúp
đỡ và động viên, khuyến khích tôi trong suốt thời gian qua để tôi hoàn thành luận
văn được tốt hơn.
Hà Nội, tháng 12 năm 2010
Học viên cao học
Nguyễn Minh Phương
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
2
CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN
ADN Axit deoxyribonucleotit
BOD Biological oxygen demand
COD Chemical oxygen demand
CFU Colony Form Unit
Nitơ tổng số N
ts
OD Optical density
PHA Poly-3-hydroxyalkanoates
Photpho tổng số P
ts
TLK Trọng lượng khô
Spirulina platensis S. platensis
VSV Vi sinh vật
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
3
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 4
1.1 Điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội vùng nghiên cứu 4
1.1.1 Điều kiện tự nhiên 4
1.1.2 Đặc điểm kinh tế xã hội 4
1.1.3 Công nghệ sản xuất bún truyền thống tại làng bún Phú Đô 5
1.2 Nước thải và phương pháp xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính 6
1.2.1 Phân loại nước thải và các chất gây ô nhiễm trong nước thải 6
1.2.2 Hệ vi sinh vật trong nước thải 8
1.2.3 Cơ sở sinh học của quá trình làm sạch nước thải 9
1.2.4 Cơ chế phân giải tinh bột nhờ vi sinh vật 11
1.2.5 Xử lý nước thải bằng phương pháp bùn hoạt tính 12
1.3 Nghiên cứu khả năng xử lý nước ô nhiễm bằng vi tảo 15
1.4 Giới thiệu chung về tảo lam Spirulina 17
1.4.1 Đặc điểm hình thái và cấu trúc tế bào của tảo lam Spirulina 17
1.4.2 Đặc điểm sinh lý, sinh hóa và thành phần dinh dưỡng của tảo lam
Spirulina 18
1.4.3 Tình hình nghiên cứu tảo lam Spirulina 23
1.5 Giới thiệu chung về chất dẻo sinh học và PHAs 28
1.5.1 Giới thiệu chung về chất dẻo sinh học 28
1.5.2 Giới thiệu về PHAs 30
CHƯƠNG 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 34
2.1 Vật liệu nghiên cứu 34
2.2 Phương pháp nghiên cứu 37
2.2.1 Phương pháp xác định số lượng các nhóm VSV trong nước thải và trong
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
4
bùn hoạt tính 37
2.2.2 Phương pháp nuôi tạo bùn hoạt tính 40
2.2.3 Phương pháp xác định các thông số xử lý nước thải tối ưu 41
2.2.4. Xác định tốc độ sinh trưởng phát triển của tảo lam Spirulina platensis bằng
phương pháp đo mật độ quang học (OD) tại bước sóng 420 nm 43
2.2.5. Xác định hiệu quả xử lý nước thải sau từng giai đoạn 43
2.2.6. Phương pháp xác định hàm lượng PHA củ
a tảo Spirulina platensis 45
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 46
3.1 Kết quả đánh giá hiện trạng và đặc trưng của nước thải sản xuất bún tại
làng bún Phú Đô 46
3.2 Kết quả xác định thời gian lắng tối ưu cho VSV phát triển 48
3.3 Kết quả nuôi tạo bùn hoạt tính từ nước thải sản xuất bún 50
3.4 Kết quả xác định hàm lượng bùn hoạt tính t
ối ưu cho quá trình xử lý 52
3.5 Kết quả xác định nồng độ Nitơ và Photpho tối ưu 53
3.5.1 Kết quả xác định nồng độ Nitơ tối ưu 53
3.5.2 Kết quả xác định nồng độ Photpho tối ưu 54
3.6 Kết quả xác định thời gian sục tối ưu đối với nước thải 55
3.7 Kết quả về sự thay đổi các thông số đặc trưng c
ủa nước thải và VSV phân
giải tinh bột trong các giai đoạn xử lý nước thải sản xuất bún Phú Đô 56
3.8 Sinh trưởng của tảo lam Spirulina platensis CNTĐB thu được trong nước
thải làng nghề bún Phú Đô 61
3.9 Kết quả phân tích hàm lượng PHA ở chủng Spirulina platensis CNT và
CNTĐB 63
3.9.1 Kết quả phân tích hàm lượng PHA tích lũy ở chủng Spirulina platensis CNT
dưới điều kiện tạp dưỡ
ng và chiếu tia UV 63
3.9.2 Xác định hàm lượng PHA trong sinh khối tảo Spirulina thu được sau 20 ngày
nuôi cấy trong môi trường nước thải sản xuất bún 66
3.10 Đánh giá sơ bộ hiệu quả xử lý nước thải sản xuất bún 66
CHƯƠNG 4 . KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 68
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
5
Kết luận 68
Kiến nghị 69
TÀI LIỆU THAM KHẢO 71
PHỤ LỤC 80
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
6
DANH MỤC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. Quần thể VSV trong bùn hoạt tính 14
Bảng 2. Tính chất vật lý của một vài dạng PHA và polypropylene 31
Bảng 3. Thành phần môi trường SOT 36
Bảng 4. Bảng tra MPN dùng cho loạt 3 ống nghiệm ở 3 nồng độ pha loãng liên
tiếp 39
Bảng 5. Đặc trưng của nước thải sản xuất bún tại hệ thống cống chung cuối làng
Phú Đô 47
Bảng 6. Sự biến động về thành phần VSV tổng số trong nước thải được lấy từ hệ
thống cống chung cuối làng 48
Bảng 7. Thành phần và số lượng VSV trong bùn hoạt tính đã nuôi được
(CFU/ml) 50
Bảng 8. VSV tổng số có mặt trong nước thải được bổ sung bùn hoạt tính nuôi tạo
được ở các nồng độ khác nhau 52
Bảng 9. Số lượng VSV phân giả
i tinh bột có trong nước thải sau khi được bổ sung
phân đạm có nồng độ khác nhau 54
Bảng 10. Số lượng VSV phân giải tinh bột có trong nước thải sau khi được bổ
sung phân lân có nồng độ khác nhau 55
Bảng 11. Sự thay đổi VSV tổng số phân giải tinh bột theo thời gian sục ở nước
thải được bổ sung 5% bùn hoạt tính, phân đạm là 100 mg/l và phân lân là
80 mg/l 56
Bảng 12. Quy trình xử lý nước thải sản xu
ất bún tại hệ thống cống chung cuối làng
bún Phú Đô bằng bùn hoạt tính và chủng tảo lam Spirulina platensis CNTĐB 57
Bảng 13. Sự thay đổi các thông số COD, BOD
5
, N
ts,
P
ts
và VSV phân giải tinh bột
trong các giai đoạn xử lý nước thải sản xuất bún Phú Đô 60
Bảng 14. Hàm lượng PHAs tích lũy ở S. platensis CNT khi môi trường được bổ
sung các nguồn cácbon khác nhau 64
