Nghiên cứu chế phẩm xử lý nước thải nhà máy rượu đồng xuân, tỉnh phú thọ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-------------------

LÊ THỊ BÍCH HẰNG

NGHIÊN CỨU CHẾ PHẨM XỬ LÝ NƯỚC THẢI
NHÀ MÁY RƯỢU ĐỒNG XUÂN, TỈNH PHÚ THỌ

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Hà Nội – 2010

1


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-------------------

LÊ THỊ BÍCH HẰNG

NGHIÊN CỨU CHẾ PHẨM XỬ LÝ NƯỚC THẢI
NHÀ MÁY RƯỢU ĐỒNG XUÂN, TỈNH PHÚ THỌ

Chuyên ngành : Vi sinh vật học
Mã số

: 60 42 40

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. BÙI THỊ VIỆT HÀ

Hà Nội - 2010

2


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS. Bùi Thị Việt Hà đã tận
tình giúp đỡ, dìu dắt và hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện luận
văn này.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy, cô trong bộ môn Vi sinh
vật học, khoa Sinh học – Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học quốc gia
Hà Nội đã tận tình hướng dẫn và chỉ bảo cho tôi suốt thời gian qua.
Cuối cùng tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn đến gia đình, bạn bè và
người thân đã giúp đỡ tôi và động viên tôi rất nhiều.
Với lòng biết ơn sâu sắc tôi xin chân thành cảm ơn tất cả những
sự giúp đỡ quý báu nói trên.
Hà Nội, tháng 12 năm 2010
Học viên
Lê Thị Bích Hằng

3


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU.......................................................................................................9
Chương I........................................................................................................11
Chương I.....................................................................................................11
TỔNG QUAN TÀI LIỆU.............................................................................11

TỔNG QUAN TÀI LIỆU..........................................................................11
1.1.2 Phân loại nước thải:.............................................................................................11
1.1.3 Các hiện tượng ô nhiễm nước.............................................................................12

1.1.3.3- Ô nhiễm về mặt sinh học..........................................................15
1.1.4. Các chỉ tiêu đánh giá độ nhiễm bẩn của nước thải.............................................15

1.2. Đặc tính của nước thải nhà máy rượu Đồng Xuân - Phú Thọ........16
1.3. Các biện pháp xử lý nước thải...........................................................17
1.3.1. Phương pháp cơ học...........................................................................................17
1.3.2. Phương pháp hóa học.........................................................................................18
1.3.3. Phương pháp hóa lý............................................................................................18
1.3.4. Phương pháp xử lý sinh học:..............................................................................19

1.3.4.1 Phương pháp xử lý hiếu khí......................................................20
1.3.4.2. Phương pháp thiếu khí (anoxic)...............................................22
1.3.4.3. Quá trình khị khí (anaerobic)...................................................22
1.4. CHẾ PHẨM SINH HỌC....................................................................28
1.4.1 Các vi sinh vật quan trọng trong xử lý nước thải................................................28
1.4.2 Các chất hữu cơ và các enzym vi sinh vật phân giải chúng................................29

1.4.2.1 Tinh bột và enzym amylaza........................................................30
1.4.2.2. Xenluloza và enzym xenlulaza..................................................31
1.5. Tình hình nghiên cứu chế phẩm sinh học trong nước và ngoài nước
.....................................................................................................................32
1.5.1.Trong nước..........................................................................................................32
1.5.2 Ngoài nước:.........................................................................................................34

CHƯƠNG 2. NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP................................35
CHƯƠNG 2. NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP.............................35

2.1. NGUYÊN LIỆU..................................................................................35
2.1.1. Vi sinh vật..........................................................................................................35

4


2.1.2. Hoá chất..............................................................................................................35
2.1.3. Thiết bị, dụng cụ.................................................................................................35
2.1.4. Môi trường (xem phụ lục)..................................................................................35

2.2. PHƯƠNG PHÁP.................................................................................35
2.2.1. Phương pháp phân lập và tuyển chọn vi sinh vật...............................................35

2.2.1.1. Phân lập vi sinh vật...................................................................35
2.2.1.2. Tuyển chọn các chủng vi sinh vật............................................36
2.2.2. Phương pháp xác định hoạt tính enzym và hoạt tính kháng sinh.......................36
2.2.3. Xác định sinh khối bằng phương pháp đo mật độ quang học – OD (optical
density).........................................................................................................................37
2.2.4. Phương pháp đếm số lượng tế bào.....................................................................37
2.2.5. Phương pháp xác định vi khuẩn G(+) hay G(-)..................................................37
2.2.7. Phương pháp xác định ảnh hưởng của các điều kiện nuôi cấy đến khả năng tổng
hợp enzym và kháng sinh.............................................................................................38
2.2.8. Ảnh hưởng của một số yếu tố đến hoạt tính enzym...........................................38
2.2.9. Xác định tính đối kháng.....................................................................................39
2.2.10. Phương pháp tạo chế phẩm..............................................................................39
2.2.11. Phương pháp xác định một số đặc điểm sinh học của vi khuẩn.......................39
2.2.12. Phân loại theo sinh học phân tử........................................................................40

 Phản ứng khuếch đại ADN cho giải trình tự....................................42
 Phản ứng khuếch đại ADN cho giải trình tự....................................42

Sử dụng bộ kít Cycle sequencing với hỗn hợp phản ứng như sau:....42
Sử dụng bộ kít Cycle sequencing với hỗn hợp phản ứng như sau:....42
2.2.13. Xác định nhu cầu oxy hóa hóa học (COD) (ISO 8245:1987(E)).....................43

ml mẫu...........................................................................................................43
Trong đó: A: Số ml dung dịch FAS đã chuẩn mẫu trắng..........................43
Lượng dung dịch K2Cr2O7........................................................................43
M = × 250........................................................................................................43
Lượng dung dịch FAS tiêu tốn, ml.............................................................43
2.2.14.Xác định nhu cầu oxy hóa sinh hóa (BOD5) [60].....................44
2.2.15. Xác định oxy hóa hòa tan (DO) (ISO 8245: 1987)..........................................44
2.2.16. Xác định chất rắn tổng số (TS) (ISO 8245:1987)............................................44
2.2.17. Xác định chất rắn huyền phù:...........................................................................45
2.2.19. Xác định pH......................................................................................................45
2.2.20. Xác định các vi sinh vật sống trong nước thải.................................................45

