Bước đầu nghiên cứu một số chủng vi khuẩn pseudomonas để xử lý nước thải công nghiệp chế biến sữa

phạm thu trang

bộ giáo dục và đào tạo
tr-ờng đại học bách khoa hà nội
---------------------------------------

luận văn thạc sĩ khoa học

công nghệ Thực phẩm

ngành : công nghệ thực phẩm

B-ớc đầu nghiên cứu một số chủng vi khuẩn
pseudomonas để xử lý n-ớc thải công
nghiệp chế biến sữa

Phạm thu trang

06-08
Hà Nội
2008

Hà Nội- 2008


DANH MỤC VIẾT TẮT

TT

Chữ viết tắt Chữ viết đầy đủ

1

COD

Nhu cầu oxi hóa học (Chemical oxygen Demand)

2

BOD

Nhu cầu oxi sinh hoá (Biochemical oxygen Demand)

3

SS

Chất rắn lơ lửng (Suspended solid)

4

DO

Oxi hòa tan (Dissolved oxygen)

5

ĐC

Đối chứng

6

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình
1.1.1. Các phương pháp cố định tế bào
3.1.1. Sản phẩm PCR gen 16S rDNA của các chủng
3.2.1. Ảnh hưởng của hàm lượng pepton đến sự tổng hợp proteaza.
3.2.2: Ảnh hưởng của hàm lượng MgCl2 đến sự tổng hợp proteaza
3.2.3: Ảnh hưởng của hàm lượng K2SO4 đến sự tổng hợp proteaza
3.2.4: Ảnh hưởng của hàm lượng NaCl đến sự tổng hợp proteaza
3.2.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình tổng hợp proteaza
3.2.6. Động học quá trình sinh tổng hợp enzym proteaza
3.3.1: Hình ảnh miếng mút xốp và cấu trúc bên trong của nó
3.4.1: Sơ đồ mô hình xử lý nước thải bằng lọc sinh học trong phòng thí
nghiệm.
3.4.2 Sự thay đổi hiệu suất xử lý theo thời gian

Trang


DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng
1.1.1: So sánh giữa 2 phương pháp lọc sinh học
3.1.1. Danh sách các chủng giống được khảo sát về khả năng sinh tổng

hợp enzim proteaza và amylaza
3.1.2 Khả năng sinh tổng hợp enzim proteaza của các chủng giống
3.1.3 Đặc điểm hình thái của các chủng nghiên cứu
3.1.4. Phân loại các chủng dựa trên trình tự phân đoạn của 16S rDNA
3.1.5. Hoạt lực enzym proteaza của các chủng Pseudomonas
3.2.1. Ảnh hưởng của nguồn Nitơ đến hoạt lực của enzim
3.2.2. Ảnh hưởng của các loại Nitơ thay thế
3.2.3: Ảnh hưởng của pH đến quá trình tổng hợp proteaza
3.3.1. Ảnh hưởng của chất mang đến hiệu suất quá trình xử lý
3.4.1 Kết quả xử lý nước thải chế biến sữa bằng phương pháp lọc sinh
học

Trang


MỞ ĐẦU
Ngành công nghiệp thực phẩm Việt Nam trong những năm gần đây đã có
bước phát triển nhảy vọt cả về số lượng và sự đa dạng sản phẩm. Đi kèm theo sự
phát triển đó là các tác động tích cực đối với nền kinh tế quốc dân và các tác
động tiêu cực đối với môi trường. Với đặc thù của các ngành chế biến thực
phẩm, một lượng nước thải vô cùng lớn không được xử lý hoặc xử lý chưa đạt
tiêu chuẩn thải ra môi trường. Việc nghiên cứu xử lý nước thải mới được chú ý
rất nhiều đơn vị nghiên cứu tham gia vào lĩnh vực này, đưa ra các công nghệ xử
lý nước thải khác nhau trên cơ sở xử lý hiếu khí và kị khí, liên tục hoặc gián
đoạn, đã triển khai ở rất nhiều các nhà máy, đơn vị sản xuất khác nhau. Mỗi công
nghệ đều có những điểm mạnh, điểm yếu khác nhau; tuy nhiên, nói chung tất cả
các công nghệ này đều chưa hoàn chỉnh, đều trong tình trạng vừa nghiên cứu vừa
triển khai ứng dụng. Một phương pháp mới trong xử lý nước thải có mức độ ô
nhiễm cao hiện nay là phương pháp lọc sinh học. Phương pháp này có một loạt
ưu điểm như khả năng tách các chất bẩn hữu cơ cao, thời gian lưu nước ngắn, vi