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
7
Bảng 15. Hiệu quả xử lý nước thải sản xuất bún bằng bùn hoạt tính và chủng tảo
lam Spirulina platensis CNTĐB 67
DANH MỤC HÌNH
Hình 1A. Hình ảnh về Spirulina platensis 18
Hình 1B. Hình ảnh về Spirulina maxima 18
Hình 2. Hình ảnh về Spirulina platensis trên thị trường dưới dạng dược phẩm 23
Hình 3. Cấu trúc của PHAs 31
Hình 4. Hình thái chủng tảo lam Spirulina platensis CNTĐB
được nuôi trong
môi trường SOT 34
Hình 5. Sơ đồ thí nghiệm xử lý nước thải sản xuất bún ở làng nghề bún Phú Đô
bằng bùn hoạt tính và tảo lam Spirulina platensis CNTĐB 44
Hình 6A. Địa điểm thu mẫu nước thải tại cống chung thứ nhất cuối làng 46
Hình 6B. Nước thải tại cống chung thứ nhất cuối làng 46
Hình 6C. Địa điểm thu mẫu nước thải tại cống chung thứ hai cuối làng 46
Hình 6D. Nước thải t
ại cống chung thứ hai cuối làng 46
Hình 7A. Hình ảnh khuẩn lạc vi khuẩn có mặt trong nước thải sau 6 giờ 50
Hình 7B. Hình ảnh khuẩn lạc nấm men có mặt trong nước thải sau 18 giờ. 50
Hình 7C. Hình ảnh khuẩn lạc nấm mốc có mặt trong nước thải sau 18 giờ 50
Hình 7D. Hình ảnh khuẩn lạc nấm mốc có mặt trong nước thải sau 24 giờ 50
Hình 8A. Vi khuẩn phân giải tinh bột có mặt trong bùn hoạt tính 51
Hình 8B. Nấm men phân giải tinh bộ
t có mặt trong bùn hoạt tính 51
Hình 8C. Nấm mốc phân giải tinh bột có mặt trong bùn hoạt tính 52
Hình 8D. Xạ khuẩn phân giải tinh bột có mặt trong bùn hoạt tính 52
Hình 9A. Thí nghiệm trước khi bổ sung tảo 58
Hình 9B. Thí nghiệm sau 1 ngày nuôi cấy tảo trong nước thải 58
Hình 9C. Thí nghiệm sau 6 ngày nuôi cấy tảo trong nước thải 59
Hình 9D. Thí nghiệm sau 20 ngày nuôi cấy tảo trong nước thải 59
Hình 10. Sinh trưởng của chủng tảo lam Spirulina platensis CNTĐB qua các ngày
nuôi cấy trong nước thải s
ản xuất bún đã qua giai đoạn xử lý bằng bùn hoạt tính và
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
8
sục khí 62
Hình 11A. Hình thái sợi tảo chủng CNTĐB trước khi nuôi trong nước thải 63
Hình 11B. Hình thái sợi tảo chủng CNTĐB sau khi nuôi trong nước thải
20 ngày 63
MỞ ĐẦU
Nền kinh tế xã hội nông nghiệp ở nước ta đã hình thành và phát triển từ rất
lâu đời cùng với lịch sử lâu dài dựng nước và giữ nước của dân tộc. Trong su
ốt tiến
trình phát triển lâu dài ấy, các làng nghề truyền thống cũng đã hình thành và phát
triển trong nông thôn Việt Nam và đóng một vai trò quan trọng trong nền kinh tế.
Sự phát triển của các làng nghề không những góp phần giải quyết việc làm cho
nhiều lao động, nâng cao thu nhập cho người dân địa phương nói riêng mà còn góp
phần vào sự phát triển nền kinh tế của cả nước nói chung. Đặc biệt, trong nền kinh
tế thị trường với chính sách phát triển kinh tế nhiều thành phần ở nước ta hiện nay,
các làng nghề truyền thống vẫ
n đang phát triển mạnh mẽ.
Sự phát triển của làng nghề đem lại nhiều lợi ích kinh tế nhưng song song
với nó là tiềm ẩn những nguy cơ gây ô nhiễm môi trường. Thực trạng ô nhiễm môi
trường trong các làng nghề truyền thống và các cơ sở ngành nghề nông thôn ngày
nay đang ngày càng gia tăng. Do ý thức bảo vệ môi trường còn thấp của con người
trong quá trình sản xuất, các loại chất thải được thải ra môi trường sống xung quanh
mà không được thu gom và xử lý triệt để nên tình trạng ô nhiễm môi trường đã và
đang xảy ra rất nghiêm trọng ở các làng nghề truyền thống ở Việt Nam.
Là một trong những làng nghề truyền thống vốn có từ lâu đời của thành phố
Hà Nội, làng nghề sản xuất bún Phú Đô cũng đang phải đối mặt với vấn đề ô nhiễm
môi trường nghiêm trọng. Từ trước tới nay, nước thải của làng nghề này vẫn được
xả trực tiếp xuống một con mương chung của làng mà không qua bất kỳ một hệ
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
9
thống xử lý nước thải nào. Vì vậy, nước thải của làng nghề bún Phú Đô luôn trong
tình trạng bị ô nhiễm hữu cơ nặng nề với nồng độ nitơ, photpho và hàm lượng
BOD
5
, COD trong nước thải rất lớn. Do đặc thù của nước thải sản xuất bún là ô
nhiễm chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học nên việc áp dụng các biện pháp sinh học
nói chung hay xử lý bằng bùn hoạt tính nói riêng để xử lý nước thải là hoàn toàn
phù hợp. Việc kết hợp sử dụng các loài tảo cùng các vi sinh vật (VSV) để xử lý
nước thải ô nhiễm hữu cơ được coi là một giải pháp khá hợp lý do trong nước thải,
hàm lượng nitơ và photpho là nguồn dinh dưỡng rất tốt cho sự sinh trưởng và phát
triển của tảo. Ngoài ra, việc thu hồi sinh khối tảo trong nước thải sau xử lý có thể
thực hiện một cách dễ dàng và thuận tiện bằng cách vớt hay lọc bằng lưới, góp phần
làm giảm giá thành xử lý.
Chất dẻo sinh học (bioplastic) là một loại vật liệu mới đang ngày càng thu
hút sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nhà khoa học trên thế giới. Không giống như
các chất dẻo thông thường khác, chất dẻo sinh học là loại vật liệu “xanh” thân thiện
môi trường với thời gian phân hủy ngắn do chúng có nguồn gốc chủ yếu từ thực vật
và các loại VSV. Sự ra đời của chất dẻo sinh học có thể
được coi là cuộc cách mạng
quan trọng trong công nghệ chất dẻo và được xem như một giải pháp nhằm giảm
dần sự lệ thuộc vào dầu mỏ đang có nguy cơ cạn kiệt, đồng thời góp phần bảo vệ
môi trường. Là một trong những chất dẻo sinh học, poly-3-hydroxyalkanoates –
PHA được tìm thấy trong cơ thể các VSV và vi tảo, trong đó có vi tảo lam
Spirulina.