.........................................................................................................................46

5


CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN...............................................47
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN............................................47
3.1. VI KHUẨN PHÂN GIẢI HỢP CHẤT HỮU CƠ............................47
3.1.1. Tuyển chọn các chủng vi khuẩn có khả năng sinh enzym cao...........................47
3.1.2. Phân loại các chủng vi khuẩn được lựa chọn.....................................................48

3.1.2.1. Phân loại theo phương pháp truyền thống..............................48
3.1.3. Lựa chọn các điều kiện nuôi cấy thích hợp cho sinh tổng hợp enzym...............53

3.1.3.1. Lựa chọn môi trường nuôi cấy thích hợp................................53
3.1.3.2. Lựa chọn pH nuôi cấy thích hợp..............................................55
3.1.3.3. Lựa chọn nhiệt độ nuôi cấy thích hợp.....................................57
3.1.3.4. Lựa chọn thời gian nuôi cấy thích hợp...................................58
3.1.3.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ bền của enzym......................59
3.1.3.6. Ảnh hưởng của pH đến độ bền enzym.....................................60
3.1.3.7. Ảnh hưởng của thời gian đến độ bền enzym...........................62
3.1.3.8. Khả năng sinh kháng sinh của ba chủng................................63
3.2. BƯỚC ĐẦU NGHIÊN CỨU TẠO CHẾ PHẨM.............................63
3.2.1. Tính đối kháng của các chủng............................................................................63
3.2.2. Quy trình lên men dịch:......................................................................................64

3.2.2.1. Tỷ lệ giống thích hợp đối với lên men dịch..............................64
3.2.2.2.Hệ thống xử lý nước thải tại nhà máy.......................................64
3.2.2.3. Tỷ lệ chế phẩm..........................................................................65
3.2.2.4. Thử nghiệm xử lý nước thải bằng phương pháp hiếu khí quy
mô 100 lít..............................................................................................67
3.3. Quy trình lên men xốp:......................................................................69
3.3.1. Lựa chọn chất mang cho lên men xốp................................................................69
3.3.2 Tỷ lệ thích hợp đối với lên men xốp...................................................................71
3.3.3. Thời gian ủ thích hợp đối với lên men xốp........................................................71
3.3.4. Thử nghiệm xử lý nước thải với chế phẩm lên men xốp trong phòng thí nghiệm
......................................................................................................................................72

KẾT LUẬN....................................................................................................74
KẾT LUẬN.................................................................................................74

6

TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................75
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................75

7


CÁC CHỮ VIẾT TẮT (Abbreviations)
_________________________________

CHỮ VIẾT TẮT
BOD5
BODn
COD
DO
TS
DS
SS
NA

TIẾNG ANH

TIẾNG VIỆT

Fivedays Biochemical

Nhu cầu oxy sinh học trong 5

Oxygen Demend
Ndays Biochemical Oxygen

ngày nuôi cấy
Nhu cầu oxy sinh học trong n

Demand
Chemical oxygen Demand
Dissolved Oxygen
Total Solid
Dissolved Solid
Suspended Solid
Nutrient agar

ngày nuôi cấy
Nhu cầu oxy hóa học
Oxy hòa tan
Tổng lượng chất rắn
Chất rắn hòa tan
Các chất rắn huyền phù
Thạch dinh dưỡng

8


MỞ ĐẦU
Nước là nguồn tài nguyên vô cùng quan trọng cho tất cả các sinh vật
trên trái đất. Nước đóng vai trò quan trọng trong nhiều quá trình diễn ra trong
tự nhiên và trong cuộc sống con người. Từ 3000 năm trước công nguyên
người Ai Cập đã biết dùng hệ thống tưới nước để trồng trọt và ngày nay con
người đã khám phá nhiều khả năng của nước đảm bảo sự phát triển của xã hội
trong tương lai, nước rất quan trọng trong nông nghiệp, công nghiệp, trong
sinh hoạt thể thao giải trí và cho tất cả các hoạt động khác của con người. Vậy

mà ngày nay nguồn nước trên hành tinh chúng ta đang bị đe dọa. Các hoạt
động công nghiệp từng ngày từng giờ thải vào các dòng sông hàng ngàn tấn
chất bẩn và độc hại. Các hoạt động của con người cũng tạo nên sự ô nhiễm
nghiêm trọng. Con người dùng nguồn nước để sống nhưng cũng thải vào
nguồn nước những sản phẩm độc hại đầu độc lại chính mình.
Nước ta thực hiện sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước,
theo đó nhiều khu công nghiệp, chế xuất với hàng nghìn nhà máy, doanh
nghiệp ra đời, song do công tác xây dựng hạ tầng kỹ thuật thiếu đồng bộ,
trong đó khá nhiều nơi ít quan tâm đến việc xử lý chất thải, cho nên hàng
nghìn tấn chất thải rắn, lỏng… hàng năm cứ thể đổ vào các ao hồ sông suối
gây ô nhiễm trầm trọng tới nguồn nước, đây là mầm mống gây ra các bênh
tật, kể cả những bệnh hiểm nghèo như ung thư dạ dày, gan, ruột,v.v… 1m 3
nước thải có thể làm nhiễm bẩn 10m 3 nước sạch dó đó nguồn nước ngày càng
cạn kiệt và thiếu hụt nghiêm trọng. Điều đó khiến cho việc cung cấp nước cho
con người trở thành vấn đề hết sức khó khăn. Chính vì vậy, xử lý nước thải để
có thể quay vòng cho nước trở lại đang là một vấn đề được chú trọng nghiên
cứu mang lại cuộc sống tốt cho con người.
Trong một quy trình công nghệ xử lý nước thải bao gồm nhiều công
trình và thiết bị nối tiếp theo đặc tính kỹ thuật có thể chia làm ba loại: Cơ học,
hóa học và sinh học, trong đó xử lý sinh học là quy trình xử lý nước thải lợi
dụng sự hoạt động, sống và sinh trưởng của vi sinh vật để đồng hóa các chất
hữu cơ trong chất thải, biến các chất hữu cơ thành khí và vỏ tế bào của vi sinh
vật để loại khỏi nước.