sinh vật dễ thích nghi với nước thải, quản lý vận hành đơn giản, ít tốn năng
lượng và dễ hợp khối với bể tự hoại và các công trình xử lý nước thải khác.
Trong công nghệ lọc sinh học vai trò của các chủng vi khuẩn Pseudomonas đóng
vai trò cực kì quan trọng, các chủng này quyết định khả năng phân giải các hợp
chất hữu cơ - tác nhân chính gây ô nhiễm nước thải ngành công nghiệp thực
phẩm. Các chủng có hoạt lực tốt sẽ nâng cao hiệu suất xử lý nước thải của hệ
thống, đồng thời làm giảm thời gian lưu thủy lực, tiết kiệm chi phí xử lý… Một
trong những yếu tố quan trọng khác của công nghệ xử lý nước thải bằng công
nghệ lọc sinh học là công nghệ cố định tế bào (immobilization). Các chất mang


để cố định tế bào phải đảm bảo có khả năng bám dính tốt cho các chủng vi sinh
vật cần cố định, có độ rỗng cao, không gây độc cho vi sinh vật, đặc biệt không
gây ô nhiễm trở lại nguồn nước…
Mỗi chủng vi sinh vật thường có một vài loại chất mang phù hợp, tuy
nhiên, điều kiện cố định tế bào lại hoàn toàn khác nhau tùy mục đích sử dụng.
Vấn đề ô nhiễm nước là một trong những thực trạng đáng ngại nhất của sự hủy
hoại môi trường tự nhiên. Công nghiệp là ngành làm ô nhiễm nước chủ yếu, mỗi
ngành có một loại nước thải khác nhau. Các nhà máy chế biến thực phẩm, chế
biến sữa, sản xuất đồ hộp, thuộc da, lò mổ... đều có nước thải chứa rất nhiều
protein. Khi được thải ra dòng chảy, protein nhanh chóng bị phân hủy cho ra acit
amin, acid béo, acid thơm, H2S, nhiều chất chứa S và P... có tính độc và mùi khó
chịu.


CHƯƠNG I
TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước:
1.1.1 Tình hình ô nhiễm tại Việt Nam
Nước ta có nền công nghiệp chưa phát triển mạnh, các khu công nghiệp và

các đô thị chưa nhiều lắm nhưng tình trạng ô nhiễm nước đã xảy ra ở nhiều nơi
với các mức độ nghiêm trọng khác nhau. Các cơ sở sản xuất công nghiệp là
nguyên nhân chính gây ô nhiễm nước, mỗi cơ sở phát thải ra các loại nước thải
có đặc trưng ô nhiễm khác nhau. Ngành công nghiệp chế biến thực phẩm chủ
yếu là ô nhiễm hữu cơ, ngành chế tạo máy và sơn mạ chủ yếu là ô nhiễm kim
loại nặng, ngành công nghiệp phân bón chủ yếu là ô nhiễm hóa chất.... Nước
dùng trong sinh hoạt của dân cư ngày càng tăng nhanh do dân số và các đô thị.
Nước cống từ nước thải sinh hoạt cộng với nước thải của các cơ sở tiểu thủ công
nghiệp trong khu dân cư là đặc trưng ô nhiễm của các đô thị ở nước ta. Với
lượng chất thải khá lớn từ các nhà máy, xí nghiệp, nước thải công nghiệp chiếm
một lượng lớn trong tổng lượng nước thải hàng ngày hơn nữa mức độ gây ô
nhiễm của nước thải công nghiệp cao hơn rất nhiều so với nước thải sinh hoạt do
chứa nhiều hóa chất độc hại và khó phân hủy [3]. Ðiều đáng nói là các loại nước
thải đều được trực tiếp thải ra môi trường, chưa qua xử lý gì cả, vì nước ta chưa
có hệ thống xử lý nước thải nào đúng nghĩa như tên gọi.
1.1.2 Tổng quan về Pseudomonas sử dụng trong xử lý nước thải
Phần lớn vi sinh vật xâm nhập vào nước từ đất, phân, nước tiểu, các nguồn
thải và từ bụi trong không khí rơi xuống. Số lượng và chủng loại vi sinh vật
trong nước phụ thuộc nhiều yếu tố, nhất là những chất hữu cơ hoà tan trong