Việc kết hợp sử dụng các VSV và vi tảo lam Spirulina trong xử lý nước thải
giàu hữu cơ tại làng nghề bún Phú Đô và thu nhận chất dẻo sinh học từ sinh khối
tảo mang ý nghĩa về mặt khoa học và thực tiễn cao. Do vậy, chúng tôi đã tiến hành
thực hiện đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng vi sinh vật và vi tảo lam Spirulina trong
xử lý nước thải làng nghề bún Phú Đô” với các nội dung sau:
- Đánh giá hiện trạng và xác định đặc trưng của nước thải sản xuất bún tại làng
nghề bún Phú Đô;
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
10
- Nghiên cứu xác định các thông số tối ưu cho quá trình xử lý nước thải sản
xuất bún, gồm các thông số sau: thời gian lắng tối ưu, nồng độ bùn hoạt tính
tối ưu, nồng độ nitơ, nồng độ photpho và thời gian sục khí tối ưu cho quá
trình xử lý;
- Dựa vào kết quả nghiên cứu xác định các thông số tối ưu cho quá trình xử lý
nước thải, đưa ra được quy trình xử lý nước thải sản xuất bún Phú Đô bằng
VSV và vi tảo lam Spirulina platensis;
- Đánh giá khả năng sinh trưởng và phát triển của chủng tảo lam Spirulina
platensis qua các ngày nuôi cấy trong nước thải;
- Xác định hàm lượng PHA trong sinh khối tảo Spirulina thu được sau xử lý;
- Sơ bộ đánh giá hiệu quả xử lý nước thải làng bún Phú Đô bằng bùn hoạt tính
và vi tảo lam Spirulina platensis.
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
11
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1 Điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội vùng nghiên cứu
1.1.1 Điều kiện tự nhiên
Làng bún Phú Đô thuộc xã Mễ Trì, huyện Từ Liêm, ở cách trung tâm thành
phố Hà Nội khoảng 10 km về phía Tây Nam. Vị trí ranh giới cụ thể của làng bún
Phú Đô như sau:
- Phía Bắc giáp xã Mỹ Đình;
- Phía Nam giáp đường cao tốc Láng -Hoà lạc;
- Phía Đông giáp thôn Mễ Trì Thượng (thuộc xã Mễ Trì);
- Phía Tây giáp v
ới sông Nhuệ.
Tổng diện tích tự nhiên của làng nghề là 258,6 ha, trong đó đất nông nghiệp
là 164,6 ha [79].
Bao quanh phía Bắc của làng nghề sản xuất bún Phú Đô có một con mương
tiêu nước chảy qua và chảy vào sông Nhuệ. Tình trạng ô nhiễm môi trường xảy ra
nghiêm trọng khi vào mùa mưa, lưu lượng nước lớn gây ra tình trạng ngập úng do
nước thải sản xuất bún hòa trộn cùng toàn bộ nước thải sinh hoạt và chăn nuôi từ
các chuồng trại c
ủa các hộ gia đình đều đổ ra kênh dẫn. Nước thải sản xuất bún
cùng nước thải sinh hoạt và nước thải chăn nuôi đều chưa qua xử lý mà xả thải trực
tiếp vào hệ thống cống chung cuối làng. Sau đó, nước được thải trực tiếp xuống con
mương chảy ra sông Nhuệ, gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, ảnh hưởng đến
đời sống của người dân trong vùng.
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
12
1.1.2 Đặc điểm kinh tế xã hội
Theo số liệu thống kê năm 1999, cả làng nghề bún Phú Đô có 1.113 hộ với
5.111 nhân khẩu. Trong số đó có 700 hộ gia đình với 1.600 lao động hành nghề làm
bún. Hàng năm, làng nghề Phú Đô sản xuất được khoảng 5.000 tấn bún, cung cấp
bún cho khoảng 50% thị trường bún ở Hà Nội [87]. Sau hơn 5 năm, tính đến năm
2004, làng Phú Đô có khoảng 5.600 người, với 1.068 hộ gia đình. Trung bình mỗi
hộ có khoảng 4,5 người. Mật độ dân số khoảng 202 người/ha. Trong làng, số hộ làm
bún chiếm khoảng 50%, còn lại 10% số hộ sản xuất phục vụ làng nghề như: sản
xuất công cụ làm bún (cơ khí); xay xát gạo; cung cấp than củi; 20% số hộ làm dịch
vụ thương mại cho nhân dân trong thôn và các khách nơi khác đến; 20% số hộ còn
lại làm các nghề khác [12]. Tuy nhiên, những năm gần đây, ở Phú Đô, số gia đình
làm bún đã giảm nhiều do phần lớn chuyển sang buôn bán, kinh doanh. Từ gần
ngàn hộ gia đình, nay chỉ còn khoảng vài trăm hộ vẫn còn theo nghề làm bún. Trình
độ văn hóa của người dân trong làng không cao. Trong số lao động chuyên nghiệp
làm bún ở Phú Đô hiện nay, chỉ có khoảng 30% tốt nghiệp phổ thông trung học, còn
lại chỉ đạt trình độ văn hoá phổ thông cơ sở [87]. Trong thời đại công nghiệp hóa
với sự phát triển mạnh mẽ
của nhiều phương tiện sản xuất hiện đại, nghề làm bún
ngày nay đã được cơ giới hoá với các máy xay bột, đánh bột, góp phần nâng cao sản
lượng sản xuất bún trong làng.
1.1.3 Công nghệ sản xuất bún truyền thống tại làng bún Phú Đô
Nguyên liệu sản xuất bún là gạo. Công đoạn đầu tiên trong quy trình sản xuất
bún là gạo được sát trắng. Sau đó, gạo được vo kỹ và được ngâm trong nước. Sau
khi ngâm trong n
ước khoảng 10 giờ, gạo được xóc sạch và đưa vào cối xay nhuyễn
tạo thành bột gạo dẻo, trắng mịn.
Công đoạn tiếp theo là ủ bột và chắt bỏ nước chua và tiến hành nhào bột. Bột
sau khi được nhào và đưa qua màn lọc sạn sẽ được đưa vào khuôn để vắt bột.
Khuôn bún được làm bằng chất liệu dạng ống dài, phía đầu khuôn có một
miếng kim loại đục các lỗ tròn.