9


Trên Thế giới, vấn đề nghiên cứu bảo vệ môi trường đã được chú ý từ
lâu, nhiều nước đã đưa ra được công nghệ và thiết bị tiến tiến, đã hướng đến
một nền sản suất nước sạch, nghiên cứu và đã tạo ra những chế phẩm sinh học

làm sạch môi trường nước bị ô nhiễm như chế phẩm EM của Nhật hoặc
GEM…
Nghiên cứu và phát triển chế phẩm sinh học tại Việt Nam chỉ thực sự
phát triển từ năm 1995, các trung tâm nghiên cứu ngày càng chú trọng trong
việc phát triển và phát minh các loại chế phẩm mới phục vụ cho hoạt động
sản xuất kinh tế và bảo vệ môi trường…
Nhà máy Cồn, Rượu Sài Gòn- Đồng Xuân tại Thanh Ba- Phú Thọ được
thành lập 15/9/1965, chuyên sản xuất cồn thực phẩm công xuất 1,5 triệu lít
cồn, 3 triệu lít rượu phục vụ cho đời sống dân sinh và xuất khẩu. Do đó hàng
năm nhà máy thải ra hàng nghìn m3 nước thải. Bản chất của nước thải sản suất
rượu có nhiều chất hữu cơ và các yếu tố vi lượng, đồng thời không có những
độc tố, rất thích hợp cho vi sinh vật sống và phát triển, đây chính là cơ sở cho
việc xử lý nước thải công nghiệp sản suất rượu bằng phương pháp sinh học.
Mặc dù nhà máy đã xây dựng hệ thống xử lý nước thải nhưng chưa triệt để,
hệ thống xử lý nước thải của nhà máy cũng được xây dựng bao gồm quy trình
xử lý sinh học nhưng còn đơn giản, lượng nước thải ra sau khi xử lý vẫn chưa
đạt được mức tiêu chuẩn cho phép.
Để góp phần hỗ trợ vào việc xử lý nước thải cho nhà máy rượu, tạo ra
nguồn nước thải sạch có thể tái sử dụng cho con người chúng tôi đã tiến hành
đề tài “ Nghiên cứu chế phẩm xử lý nước thải nhà máy rượu Đồng Xuân,
Tỉnh Phú Thọ ”

10


Chương I
TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1- KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI NƯỚC THẢI
1.1.1- Khái niệm:
Nước thải là nước được tạo ra trong quá trình sử dụng hoặc được tạo ra

trong quá trình công nghệ và không còn giá trị trực tiếp đối với quá trình công
nghệ đó nữa [13].
1.1.2 Phân loại nước thải:
Có một số cách phân loại nước thải đó là:
-

Phân loại theo nguồn chất thải

Phân loại theo tác nhân ô nhiễm (ô nhiễm vật lý, ô nhiễm hóa
học, ô nhiễm vi sinh vật, ô nhiễm nhiệt và ô nhiễm phóng xạ).
Tùy theo nguồn thải ra mà người ta phân loại nước thải sinh hoạt, nước
thải công nghiệp hay nước thải nông nghiệp [20].
Nước thải sinh hoạt
Nước thải sinh hoạt là nước thải của một cộng đồng dân cư, được thải
ra từ các hộ gia đình, bệnh viện, khách sạn, trường học cơ quan, có chứa đựng
các chất thải trong quá trình sống của con người [16]
Đặc điểm của nước thải sinh hoạt là chứa nhiều chất hữu cơ dễ phân
hủy sinh học (hydratcacbon, protein, lipit), có nguồn gốc từ động thực vật, là
nguồn cung cấp chất dinh dưỡng đối với vi sinh vật…Nước thải bao gồm
99,9% nước và 0,1% chất rắn trong đó khoảng 58% là chất hữu cơ, 42% là
chất vô cơ và một lượng lớn các vi sinh vật. Các chất vô cơ phân bố ở dạng
tiềm tan nhiều hơn so với các chất hữu cơ. Các chất hữu cơ phân bố ở dạng
keo và không tan [36].
Nước thải công nghiệp
Nước thải công nghiệp được thải ra từ các cơ sở sản xuất công nghiệp,
tiểu thủ công nghiệp, giao thông vận tải… Đặc điểm của nước thải công

11

nghiệp là có chứa các chất độc hại, các kim loại nặng, các chất hữu cơ khó
phân hủy sinh học (phenol, chất hoạt động bề mặt…), các chất hữu cơ dễ
phân hủy sinh học từ các cơ sở sản xuất công nghiệp thực phẩm… Mỗi loại
nước thải từ các quy trình sản xuất công nghiệp khác nhau thì có tính chất
khác nhau [40].
Tính chất đặc trưng của nước thải một số ngành công nghiệp như sau:
Bảng 1.1: Tính chất đặc trưng của một số ngành công nghiệp
Các chỉ tiêu (mg/l)

Chế biến sữa

Dệt sợi tổng
hợp

Sản suất thịt
hộp

BOD5

1000

1500

1400

COD

1900

3300

2100

Tổng chất rắn

1600

8000

3300

Chất rắn lơ lửng

300

2000

1000

Nitơ

50

30

150

Phốtpho

12

-

16

Dầu mỡ

-

-

500

Clorua

-

-

-

Phenol

-

-

-

- Nước thải nông nghiệp: Được thải ra từ các quá trình sản suất nông

nghiệp, nguồn gây ô nhiễm thường là các chất thải động vật. Đặc tính ô nhiễm
chất thải động vật chứa hàm lượng cao chất hữu cơ dễ phân hủy nitrat, và
nhiều loại vi sinh vật gây bệnh. Ngoài ra nước thoát từ đồng ruộng có thể
cuốn theo thuốc trừ sâu, phân bón vô cơ và hữu cơ. Nước thải nông nghiệp
cũng được coi là nguồn chính gây ô nhiễm cho sông, hồ [40].
1.1.3 Các hiện tượng ô nhiễm nước
Hiện tượng ô nhiễm nước thể hiện ở mặt vật lý hóa học và sinh học [36]