nước, các chất độc, tia tử ngoại, pH môi trường… Trong nước có rất nhiều loại
vi sinh vật: vi khuẩn, nấm men, nấm mốc, xạ khuẩn, virut,… nhưng chủ yếu là vi
khuẩn. Vi khuẩn đóng vai trò quan trọng trong quá trình phân huỷ chất hữu cơ,
làm sạch nước thải, trong vòng tuần hoàn vật chất [2].
Nước thải mới thường ít vi sinh vật. Sau một thời gian sinh trưởng, chúng
tạo thành quần thể vi sinh vật có ở trong nước, đồng thời kéo theo sự phát triển
của các giới thủy sinh. Quần thể vi sinh vật ở các loại nước thải không giống
nhau, mỗi loại nước thải có hệ vi sinh vật thích ứng. Vi sinh vật trong nước thải
đều là vi sinh vật hoại sinh và dị dưỡng, chúng không thể tổng hợp được các chất

hữu cơ làm vật liệu xây dựng tế bào mới cho chúng, trong môi trường sống của
chúng cần phải có mặt các chất hữu cơ để chúng phân hủy, chuyển hoá thành vật
liệu xây dựng tế bào, đồng thời chúng cũng phân hủy các hợp chất nhiễm bẩn
nước đến sản phẩm cuối cùng là CO2 và nước hoặc tạo thành các loại khác (CH4,
H2S…). Trong nước thải sinh hoạt, nước thải của các xí nghiệp chế biến nông
sản, thực phẩm, thuỷ sản, các trại chăn nuôi… rất giàu các chất hữu cơ, gồm 3
nhóm chính: protein 4050%, hydratcacbon 50% và chất béo 10%. Protein là
polyme của các axitamin, là nguồn dinh dưỡng chính cho vi sinh vật.
Hidratcacbon là các chất đường bột và xenluloza. Tinh bột và đường rất dễ bị
phân huỷ bởi vi sinh vật, còn xenluloza bị phân huỷ muộn hơn và tốc độ phân
huỷ cũng chậm hơn nhiều. Chất béo ít tan và vi sinh vật phân giải với tốc độ rất
chậm. Các vi sinh vật muốn phân huỷ được các chất hữu cơ chúng phải có khả
năng sinh tổng hợp các enzim tương ứng. Mỗi loại nước thải có một khu hệ VSV
đặc trưng. Nước thải sinh hoạt chứa phân, nước rửa, tắm giặt, thức ăn thừa...
chứa rất nhiều vi khuẩn, trung bỡnh từ vài triệu đến vài chục triệu cá thể trong
1ml. Các vi sinh vật hoại sinh có trong nước thải hầu hết là các vi khuẩn hiếu


khí, kị khí hoặc kị khí tuỳ tiện. Ta thấy các giống vi khuẩn sau: Pseudomonas,
Bacillus, Alcaligenes, Lactobacillus, Flavobacterium, Cytophaga, Clostridium.
Trong số này giống Pseudomonas thường gặp ở hầu hết các loại nước thải.
Pseudomonas hầu như có thể đồng hoá được mọi chất hữu cơ, kể cả các hợp chất
hữu cơ tổng hợp và sống khá lâu trong môi trường nước thải.[2]
Pseudomonas là những trực khuẩn gram (-), chuyển động do có tiên mao
mọc ở một đầu. Trực khuẩn có thể là hình que thẳng hoặc hơi cong, không tạo
thành bào tử và phát triển ở điều kiện hiếu khí. Nhiều loại của giống này ưa lạnh,
nhiệt độ tối thiểu là -2oC đến 5 oC, tối thích là 20-25 oC. Tất cả Pseudomonas đều
có hoạt tính amilaza và proteaza, đồng thời lên men được nhiều loại đường và
tạo màng nhầy. pH môi trường dưới 5,5 sẽ kìm hãm vi khuẩn Pseudomonas phát
triển và kìm hãm sinh tổng hợp proteaza. Nồng độ muối trong nước tới 5-6% thì