Để tiến hành vắt bột phải chuẩn bị một nồi nước khá
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
13
lớn, rộng miệng đặt trên bếp than hồng để đun sôi. Bột bún được cho vào chiếc
khăn vải thô rộng, ở giữa khăn có khoét một khoảng hình tròn để khâu vào miệng
khuôn bún có nhiều lỗ nhỏ. Bột bún sau đó được vắt mạnh cho chảy thành dòng qua
khuôn xuống nồi nước đang sôi tạo thành sợi bún. Sau khi luộc khoảng vài ba phút,
sợi bún trong nồi sẽ được vớt ra và đem tráng qua nước lạnh cho khỏi bết dính và
trở nên săn chắc. Công đoạn cuối cùng là vớt bún trong nồi nước tráng. Sau khi vớt
ra khỏi nồi nước tráng, bún thành phẩm được đặt trên các thúng bằng tre có lót sẵn
lá chuối xanh rồi mới được đem ra chợ bán [79].
Như vậy, quy trình sản xuất bún tiêu thụ một lượng nước khá lớn. Hầu hết
các công đoạn như vo gạo, ngâm gạo, vắt bột, luộc bột…đều thải ra một lượng n
ước
thải giàu tinh bột đáng kể. Chính vì vậy, đặc thù của nước thải sản xuất bún là giàu
chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học.
1.2 Nước thải và phương pháp xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính
1.2.1 Phân loại nước thải và các chất gây ô nhiễm trong nước thải
Nước thải là nước đã qua sử dụng vào các mục đích như sinh hoạt, dịch vụ,
tưới tiêu, thủy l
ợi, chế biến công nghiệp, chăn nuôi Dựa vào nguồn gốc phát sinh,
nước thải có thể phân thành các loại chính sau đây:
+/ Nước thải sinh hoạt: là nước thải từ các khu vực dân cư bao gồm nước sau
khi sử dụng từ các hộ gia đình, bệnh viện, khách sạn, trường học, cơ quan, khu vui
chơi giải trí. Đặc trưng của nước thải sinh hoạt thường chứa các chất hữu cơ dễ
phân hủy sinh học (cacbonhydrat, protein, lipit), các chất vô cơ dinh dưỡng (nitơ,
photpho). Các VSV trong nước thải sinh hoạt phần lớn ở dạng các vi khuẩn gây
bệnh như vi khuẩn tả, lỵ, thương hàn và một số loài kí sinh trùng như trứng giun,
sán…Ngoài ra, trong nước thải còn chứa các chất như H
2
S, NH
3
gây mùi khó chịu.
+/ Nước thải công nghiệp: Nước thải từ các cơ sở sản xuất công nghiệp, tiểu
thủ công nghiệp, giao thông vận tải gọi chung là nước thải công nghiệp. Nước thải
công nghiệp không có đặc điểm chung mà phụ thuộc vào đặc điểm của từng ngành
sản xuất. Nước thải của xí nghiệp làm acquy có nồng độ axit và chì cao, nước thải
của nhà máy thuộc da chứ
a nhiều kim loại nặng và sunfua, nước thải từ các cơ sở
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
14
sản xuất chế biến nông sản, thực phẩm (đường, sữa, bột, tôm, cá, bia rượu) chứa các
chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học. Nói chung, nước thải của các ngành công nghiệp
hoặc các xí nghiệp khác nhau có thành phần hóa học và hóa sinh rất khác nhau [15].
+/ Nước thải nông nghiệp: Nước thải nông nghiệp là nước thải ra trong quá
trình canh tác nông nghiệp, thường chứa hàm lượng phân hóa học cao và các hóa
chất bảo vệ thực vật. Nước th
ải nông nghiệp bị ô nhiễm làm cho đất bị thoái hóa,
các tài nguyên sinh vật bị suy giảm, gây hậu quả nghiêm trọng đến môi trường. Các
chất độc còn tồn dư trong nước thải nông nghiệp gây tác động xấu đến sức khỏe con
người
[6].
Các chất gây ô nhiễm môi trường nước có nhiều loại, chúng thường được xếp
thành 9 loại như sau:
+/ Các chất hữu cơ bền vững, khó bị phân hủy;
+/ Các chất hữ
u cơ dễ bị phân hủy; chủ yếu do tác nhân sinh học (VSV);
+/ Các kim loại nặng;
+/ Các ion vô cơ;
+/ Dầu mỡ và các chất hoạt động bề mặt;
+/ Các chất có mùi hoặc màu;
+ Các chất rắn;
+/ Các chất phóng xạ;
+/ Các VSV.
Dựa vào đặc điểm dễ hay khó bị phân hủy bởi VSV có trong nước thải mà các
chất hữu cơ gây ô nhiễm trong nước thải có thể được chia thành hai loại:
+/ Các chất hữu cơ dễ
bị phân hủy sinh học: Nhóm các chất hữu cơ dễ bị phân
hủy gồm các chất protein, cacbonhydrat, các chất béo có nguồn gốc động và thực vật.
Các chất gây ô nhiễm này thường có trong nước thải sinh hoạt, nước thải từ các xí
nghiệp chế biến nông sản, thực phẩm, thủy sản…Trong thành phần các chất hữu cơ
từ nước thải ở các khu dân cư có khoảng 40 – 60% protein, 25 – 50% cacbonhydrat,
10% chất béo. Các hợp chất này chủ
yếu làm suy giảm oxy hòa tan trong nước dẫn
đến suy thoái tài nguyên thủy sản và làm giảm chất lượng nước cấp sinh hoạt. Trong
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
15
thực tế, người ta thường áp dụng các biện pháp sinh học để xử lý nước thải bị ô
nhiễm bởi các chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học.
+/ Các chất hữu cơ khó bị phân hủy sinh học: Nhóm các chất hữu cơ khó bị
phân hủy sinh học gồm các chất thuộc dạng chất hữu cơ có vòng thơm (cacbuahydro
của dầu khí), các chất đa vòng ngưng tụ, các hợp ch
ất clo hữu cơ, photpho hữu cơ.
Trong đó, có nhiều chất là các chất hữu cơ tổng hợp và có độc tính cao đối với con
người và động thực vật. Hàng năm, trên thế giới có khoảng 60.10
6
tấn các chất hữu
cơ tổng hợp khó phân hủy sinh học được sản xuất trên thế giới như các chất màu,
chất hóa dẻo, thuốc trừ sâu [2]. Trong tự nhiên, các chất hữu cơ khó bị phân hủy
sinh học khá bền vững, có khả năng tích lũy và lưu giữ lâu dài trong môi trường và
cơ thể sinh vật, làm ảnh hưởng xấu đến hệ sinh thái và sức khỏe con người. Các chất
này thường có trong nướ
c thải công nghiệp và nguồn nước ở các vùng nông, lâm
nghiệp sử dụng nhiều thuốc trừ sâu, thuốc kích thích sinh trưởng cây trồng, các chất
làm rụng lá, thuốc diệt cỏ [
16].