12


1.1.3.1- Ô nhiễm vật lý:
Hiện tượng ô nhiễm về mặt vật lý thể hiện ở màu sắc, độ đục của nước,
và hiện tượng nhiễm nhiệt.
- Ô nhiễm màu thường do các chất hữu cơ màu gây nên, tuy nhiên cũng
có một số chất vô cơ có màu đậm, đặc biệt là những hợp chất chứa sắt và
crom.
- Độ đục nước: Các chất gây đục cho nước bao gồm cả chất vô cơ và
hữu cơ. Các chất hữu cơ trong nước được dùng làm thức ăn cho vi sinh vật.
Sự phát triển của vi sinh vật lại gây thêm độ đục cho nước.Những chất dinh
dưỡng vô cơ (như nitơ và phốtpho) có mặt trong nước thải từ vùng sản suất
nông nghiệp sẽ làm thúc đẩy sự phát triển của tảo vì vậy làm cho độ đục của
nước tăng lên.
- Ô nhiễm nhiệt độ: nước thải ra từ các nhà máy nhiệt điện, nước làm
sạch các máy móc, nước sản xuất thường có nhiệt độ cao làm cho nhiệt độ ở
các thủy vực tăng lên (nước thải của các quá trình làm lạnh thường có nhiệt
độ cao hơn 10-150C so với nhiệt độ nước đưa vào làm nguội). Ô nhiễm nhiệt
độ làm giảm nồng độ oxy hòa tan trong nước gây ra tình trạnh kỵ khí. Tình
trạng kỵ khí do nhiệt độ tăng tạo điều kiện cho sản sinh các sản phẩm phân
hủy độc hại và do vậy hiện tượng ô nhiễm ngày càng trở nên trầm trọng hơn.

Bảng 1.2: Các đặc tính vật lý, hóa học, sinh học của nước thải và các nguồn thải
Đặc tính

Vật lý

Nguồn thải

Màu

Nước thải sinh hoạt, công nghiệp, do sự thối giữa
tự nhiên của các hợp chất hữu cơ.

Mùi

Do sự phân rã của các hợp chất hữu cơ trong
nước thải

Chất rắn
Hữu cơ

Từ nước thải sinh hoạt, công nghiệp hay do sự
sói mòn đất.
Từ nước thải sinh hoạt, công nghiệp,các khu

13


Hóa
học

Hydratcacbon

thươngmại

Chất béo
Thuốc trừ sâu

Từ nước thải sinh hoạt, công nghiệp, các khu
thương mại

Các hợp chất

Nước thải công nghiệp

Phenol

Nước thải công nghiệp

Protein

Từ nước thải sinh hoạt, công nghiệp, các khu
thương mại

Dầu mỏ

Các hợp chất Nước thải công nghiệp
Từ nước thải sinh hoạt, công nghiệp, các khu
hữu cơ bay hơi
thương mại
Các chất khác

Vô cơ

Do sự thối giữa tự nhiên của các chất hữu cơ.

Các chất có tính Từ nước thải sinh hoạt
Từ nước thải sinh hoạt
kiềm
Các hợp chất clo Nước thải công nghiệp
Kim loại nặng
Phốtpho
Lưu huỳnh

Từ nước thải sinh hoạt, công nghiệp, các khu
thương mại
Từ nước thải sinh hoạt, công nghiệp, các khu
thương mại

Khí

Các
thành
phần
sinh
học

CH4

Nước thải sinh hoạt đang phân hủy

H2S

Nước thải sinh hoạt đang phân hủy

Động vật

Từ các sông suối tự nhiên và các nhà máy xử lý

Thực vật

Từ các sông suối tự nhiên và các nhà máy xử lý

Vi khuẩn

Nước thải sinh hoạt

Vi rút

Nước thải sinh hoạt

- Ô nhiễm do các hợp chất vô cơ ví dụ như kim loại nặng như As, Cd,
Cr, Cu, Pb, Mn, Hg, Zn…

14


- Ô nhiễm các hợp chất hữu cơ về khả năng phân hủy sinh học có thể
chia làm hai loại như sau: chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học(hydratcacbon,
protein, chất béo…) và chất hữu cơ khó phân hủy sinh học (hydrocacbon
vòng thơm, các chất đa vòng ngưng tụ…). Trong thành phần hữu cơ từ nước
thải sinh hoạt có khoảng 40-60% protein, 25-50% hydrocacbon, 10% chất

béo. Trong số các chất thải hữu cơ thì đặc biệt nguy hiểm là các thuốc trừ sâu
còn dư thừa và tích đọng trong đất nước gây tác hại nghiêm trọng đến sức
khỏe của cộng đồng [32].
Hiện tượng ô nhiễm hóa học còn thể hiện ở các đặc tính về mùi và vị
của nước. Nước thải công nghiệp chứa nhiều chất hữu cơ hóa học như muối
sắt, mangan, clo tự do, hydrosunfua, các phenol và những hydrocacbon không
no …làm cho nước có vị không tốt. Mùi của nước thường được gây ra do
những chất có mùi mạnh như amoniac, các phenol, các sunfua, xyanua…
Ngoài ra sự có mặt của nhiều loại rong tảo và những động, thực vật khác đang
bị thối giữa làm cho nước có mùi hôi thối rất khó chịu [33].
1.1.3.3- Ô nhiễm về mặt sinh học
Tác nhân gây ô nhiễm sinh học thường là các vi khuẩn gây bệnh, một
số loại nấm, tảo,virut, động vật nguyên sinh, các loại giun ký sinh và bất cứ
loại động vật nào do một nguyên nhân nhất định mà sinh sôi trong nước hoặc
có tính chất gây hại [16].
1.1.4. Các chỉ tiêu đánh giá độ nhiễm bẩn của nước thải
Các chỉ tiêu cơ bản đánh giá độ nhiễm bẩn của nước thải là nồng độ
hợp chất chứa trong nước được đặc trưng bởi: Nhu cầu oxy sinh hóa
(Biochemical Oxygen Demand – BOD), nhu cầu oxy hóa hóa học (Chemical
Oxygen Demand – COD) Chất rắn tổng số (Total Solids – TS) và chất huyền
phù (Suspendend Solids–SS)… [18,19,24,33]
- Nhu cầu oxy hóa (BOD – Biochemical Oxygen Demand)
Nhu cầu oxy sinh hóa là lượng oxy sử dụng để oxy hóa sinh hóa hiếu
khí các hợp chất hữu cơ trong thời gian nhất định để đảm bảo cho quá trình oxy