1.2.2 Hệ vi sinh vật trong nước thải
VSV là những sinh vật có kích thước vô cùng nhỏ bé. Tế bào của chúng
không thể nhìn thấy được bằng mắt thường mà phải sử dụng kính hiển vi với độ
phóng đại từ 400 đến 1000 lần.
Số l
ượng và chủng loại VSV trong nước phụ thuộc vào nhiều yếu tố như:
các chất hữu cơ hòa tan trong nước, pH môi trường, các chất độc, tia tử ngoại
Mỗi
loại nước thải có hệ VSV đặc trưng. Nước thải sinh hoạt và nước thải của các xí
nghiệp chế biến nông sản, thực phẩm rất giàu các chất hữu cơ, vì vậy số lượng VSV
trong các loại nước này là rất l
ớn và chủ yếu là vi khuẩn. N
hững thủy vực tiếp nhận
nguồn nước thải công nghiệp chứa nhiều axit như nước thải ngành công nghiệp mạ
thường làm tiêu diệt các nhóm VSV ưa trung tính có trong thủy vực.
Các VSV trong nước thải rất phong phú, bao gồm các loại vi khuẩn, vi rút,
xạ khuẩn, nấm men, nấm mốc.
Trong số đó, vi khuẩn chiếm tỉ lệ cao nhất. Nước thải
ở các nhà máy thải ra nhi
ều xenluloza và nhà máy chế biến thực phẩm thường có
nhiều vi khuẩn Sphaerptilus natans. Loại vi khuẩn này trước đây thường hay bị nhầm
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
16
với vi nấm trong nước thải do nó phủ lên bề mặt tế bào một lớp nước cực bẩn, thường
tạo thành các sợi, khi vỡ ra sẽ trôi nổi đầy trên mặt nước. Nhóm vi khuẩn này phát
triển mạnh ở nước nhiều oxygen. Ngoài ra, trong nước thải còn có các vi khuẩn phân
giải đường như: Clostridium, Micrococcus urea, Cytophaga sp.; các vi khuẩn gây
thối: Pseudomonas fluorecens, Proteus vulgaris, Bacillus cereus; các vi khuẩn oxy
hóa lưu huỳnh: Thiobacillus, Thiothrix, Beggiatoa; vi khuẩn phản nitrat hóa:
Thiobacillus denitrificans, Micrococcus denitrificans. Trong nước thả
i chứa dầu
người ta tìm thấy vi khuẩn phân giải cacbonhydrat: Pseudomonas, Nocardia [18].
Ngoài vi khuẩn, trong nước thải còn có nhiều loại nấm, nhất là nấm men như:
Saccharomyces, Candia, Cryptococcus, Rhodotorula, Leptomitus lacteus, Fusarium
aquaeducteum [18]. Trong đó, nấm Leptomitus lacteus có khả năng phát triển thành
khối nhầy cùng vi khuẩn Sphaerptilus natans trong 90 – 120 phút và có thể bịt kín
hoàn toàn các song chắn rác làm cản trở dòng chảy, gây phiền hà trong việc thải
nước. Leptomitus lacteus có thể sống quanh năm ở sông hồ và phát triển mạnh vào
mùa đ
ông [15
].
1.2.3 Cơ sở sinh học của quá trình làm sạch nước thải
Các quá trình vật lý, hóa học như sự sa lắng và sự oxy hóa giữ vai trò quan
trọng trong quá trình làm sạch nước thải. Tuy nhiên, đóng vai trò quyết định trong
làm sạch nước thải vẫn là các quá trình sinh học. Tại chỗ nước thải đổ ra, thường tụ
tập các loại chim, cá. Chúng sử dụng các phế thải từ đồ ăn và rác làm thức ăn. Tiếp
sau đó là các
động vật bậc thấp như ấu trùng của côn trùng, giun và nguyên sinh động
vật. Chúng sử dụng các hạt thức ăn cực nhỏ làm nguồn dinh dưỡng. Song cần phải
nhấn mạnh vai trò quyết định của các VSV trong quá trình làm sạch nước thải. Cơ
chế của quá trình làm sạch nước thải do các VSV bao gồm ba giai đoạn sau:
+/ Các hợp chất hữu cơ tiếp xúc với bề mặt tế bào VSV;
+/ Quá trình khuyếch tán và hấp th
ụ các chất ô nhiễm nước qua màng bán
thấm vào trong tế bào VSV;
+/ Chuyển hóa các chất ô nhiễm trong nội bào để sinh ra năng lượng và tổng
hợp vật liệu mới cho tế bào VSV.
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
17
Cả ba giai đoạn này có mối liên quan rất chặt chẽ với nhau làm nồng độ các
chất gây ô nhiễm trong nước giảm dần.
Theo phương thức dinh dưỡng, các VSV được chia làm hai nhóm chính:
- Nhóm VSV tự dưỡng: Nhóm VSV này có khả năng oxi hóa chất vô cơ để thu
năng lượng và sử dụng CO
2
làm nguồn cacbon cho quá trình sinh tổng hợp. Trong
nhóm này có các vi khuẩn nitrat hóa, vi khuẩn sắt, vi khuẩn lưu huỳnh
- Nhóm VSV dị dưỡng: Nhóm VSV này sử dụng các chất hữu cơ làm nguồn
cacbon dinh dưỡng và nguồn năng lượng để sinh trưởng, xây dựng tế bào và phát
triển. Các VSV dị dưỡng có thể chia thành ba nhóm nhỏ dựa theo hoạt động sống của
chúng đối với nhu cầu oxy:
+/ Nhóm VSV hiếu khí: là nhóm VSV cần oxy để sống, giống như quá trình
hô hấp ở độ
ng vật bậc cao. Sự phân hủy các chất hữu cơ ở điều kiện hiếu khí thể hiện
ở phản ứng sau:
VSV hiếu khí
Chất hữu cơ + O
2
CO
2
+ H
2
O + sinh khối VSV + năng lượng
+ NH
4
+
+ H
2
S + NO
3
-
+ SO
4
2-
Sản phẩm của quá trình phân hủy hiếu khí bao gồm khoảng 40% là sinh khối
VSV và gần 60% là CO
2
+ H
2
O.
+/ Nhóm VSV kỵ khí: là nhóm VSV có thể sống và hoạt động ở điều kiện kị
khí (không cần có oxy của không khí). Các VSV này có khả năng sử dụng oxy trong
những hợp chất nitrat, sunfat để oxy hóa các chất hữu cơ. Sự phân hủy các chất hữu
cơ ở điều kiện kị khí được thể hiện ở các phản ứng sau:
VSV kị khí
Chất hữu cơ + NO
3
-
+ SO
4
2-
CO
2
+ H
2
O + CH
4
+ N
2
+ H
2
S + NH
4
+
+
axit hữu cơ + CH
4
+ sinh khối VSV + năng lượng
+/ VSV tùy nghi hay còn gọi là VSV kỵ khí tùy tiện: Nhóm VSV này có thể
sinh trưởng trong điều kiện có hoặc không có oxy. Chúng luôn có mặt trong nước
thải. Năng lượng được giải phóng ngoài một phần thoát ra ở dạng nhiệt, phần còn lại
được sử dụng cho việc sinh tổng hợp hình thành tế bào mới [15].
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
18
Trong số các nhóm VSV làm sạch nước thải, vi khuẩn có số lượng nhiều nhất
và cũng đóng vai trò quan trọng nhất. Ngoài ra, cũng có các nhóm VSV khác như
nấm men, nấm mốc, xạ khuẩn nhưng số lượng ít hơn vi khuẩn. Những nhóm này là
các VSV dị dưỡng hiếu khí. Nhiều loại nấm, kể cả nấm độc có khả năng phân hủy
xenlulozơ, hemixenlulozơ và đặc biệt là lignin. Tuy nhiên, vai trò của nấm, kể cả nấm
mốc, nấm men, cũng như xạ khuẩn trong quá trình xử lý nước thải không quan trọng
bằng vi khuẩn [16].
1.2.4 Cơ chế phân giải tinh bột nhờ vi sinh vật
Nước thải của các cơ sở sản xuất lương thực, đặc biệt là nước thải từ các làng
nghề sản xuất bún, bánh phở, miến có hàm lượng tinh bột rất cao. Tinh bột bao gồm
các mạch amilo và amilopectin. Amilo là những chuỗi không phân nhánh bao gồm
hàng trăm
đơn vị glucoza liên kết với nhau bằng dãy nối 1,4 glucozit. Amilopectin là
các chuỗi phân nhánh, các đơn vị glucoza liên kết với nhau bằng liên kết 1,4 và 1,6
glucozit. Cơ chế quá trình phân giải tinh bột nhờ VSV được mô tả như sau:
VSV phân giải tinh bột có khả năng tiết ra môi trường hệ enzym amilaza bao
gồm 4 enzym:
+/ α – amilaza có khả năng tác động vào bất kỳ mối liên kết 1,4 glucozit nào
trong phân tử tinh bột. Bởi vậy, α – amilaza còn được gọi là endoamilaza. Dưới tác
động của α
– amilaza, phân tử tinh bột được cắt thành nhiều đoạn ngắn gọi là sự dịch
hóa tinh bột. Sản phẩm của sự dịch hóa thường là các đường 3 cacbon gọi là
mantotrioza.
+/ β - amilaza chỉ có khả năng cắt đứt mối liên kết 1,4 glucozit ở cuối phân tử
tinh bột, bởi thế còn gọi là exoamilaza. Sản phẩm của β - amilaza thường là đường
disaccarit mantoza.
+/ Amilo 1,6 glucosidaza có khả năng cắt đứt mối liên kết 1,6 glucozit t
ại
những chỗ phân nhánh của amilopectin.
+/ Glucoamilaza phân giải tinh bột thành glucoza và các oligosaccarit. Enzym
này có khả năng phân cắt cả hai loại liên kết 1,4 và 1,6 glucozit.
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
19
Dưới tác động của 4 loại enzym trên, phân tử tinh bột được phân giải thành
đường glucoza.
VSV có hệ amilaza rất phong phú và đa dạng. Rất nhiều nhóm VSV ở trong
đất và nước thải như: vi khuẩn, nấm mốc, nấm men, xạ khuẩn có khả năng sinh
amilaza.
Những vi khuẩn hiếu khí có khả năng sinh amilaza cao phần lớn thuộc loài
Bacillus subtilis, B. lichenifomic, B. Circulan chịu nhiệt cao và nhóm vi khuẩn
Cytophaga. Nhóm vi khuẩn kị khí sinh amilaza thường gặp là Clochidium
thermosulfurrogens và Thermoanaerobacter, Pyrococceus
thuộc vi khuẩn cổ.
Các loài nấm mốc sinh amilaza thường gặp là Aspergillus niger, A. awamori,
Rizopus niveus, Chalara paradoxa, còn nấm men thường gặp loài Cryptococcus spp.,
Endomycopsis fibulegera, Lipomyces spp Xạ khuẩn cũng có một số chi có khả năng
phân hủy tinh bột.
Trong các loại VSV kể trên thì các vi khuẩn nhóm Bacillus có khả năng sinh
amilaza mạnh nhất. Một số VSV có khả năng tiết ra môi trường đầy đủ các loại
enzym trong hệ enzym amilaza nhưng một số loài khác chỉ có thể
tiết ra một hoặc vài
enzyme trong hệ đó, các nhóm này cộng tác với nhau trong quá trình phân hủy tinh
bột thành đường [24].
1.2.5 Xử lý nước thải bằng phương pháp bùn hoạt tính
Có nhiều phương pháp khác nhau để xử lý nước thải nhưng có thể chia thành
các phương pháp chính sau: cơ học, hoá lý, hoá học và sinh học. Trong đó, phương
pháp sinh học được sử dụng chủ yếu để xử lý nước thải chứa hàm lượng chất hữu
c
ơ cao. So với biện pháp vật lý và hóa học, phương pháp sinh học có ưu điểm hơn
cả là giá thành thiết bị không đắt tiền, nguyên liệu xử lý dễ kiếm lại không gây tái ô
nhiễm môi trường. Phương pháp xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính là một trong
những phương pháp sinh học điển hình được áp dụng để xử lý nước thải giàu hữu
cơ.
Trong nước thải luôn tồn tại các chất r
ắn lơ lửng khó lắng. Trong quá trình
sinh trưởng và phát triển trong nước thải, các tế bào VSV sẽ dính vào các hạt lơ
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
20
lửng này và phát triển thành các hạt bông cặn có hoạt tính phân hủy các chất hữu cơ
gây nhiễm bẩn nước và được lớn dần lên do hấp phụ nhiều hạt chất rắn lơ lửng nhỏ
khác. Khi ngừng thổi khí hoặc các chất hữu cơ làm cơ chất dinh dưỡng cho VSV
trong nước thải cạn kiệt, những hạt bông này sẽ lắng xuống đáy bể hoặc hồ tạo
thành bùn. Bùn này được g
ọi là bùn hoạt tính. Nhờ bùn hoạt tính mà lượng chất ô
nhiễm trong nước giảm, các chất huyền phù lắng xuống cùng với bùn và nước được
làm sạch.
Bùn hoạt tính là tập hợp các VSV khác nhau có mặt trong nước thải, chủ yếu
là vi khuẩn, kết lại thành dạng hạt bông với trung tâm là các hạt chất rắn lơ lửng ở
trong nước. Các bông cặn này có khả năng hấp thu và phân hủy chất hữu cơ. Màu sắc
củ
a các bông cặn thường là màu vàng nâu. Các bông cặn dễ lắng có kích thước từ 3-
150 μm, gồm các VSV sống và cặn rắn (chiếm khoảng 30 – 40% thành phần cấu tạo
bông). Các bông cặn này có khả năng hấp thu và phân hủy chất hữu cơ. Bùn hoạt tính
lắng xuống là “bùn già”, hoạt tính giảm. Nếu được hoạt hóa (trong môi trường thích
hợp có sục khí) sẽ sinh trưởng trở lại và hoạt tính được phục hồi.