15


hóa diễn ra. Để oxy hóa hòa tan hoàn toàn 21-28 ngày. Nói chung người ta xác
định tiêu chuẩn nuôi cấy ở 200C trong năm ngày. Thường BOD5/ BODn = 58%

Oxy hóa sinh học thể hiện qua phản ứng sau đây:
Chất hữu cơ + O2

VSV

CO2 + H2O + NH3 + sinh khối (tế bào mới)

BOD được dùng để đánh dấu độ nhiễm bẩn của nước thải, BOD càng lớn thì
độ nhiễm bẩn càng lớn. Đơn vị tính BOD thường sử dụng là mg/l. Trong hệ
thống xử lý người ta thường sử dụng đơn vị Kg/m3
-

Nhu cầu oxy hóa hóa học (COD- Chemical Oxy gen Demand):

Là lượng oxy sử dụng để oxy hóa hóa học các chất hữu cơ thành CO2 và H2O.
Hợp chất hữu cơ + Cr2O72- + H+ → CO2 + H2O + Cr3+
Nhu cầu oxy hóa càng lớn thì mức độ ô nhiễm của nước thải càng cao. Đây là
một trong những chỉ tiêu quan trọng đánh giá mức độ ô nhiễm của nước thải
và người ta cũng sử dụng chỉ tiêu BOD, COD làm những chỉ tiêu cơ bản trong
việc quy định tiêu chuẩn và phân loại nước thải.
Chất rắn tổng số (TS –Total solid): Chất rắn tổng số là toàn bộ
chất rắn ở dạng hòa tan và lơ lửng có trong nước thải. TS được tính bằng khối
lượng chất khô còn lại khi bốc hơi hết nước trong nước thải (sấy 103 0C 1050C đến trọng lượng không đổi). Đơn vị tính: mg/l
Chất rắn huyền phù (SS- suspended solid): Chất rắn huyền phù là
lượng chất rắn lơ lửng có trong nước thải được giữa trên giấy lọc và được sấy
ở nhiệt độ 1030C - 1050C đến khối lượng không đổi. Đơn vị tính: mg/l.
-

Chất rắn hòa tan (DS – Disolved Solids): DS = TS – SS

1.2. Đặc tính của nước thải nhà máy rượu Đồng Xuân - Phú Thọ
Nước thải công nghiệp sản xuất rượu gồm:
Nước làm mát máy, nước trao đổi nhiệt nồi hơi... lưu lượng nước
lớn nhưng ít ô nhiễm.
Nước rửa thiết bị dịch hóa, đường hóa tinh bột, thiết bị nấu rượu,
nước làm lạnh, nước rửa thiết bị lọc, rửa bã...chứa nhiều tinh bột.

16


Nước rửa thiết bị lọc rượu thành phẩm và rửa tec lên men có
nhiều xác nấm men.
Nước vệ sinh nhà xưởng chứa nhiều bã malt. Do nguyên liệu
chính nhà máy dùng để nấu rượu là sắn có thành phần chủ yếu là tinh bột và
xenluloza nên bã malt cũng gồm chủ yếu là tinh bột và xenluloza còn lại sau
khi nấu rượu.
Nói chung nước thải nhà máy rượu không chứa các độc tố và dễ bị
phân hủy bởi vi sinh vật.
Nhà máy đã xây dựng hệ thống xử lý nước thải theo phương pháp sinh
học, hệ thống xử lý cũng bao gồm có bể khị khí và bể hiếu khí, tuy nhiên
nước thải ra sau quá trình xử lý vẫn chưa đạt chỉ tiêu cho phép, nước có mùi
rất hôi, và màu nâu đậm. Vì đây là nước mà nhà máy cho là đã xử lý nên sau
đó được thải ra các cống rãnh xung quanh, đặc biệt ở gần khu vực đó có rất
nhiều nhân cư sinh sống gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến đời sống của người
dân.
1.3. Các biện pháp xử lý nước thải
Hiện nay có rất nhiều phương pháp xử lý nước thải khác nhau nhưng
có thể chia thành 3 phương pháp chính:
-

Phương pháp cơ học

-

Phương pháp hóa học và lý học

-

Phương pháp sinh học

Việc lựa chọn phương pháp nào là tùy thuộc vào đặc tính của từng loại
nước thải và mức độ cần làm sạch.
1.3.1. Phương pháp cơ học
Phương pháp này thường dùng để xử lý sơ bộ, ít khi là quá trình kết
thúc của quá trình xử lý công nghiệp. Phương pháp này dùng để loại bỏ tạp
chất không tan hay tạp chất cơ học trong nước thải. Các tạp chất này có thể là
vô cơ hay hữu cơ [5].

17


Các phương pháp thường dùng là: Lọc qua lưới, lắng, xyclon thủy lực,
lọc cát, ly tâm.
1.3.2. Phương pháp hóa học
Cơ sở của phản ứng hóa học là các phản ứng hóa học của các chất bẩn
có trong nước thải và hóa chất cho thêm vào. Những phản ứng diễn ra thường
là phản ứng oxy hóa, trung hòa, keo tụ và nhiều hiện tượng vật lý khác [5].
Các phương pháp ozon hóa có khả năng đạt được hiệu suất cao do ozon là
chất oxy hóa mạnh, dễ dàng nhường đi oxy nguyên tử.
Thực chất của phương pháp hóa học là nhờ các phản ứng oxy hóa khử