Quần thể VSV trong bùn hoạt tính r
ất phong phú với các loại vi khuẩn, nấm
men, nấm mốc, xạ khuẩn, động vật nguyên sinh. Số lượng vi khuẩn trong bùn hoạt
tính dao động trong khoảng 10
8
– 10
12
trong 1 mg chất khô. Phần lớn chúng là
Pseudomonas, Achomobacter, Alcaligenes, Bacillus, Micrococcus,
Flavobacterium…Trong khối nhầy có các loài Zooglea, đặc biệt là Zooglea ramigola,
rất giống Pseudomonas, chúng có khả năng sinh ra một bao nhầy xung quanh tế bào.
Bao nhầy này là một polyme sinh học, thành phần là polysaccarit, có tác dụng kết các
tế bào vi khuẩn lại thành các hạt bông [16]. Ngoài ra, trong bùn hoạt tính còn có mặt
các vi khuẩn phân hủy các polyme, vi khuẩn phản nitrat hóa, vi khuẩn khử sunfat.
Một số giống vi khuẩn điển hình có mặt trong bùn hoạt tính được thể hi
ện trên bảng
1.
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
21
Bảng 1. Quần thể VSV trong bùn hoạt tính
TT Vi khuẩn Chức năng
1
Pseudomonas
Phân huỷ cacbonhydrat, protein, các hợp chất hữu cơ
và phản nitrat hóa
2
Arthrobacter
Phân huỷ cacbonhydrat
3
Bacillus
Phân huỷ cacbonhydrat, protein
4
Cytophaga
Phân huỷ các polyme
5
Zooglea
Tạo thành chất nhầy, hình thành các chất keo tụ
6
Acinetobacter
Tích luỹ polyphotphat, phản nitrat
7
Nitrobacter
N
itrat hoá
8
Sphaerotilus
Sinh nhiều tiên mao
, phân hủy các chất hữu cơ
9
Acaligenes
Phân hủy protein, phản nitrat hóa
10
Flavobacterium
Phân hủy protein
11 Acinetobacter Phản nitrat hóa
12
Hyphomicrobium Phản nitrat hóa
13
Desulfovibrio
Khử sunfat, khử nitrat
Các động vật nguyên sinh cũng có mặt trong bùn hoạt tính và tham gia vào
quá trình làm sạch nước thải. Chúng ăn các vi khuẩn già hoặc đã chết, tăng cường
loại bỏ vi khuẩn gây bệnh, làm đậm đặc màng nhầy nhưng lại làm xốp khối bùn, kích
thích VSV tiết enzyme ngoại bào để phân hủy chất hữu cơ nhiễm bẩn và làm kết lắng
bùn nhanh.
Để xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính có hiệu quả, cần sử dụ
ng nhiều biện
pháp khác nhau để tạo bùn hoạt tính nhằm tăng số lượng cũng như hoạt lực của các
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
22
VSV có trong đó như: lấy bùn hoạt tính ở nơi xử lý khác có tính chất giống như nước
thải nghiên cứu, hồi lưu bùn đã dùng ở những bể xử lý nước thải trước trở lại các bể
sục khí. Ngoài ra, cần chú ý đến các yếu tố ảnh hưởng đến sinh trưởng và phát triển
của VSV có trong bùn hoạt tính như:
- Nhiệt độ của nước thải: Nếu nhiệt độ cao thì phải có thi
ết bị hạ nhiệt độ
xuống khoảng 25 – 30
0
C;
- pH của nước thải: cần phải điều chỉnh pH của nước thải đạt khoảng 6,5 – 7,5;
- Các nguyên tố có tính độc có thể tiêu diệt hoặc kìm hãm sinh trưởng của
VSV. Nước thải có chứa các độc tố đặc biệt này cần phải có biện pháp xử lý riêng
trước khi được xử lý bằng bùn hoạt tính;
- Tỷ số BOD
5
: N: P: Đây là các chỉ số cần được quan tâm khi cân bằng dinh
dưỡng cho VSV trong nước thải. Tỷ lệ BOD
5
: N: P được đề xuất tối ưu là 100: 5: 1.
Ngoài chất hữu cơ, nitơ và photpho là hai nguồn dinh dưỡng quan trọng cho sự tạo
thành tế bào mới và hoạt động của VSV trong bùn hoạt tính. Ngoài ra, để phát huy
được vai trò của bùn hoạt tính đến điều kiện hiếu khí hay nồng độ oxy hòa tan trong
nước, chúng ta phải quan tâm trong các quy trình công nghệ xử lý nước thải bằng bùn
hoạt tính. Có thể làm tăng nồng độ oxy hòa tan bằng cách tăng mặt thoáng của ao hồ,
áp dụng các biện pháp sục khí và khuấy cưỡng bức [16].
- Cách tạo bùn hoạt tính:
+/ Môi trường tạo bùn hoạt tính: là nước thải có cùng hoặc gần giống với phổ
nhiễm bẩn của nước thải cần xử lý. Môi trường tạo bùn cần được bổ sung các nguồn
dinh dưỡng N, P theo tỉ lệ BOD
5
: N: P = 100: 5: 1, đường kính (hoặc glucoza,
mantoza) với hàm lượng khoảng 50 g/l môi trường;
+/ Giống VSV: là bùn hoạt tính lấy từ các nơi khác hoặc những bể chứa nước thải
cần xử lý đã hình thành bùn ở điều kiện hiếu khí trong các nguồn nước thải giống
nhau. Bùn này được cho vào bình tam giác theo tỷ lệ 5 – 10% rồi đặt trên máy lắc có
tốc độ 180 – 200 vòng/phút ở 25- 30
0
C, trong thời gian từ 24 – 48 tiếng. Sau đó lấy
cặn bùn từ bình tam giác đưa vào các thùng lớn chứa môi trường có sục khí để kích
thích sinh trưởng trong điều kiện hiếu khí rồi chuyển sang hệ thống xử lý. Bùn hồi lưu
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
23
có thể được làm tái sinh hay hoạt hóa để tăng hoạt lực của bùn trong các bể xử lý đã
có tỉ lệ môi trường thích hợp và sục khí tích cực trong vài giờ, sau đó bùn được quay
trở lại các bể xử lý hiếu khí khác [1].
1.3 Nghiên cứu khả năng xử lý nước ô nhiễm bằng vi tảo
Tảo là thực vật bậc thấp, sống theo kiểu quang tự dưỡng, dị dưỡng hoặc tạp
dưỡng. Có loạ
i tảo có cấu trúc đơn bào, có loại mọc nhánh dài. Chúng là thực vật
phù du, có thể trôi nổi ở trong nước hay móc vào các giá đỡ (loài thực vật khác).
Trong số khoảng 50.000 loài tảo trên thế giới thì vi tảo chiếm đến 2/3 [90]
. Nhiều
loài tảo, như vi tảo còn được xếp vào nhóm VSV, tảo lam được xếp vào nhóm vi
khuẩn lam. Tảo phát triển làm nước có màu sắc, thực chất là màu sắc của tảo (tảo
lam Anabaena cylindrica làm cho nước có màu xanh lam, Oscilatoria rubecens làm
cho nước ngả màu hồng, các loài khuê tảo Melorisa, Navicula làm cho nước có màu
vàng nâu ) [16].
Trong nước thải giàu nguồn N và P là điều kiện tốt cho tảo phát triển. Nguồn
CO
2
có thể do VSV hoạt động thải ra trong nước, phân hủy các chất hữu cơ tạo
thành và cung cấp cho tảo hoặc từ không khí.
Cơ sở sinh học của việc sử dụng một số loài tảo để xử lý nước thải là dựa
vào đặc tính sinh trưởng tự nhiên của chúng. Tảo sử dụng CO
2
hoặc bicacbonat làm
nguồn cacbon và nguồn nitơ, photpho vô cơ để cấu tạo tế bào dưới tác dụng của
năng lượng ánh sáng mặt trời, đồng thời thải ra khí oxy. Quá trình quang hợp của
tảo được biểu diễn như sau:
ánh sáng
CO
2 + NH
4
+
+ PO
4
3-
Tế bào tảo mới (tăng sinh khối) +
O
2
Các khí oxy phân tử sinh ra làm giàu thêm hàm lượng oxy hòa tan trong
nước, tạo điều kiện thuận lợi giúp vi khuẩn hiếu khí phát triển và thúc đẩy các phản
ứng oxy hóa - khử trong quá trình phân hủy hiếu khí các chất hữu cơ xảy ra nhanh
hơn.
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
24
Vai trò chính của tảo và thực vật thủy sinh là khử nguồn amonium hoặc
nitrat, cùng nguồn photphat có trong nước. Việc làm giảm các chất hữu cơ ô nhiễm
trong nước chủ yếu là nhờ một số loại vi khuẩn, tảo và thực vật khác chỉ sinh oxy
và có rễ để vi khuẩn bám vào, cùng tán lá che chắn làm giảm tác động của ánh sáng
mặt trời giúp vi khuẩn khỏi chết và tạo điều kiện cho chúng hoạt động tốt hơn.
Các loài vi tảo có thể làm thức ăn tự nhiên trong nuôi trồng thủy sản. Một số
loài tảo có khả năng phát triển trên một số loại nước thải đóng vai trò quan trọng
trong quá trình làm sạch nước thải. Cùng với các VSV khác, vi tảo giữ vai trò như
máy lọc sinh học tự nhiên, trực tiếp hấp thu tất cả những sản phẩm thừa, sản phẩm
sau cùng của phân huỷ hữu cơ và chuyển hoá chúng sang dạng ít
độc hại hơn hoặc
phân giải chúng thành những vật chất khác đơn giản và vô hại. Những loại tảo và vi
khuẩn lam nước ngọt được sử dụng phổ biến trong quá trình xử lý nước thải chủ
yếu thuộc các chi Chlorella, Spirulina, Scenedessmus…Từ nhiều năm qua đã có
nhiều nghiên cứu trong và ngoài nước về việc ứng dụng các loài tảo trong xử lý
nước ô nhiễm. Tại Việt Nam, năm 2010, nghiên cứu t
ại trường Đại học Bách khoa
TP. Hồ Chí Minh đã chứng minh loài tảo Tetraselmis sp. có khả năng làm sạch
nước thải nuôi tôm sú [80]. Tại Trung Quốc, năm 2009, nghiên cứu của trường Đại
học Nanchang cũng đã chứng minh được khả năng xử lý nước thải đô thị rất hiệu
quả của loài tảo Chlorella [47]. Năm 2010, các nhà nghiên cứu của Thụy Điển cũng
chỉ ra các loài vi tảo có hi
ệu quả xử lý nitơ và photpho có trong nước thải rất tốt,
hiệu suất xử lý nitơ đạt 60 - 80% và photpho đạt từ 60 – 100% trong các tháng của
mùa hè [43].
1.4 Giới thiệu chung về tảo lam Spirulina
1.4.1 Đặc điểm hình thái và cấu trúc tế bào của tảo lam Spirulina
Tảo lam được xếp vào nhóm vi khuẩn lam, là loài VSV đầu tiên có khả năng
quang hợp và sinh ra khí oxy được phát hiện từ hơn 3,5 tỷ năm trước [39].
Spirulina (Athrospira) platensis thuộc ngành vi khuẩn lam (Cyanophyta), l
ớp
Cyanophyceae, bộ Oscillatoriales, họ Oscillatoraceae, chi Spirulina.
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
25
Spirulina là tảo đa bào, dạng sợi. Có hai loài quan trọng là Spirulina maxima
và Spirulina platensis. Chiều dài sợi tảo Spirulina có thể đạt 250 µm. Spirulina có 5
– 7 vòng xoắn, dạng lò xo không phân nhánh. Bước xoắn có chiều dài khoảng 60
µm, đường kính xoắn khoảng 35 – 50 µm [13]. Sợi tảo có khả năng tự chuyển động
theo kiểu thanh trượt quanh trục của sợi. Một số hình ảnh về tảo Spirulina được
minh họa trên hình 1.
Error!
Hình 1A. Hình ảnh về
Spirulina platensis
[Nguồn:
Hình 1B. Hình ảnh về
Spirulina maxima
[Nguồn:
/>/product_info.php?products_id=56]
Tế bào tảo Spirulina chưa có nhân điển hình, vùng nhân là vùng giàu axit
nucleic chưa có màng nhân bao bọc, phân bố trong nguyên sinh chất. Ngoài ra, tế
bào Spirulina không có không bào thực, chỉ có không bào chứa khí làm chức năng
điều chỉnh tỷ trọng tế bào. Nhờ có không bào chứa khí mà Spirulina có thể nổi lên
mặt nước. Mặc dù không có ty thể và mạng lưới nội chất song tế bào Spirulina vẫn
có ribosom và một số thể vùi như các hạt polyphotphat, glycogen, phycocyanin,
carboxysome và hạt mesosome.
Thành tế
bào Spirulina có cấu trúc nhiều lớp, không chứa xenlulo mà chứa
mucopolyme pectin và các loại polisaccarit khác. Màng tế bào nằm sát ngay bên
dưới thành tế bào và nối với màng quang hợp thylakoid tại một vài điểm. Spirulina