mà các chất bẩn chất độc hại trong nước được chuyển thành các chất không
độc hại, một phần ở dạng cặn, một phần ở dạng khí. Vì vậy để khử các chất
độc hại trong nước thải thường dùng nhiều phương pháp nối tiếp: oxy hóa
khử - lắng cặn- hấp phụ.
1.3.3. Phương pháp hóa lý
Cơ sở của phương pháp này trong xử lý nước thải là dựa trên quá trình
keo tụ, hấp phụ, trích ly, tuyển nổi, trao đổi ion, tinh thể hóa, màng bán
thấm… [6]
Keo tụ: Là làm trong và khử màu nước thải bằng cách dùng các
chất keo tụ để liên kết chất bẩn dạng lơ lửng và kết chúng thành các bông có
khích thước lớn hơn, các bông này khi lắng xuống sẽ khéo theo các chất
không tan trong nước xuống theo.
Hấp phụ: Là tách các chất bẩn và khí hòa tan khỏi nước thải bằng
cách tập trung các chất đó trên bền mặt chất mang.
Trích ly: Là tách các chất bẩn hòa tan khỏi nước thải bằng dung
môi, dung môi này không tan trong nước và độ hòa tan của chất bẩn trong
dung môi phải cao hơn trong nước.
Chưng bay hơi: Chưng cất nước thải để các chất độc hòa tan
trong đó phải bay hơi theo hơi nước
Tuyển nổi: Dùng các tác nhân tuyển nổi để thu hút và kéo các
chất bẩn lên mặt nước, sau đó loại tác nhân tuyển nổi và chất bẩn khỏi nước.

18


Khi tuyển nổi thường dùng các hạt khí nhỏ, phân tán và bão hòa trong nước
thải. Các hạt chất bẩn có bám bọt khí nhẹ dần sẽ nổi lên.
Thẩm tích dializ (màng bán thấm): Dùng màng xốp, bán thấm
không cho các hạt keo đi qua để tách ta khỏi nước thải.
1.3.4. Phương pháp xử lý sinh học:

Cở sở của phương pháp là dựa vào khả năng hoạt động sống của vi sinh
vật. Chúng sử dụng các hợp chất hữu cơ có trong nước thải làm nguồn dinh
dưỡng như C, P, N… Trong quá trình trao đổi chất, vi sinh vật phân hủy và sử
dụng các hợp chất hữu cơ để sinh năng lượng phục vụ cho hoạt động sống và
xây dựng tế bào mới làm tăng sinh khối [5].
Các vi sinh vật quan trọng trong xử lý nước thải sinh học bao gồm
nhiều loại vi sinh vật khác nhau như vi khuẩn, nấm men, nấm mốc, nguyên
sinh động vật protozoa, các thể kí sinh và cộng sinh tảo…Trong đó vai trò
chủ yếu là vi khuẩn [26]. Theo Wright và Hobbie (1966), các vi khuẩn nước
có thể sử dụng axetat và glucoza ở nồng độ 1-10μg/l. Do đó chúng vượt hẳn
các loài khác khi xử lý nước thải [26]. Tùy thuộc vào độ nhiễm bẩn của nước
mà các loài vi khuẩn có mặt trong nước thải có mặt số lượng nhiều ít khác
nhau. Bên cạnh đó, trong nước thải còn có nhiều loại nấm. Nấm là cơ thể dị
dưỡng cacbon hoàn toàn và do vật phụ thuộc vào sự có mặt chât hữu cơ.
Chúng có khả năng phân giải protein, đường, tinh bột, mỡ và còn có thể phân
giải cả peptin, hemixenluloza, lignin và kitin [31].
Phần lớn quá trình sinh học bao gồm của phức hợp những quần thể sinh
học tương tác với nhau. Khi thiết kế hoặc phân tích một quá trình xử lý sinh
học, cần quan tâm đến cả một hệ sinh thái vi sinh vật phát triển trong nước
thải [26].
Quá trình xử lý sinh học trong nước thải là quá trình gồm 3 giai đoạn
[ 13,19,15].
Giai đoạn 1: Khuếch tán nhằm di chuyển và tiếp xúc chất hữu cơ
lên bề mặt vi sinh vật. Hiệu quả của công đoạn này phụ thuộc vào các quy
luật khuếch tán và trạng thái thủy động của môi trường.

19


Giai đoạn 2: Di chuyển các chất hữu cơ qua màng bàn thấm của tế

bào bằng khuếch tán do sự chênh lệch nồng độ bên trong và bên ngoài tế bào.
Giai đoạn 3: Chuyển hóa các chất trong tế bào tạo ra năng lượng
cho quá trình sinh sản và phát triển của tế bào.Giai đoạn này đóng vai trò
quan trọng nhất quyết định mức độ và hiệu quả xử lý nước thải.
Nói chung thành phần và hàm lượng chất hữu cơ có ảnh hưởng rất
mạnh đến quần thể vi sinh vật và hệ enzym được nó tổng hợp nên [31].
Có 3 nhóm phương pháp xử lý nước thải sinh học:
-

Phương pháp kị khí (anerobic)

-

Phương pháp hiếu khí (aerobic)

-

Phương pháp thiếu oxy (anoxic)

1.3.4.1 Phương pháp xử lý hiếu khí
Phương pháp hiếu khí dùng để loại bỏ các hợp chất hữu cơ dễ bị vi sinh
vật phân hủy ra khỏi nguồn nước. Các chất này được các vi sinh vật hiếu khí
oxy hóa bằng oxy hòa tan trong nước [2].
VSV

Chất hữu cơ + O2

Chất hữu cơ + O2 +W

CO2 + H2O + Năng lượng

VSV

Tế bào mới.

Tế bào mới + O2 → CO2 + H2O + NH3
Tổng cộng: Chất hữu cơ + O2 → CO2 + H2O + NH3
Trong phương pháp hiếu khí, NH3 cũng được chuyển hóa bằng oxy hóa
khử vi sinh vật tự dưỡng (quá trình nitơrat hóa).
2NH4++ 3 O2
2NO
2 + 3 O
itrobacter

Nitrosomonas

Nitrobacter

2NO2- + 4H+ + 2 H2O

2NO3-

Tổng cộng: NH4+ +2 O2

VSV

NO3- + H+ + H2O + Năng lượng

Điều kiện cần thiết cho quá trình PH= 5,5 – 9,0, oxy hòa tan 0,5 mg/l
Theo phương pháp này các hợp chất trong nước thải được oxy hóa và
phân hủy theo 3 giai đoạn [8]:

-

Oxy hóa các hợp chất hữu cơ:

20


CxHyOz + (x+y-z) O2 → xCO2 + y/2 H2O
-

Pha phát triển của vi sinh vật:

nCxHyOz + nNH3 + (x + y/4-z/2-5) O2 → (C5H7NO2)n + n(-5) CO2 + n(y4) /2 H2O
Ở đây CxHyOz là hợp chất hữu cơ và (C5H7NO2)n là tế bào chất. Tất cả
các phản ứng trên đều xảy ra dưới tác dụng của emzim nội bào hay enzim
ngoại bào do vi sinh vật trong bùn hoạt tính tạo nên.Trong quá trình oxy hóa
khử các hợp chất hữu cơ bị phân hủy theo thứ tự là: đường, protein, tinh bột,
chất béo, các chất cao phân tử (xenluloza, lignin...)
Sơ đồ hệ thống xử lý nước thải bằng phương pháp hiếu khí.
Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của quá trình xử lý hiếu khí
bằng phương pháp hiếu khí:
- Tỷ lệ các chất trong nước thải xử lý bằng phương pháp hiếu khí phải
đạt được tỷ lệ các chất cấu thành C: N: K: P = 100:10: 4:1 nếu tỷ lệ này không
tương xứng thì vi sinh vật không phát triển bình thường nếu thiếu N thì hiệu
suất xử lý giảm đi rõ rệt, hiệu suất của quá trình xử lý đạt tối đa là 95% .
Trong trường hợp thiếu P thì khả năng kết lắng của bùn hoạt tính rất khó,
người ta phải bổ sung các chất trợ lắng là 20% so với tổng thể tích trong vòng
30 phút là tốt nhất, các chất trợ lắng là phèn nhôm, nên sử dụng các chất trợ
lắng vào bể sơ bộ và bể lắng lần 2 là an toàn nhất.
- Mức độ ô nhiễm: Ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất quá trình xử lý hệ

thống chỉ hoạt động tốt khi BOD 5 = 500mg/l nếu như mức độ ô nhiễm cao thì
lượng oxy cũng sẽ không đủ cho vi sinh vật hoạt động, lượng oxy cũng tốt
nhất cho hệ thống là 2÷8 mg/l (DO = 22÷8 mg/l ) nhưng trong thực tế thì OD
= 5÷8 mg/l.
- pH: Là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất quá
trình xử lý, pH trong quá trình xử lý phải đạt 7÷7,2 nếu pH dưới vi sinh vật hiếu
khí sẽ gặp khó khăn, pH trung hòa thì vi sinh vật phát triển sẽ cao. Còn pH ở bể
aeroten thì thường cao pH= 8÷8,2 vì khi cung cấp O 2 cho hệ thống làm pH

21


của môi trường tăng lên, pH ở trong đang sục thì là “giả tạo’’ khi đưa sang bể
lắng 2 thì pH sẽ đạt là 7,5.
Trong các hệ thống xử lý người ta thường dùng bơm định lượng pH đa
số nước thải đều bị axit hoá do vậy bổ sung pH tức là bổ sung kiềm NaOH,
nước vôi. Rất ít khi bổ sung thêm axit chỉ có nhà máy giấy mới bổ sung pH để
đưa pH vể trung tính.
Oxy hoà tan (OD): Ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động sống của vi sinh
vật vì hệ thống hiếu khí là sử dụng các vi sinh vật hiếu khí mà trong đó chủ
yếu là các vi khuẩn, lượng DO dao động từ 2÷8(mg/l), trường hợp thiếu oxy
làm cho bùn hoạt tính khó lắng hiệu xuất xử lý không cao. Cung cấp oxy cho
hệ thống có nhiều cách: Dùng máy thổi khí hoặc khuấy nhưng thường sử
dụng máy có thổi khí có ưu điểm là tốn ít điện năng ít ồn hơn so với khuấy.
Các ion kim loại nặng: Ảnh hưởng đến sinh trưởng và phát triển của vi
sinh vật ở mức độ cao có khả năng gây chết do đó ảnh hưởng trực tiếp đến
hiệu quả xử lý của hệ thống trong quá trình xử lý bằng phương pháp sinh học
thì phải lại bỏ hết các ion kim loại ra khỏi nước thải trước khi nước thải vào
hệ thống xử lý sinh học.
Các chất sát trùng: Đều ảnh hưởng không tốt đến hiệu xuất của quá

trình xử lý khi nồng độ sát trùng càng cao thì vi sinh vật chết càng nhiều do
đó phải loại hết các chất sát trùng trước khi sử dụng phương pháp sinh học.
Các kim loại và chất sát trùng ở mức độ nhất định thì có khả năng chấp nhận
được.
1.3.4.2. Phương pháp thiếu khí (anoxic)
Trong điều kiện thiếu oxy hòa tan việc khử nitrat hóa sẽ sảy ra. Oxy
được giải phóng từ nitrat sẽ oxy hóa chất hữu cơ và nitơ sẽ tạo thành [17].
NO3-

VSV

Chất hữu cơ

O2

NO2- + O2
N2 + CO2 + H2O

1.3.4.3. Quá trình khị khí (anaerobic)

22


Phương pháp xử lý khị khí là một trong các quá trình cổ xưa nhất được
ứng dụng để xử lý nước thải có độ nhiễm bẩn cao, có khả năng thu hồi năng
lượng, tạo ra ít bùn, khả năng phân huỷ chất hữu cơ tới 75% và tạo ra khí thải.
Các nghiên cứu cho thấy trong quá trình xử lý kị khí có tới 90% chất hữu cơ
trong nước thải biến thành khí sinh học với hàm lượng 60 ÷ 70% có thể sử
dụng như một năng lượng tái sinh có giá trị [13].Quá trình phân huỷ hiếm khí
các hợp chất hữu cơ có thể xảy ra ở nhiệt độ cao 53-55 0C nhờ hệ vi sinh vật

Themophilus (tốc độ phân huỷ trong điều kiện này cao hơn 2-3 lần so với tốc
độ phân huỷ nhờ vi khuẩn Mesophilus ở 34-36 0C). Sự chuyển hoá của chất
hữu cơ trong qúa trình phân huỷ khị khí diễn ra theo 3 bước:
Bước 1: sự chuyển hoá phức chất có trọng lượng phân tử lớn thành
những phân tử nhỏ hơn phù hợp cho vi sinh vật sử dụng như một nguồn năng
lượng và cacbon cho tế bào. Đây là giai đoạn thuỷ phân.Trong giai đoạn này
một số loài vi sinh vật có khả năng tấn công sang các polime ngay cả khi các
chất này nằm trong cơ thể rắn. Các loài vi sinh vật này có chứa các enzim
ngoại bào có khả năng phân huỷ các nguyên liệu có trọng lượng các phân tử
thấp, thậm chí các monosaccharit, lipit thành các aixt béo, axit nucleic thành
các purin và pyrimidin. Các phân tử nhỏ hoà tan sau đó sẽ được các vi khuẩn
cùng loại hấp thụ và sử dụng cho trao đổi chất của mình.
Bước 2(axit hoá): Bao gồm vi khuẩn chuyển hoá các sản phẩm của
bước 1 thành phức chất trung gian có phân tử lượng thấp hơn nữa. Do kết quả
hoạt động trao đổi chất của nhóm vi khuẩn này, trong hỗn dịch sẽ xuất hiện
các sản phẩm cuối cùng ở dạng khử, đó là các axit béo bay hơi chứa 2-5
nguyên tử cacbon hoặc hơn, etanol và các rượu hoặc etannol khác hoặc các
axit hữu cơ như axit lactic. Do nhiều axit hữu cơ được sinh ra trong quá trình
lên men. Bước này của quá trình phân huỷ kị khí được gọi là bước sinh axit.
Bước 3: (Bước metan hoá): [ 27,28,32]
Bao gồm vi khuẩn chuyển hoá những phức chất trung gian thành những
sản phẩm cuối cùng đơn giản đó là metan và CO2.
Sự tạo thành metan có thể xảy ra theo hai cách sau:

23


Dưới tác dụng của vi khuẩn một phần CO2 bị khử thành CH4.
Các axit hữu cơ biến thành CH4 theo phản ứng.
R-COOH

VSV

R1-COOH

VSV

CH3-COOH

VSV

CH4+CO2

Những nhóm vi sinh vật gồm những vi khuẩn không sinh metan được
phân lập từ bể khị khí có Clostridium sp, Peptococus anacrobus,
Bifisobacterium sp, Desulphovibrio sp, Corynebacteirum sp, Lactobacillus,
Actinomomyces, Staphylococus. Những nhóm có sinh lý khác gồm những
nhóm có emzim phân giải protein, phân giải ure, hoặc phân giải xenluloza
[25, 27].
Một nhóm vi sinh vật thứ ba chuyển hoá hydro và axit axetic thành khí
metan và dioxit cacbon. Nhóm này kị khí hoàn toàn được gọi là nhóm sinh
metan. Các nhóm sinh metan là nhóm sử dụng hydro và axit axetic. Tốc độ
phát triển của chúng rất chậm. Vì vậy sự trao đổi chất của chúng thường
xuyên làm hạn chế tốc độ trong khị khí nước thải hữu cơ [1]. Khí metan và
CO2 được tạo thành, xử lý nước thải trong phân huỷ kị khí được coi như là
hoàn thành. Khí metan không hoà tan do đó nó tách ra từ nước thải bay lên.
Quá trình lên men kị khí là một khả năng công nghệ sinh học nhiều tác
dụng (linh hoạt) biến hầu hết tất cả các vật liệu hợp chất các phân tử thành khí
metan và dioxit cacbon (CO2) dưới những điều kiện kị khí. Đạt được điều này
là do có sự phân tích sinh hoá liên tiếp các hợp chất cao phân tử thành khí

metan và CO2 .
Quá trình lên men kị khí metan là do một loạt tác động qua lại việc biến
đổi chất trong các nhóm khác nhau của vi sinh vật. Sự miêu tả các vi sinh vật
tham gia vào quá trình lên men metan dựa trên cơ sở phân tích vi khuẩn được
tách ra từ dạ cỏ của một số động vật được tóm tắt bằng hình vẽ sau:

24


Giai đoạn I
Thủy phân và lên men

Giai đoạn II

Giai đoạn III

Tạo axid acetic, H2

Sinh CH4

Hình 1.1. Quá trình lên men kị khí metan
Trong giai đoạn của quá trình lên men Các khí metan: Hợp chất cao phân tử
như lipit, protein và cacbonhydrat bị phân hủy bằng emzim ngoại bào được
tiết ra bởi vi khuẩn ở giai đoạn 1. Các emzim phân hủy các chất cao phân tử có
thể trở thành các phân tử nhỏ hơn, các đơn phân sau đó chúng bị các vi khuẩn tiêu
hủy.
Trong quá trình lên men khí metan nước thải có chứa các hợp chất cao
phân tử, hoạt động thủy phân liên quan đến mỡ hợp chất cao phân tử có thể
trở thành một bước giới hạn tỷ lệ đối với sản xuất các vi khuẩn đơn giản hơn
được dùng trong các bước thoái hóa tiếp theo.

Bryant cho rằng còn có sự tồn tại của một bước trung gia\n trong quá
trình tạo thành khí metan, có những mối liên quan còn thiếu giữa một phía là
các axit béo bay hơi chứa ba nguyên tử cacbon hoặc hơn với một phía khác là
axetat, H2, CO2 [4].
Ở bước trung gian, một vài nhóm vi khuẩn được dùng làm cầu nối giữa
nước lên men axit và bước tạo thành metan. Một số trong chúng còn cạnh
tranh với các vi khuẩn sinh metan về axetat hoặc về H2 và CO2 [1]. Các chất
hữu cơ đều được chuyển hóa thành axetat, H 2, CO2 nhờ nhóm sinh axetat và
tạo thành H2 bắt buộc khác. Các lipaza chuyển hóa các lipip thành axit béo

25