sinh trưởng của vi khuẩn này bị ngừng trệ [2].
Theo nhiều nghiên cứu trên thế giới, người ta thấy rằng chủng vi khuẩn
Pseudomonas là chủng vi khuẩn rất có ích trong việc xử lý nước thải. Nó có thể
làm giảm chỉ số COD của nước thải bằng cách phân hủy các hợp chất hữu cơ,
benzen, naphtalen, pyridin... [50].
Tại Thailand (Thái Lan) người ta đã nghiên cứu sử dụng chủng
Pseudomonas trong việc xử lý nước thải ô nhiễm dầu mỡ cao đặc biệt là nước
thải nhà máy dầu cọ và nhà máy bánh kẹo. Tác giả Orapin Bhumibhamon đã báo
cáo kết quả ứng dụng Pseudomonas trong hệ thống xử lý làm COD giảm 9096%, dầu mỡ giảm 87,7-80,6% đối với nước thải nhà máy dầu cọ và giảm 7064% đối với nhà máy sản xuất bánh kẹo)[27].
Tại Chi lê người ta đã nghiên cứu sử dụng chủng Pseudomonas để hấp thụ
kim loại trong nước thải [47]


Việc nghiên cứu và ứng dụng hệ vi sinh bám dính để xử lý triệt để nước
thải sinh hoạt và công nghiệp mở ra các khả năng mới trong việc giảm thiểu các
chỉ tiêu như BOD, SS, N, P... xuống dưới nồng độ cho phép. Phương pháp này
có ưu điểm là đơn giản và tiết kiệm trong vận hành. Lượng bùn dư của hệ vi sinh
bám dính ít hơn nhiều so với hệ bùn hoạt tính lơ lửng, do đó chi phí để xử lý bùn
cũng ít hơn. Các công trình xử lý dùng hệ vi sinh bám dính cũng gọn nhẹ và dễ
hợp khối, mở ra triển vọng ứng dụng rộng rãi, đặc biệt là đối với các công trình
xử lý vừa và nhỏ trong dân dụng và công nghiệp.
Sử dụng hệ vi sinh bám dính còn có thể loại bỏ được kim loại nặng ra khỏi
nước thải. Công nghệ loại bỏ Hg2+ khỏi nước thải xí nghiệp hoá chất bằng vi sinh
vật chịu được thuỷ ngân được phát minh và ứng dụng tại Trung tâm công nghệ
sinh học GBF, Brauschweig, Đức [49]. Các chủng vi sinh vật dòng
Pseudomonas được cấy lên các vật liệu bám dính của bể phản ứng sinh học
bioreactor. Hiệu quả xử lý thuỷ ngân đạt 97% với thời gian xử lý 10h.
1.1.3 Hệ thống lọc sinh học
1.1.3.1 Lọc sinh học
Trong khi việc sử dụng các hệ thống lọc sinh học chưa được phổ biến ở

Mỹ thì hàng trăm hệ thống lọc sinh học đã được ứng dụng thành công và có hiệu
quả ở Châu Âu (Hà Lan, Tân Tây Lan, Đức) và Nhật Bản [2]. Hệ thống lọc sinh
học trước đây thường được thiết kế để xử lý mùi của các hệ thống xử lý nước
thải, các nhà máy tái chế, quá trình ủ phân compost. Sau đó, nó được ứng dụng
phổ biến trong việc xử lý các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi và các hợp chất hữu cơ
khác. Ở Việt Nam lọc sinh học là một biện pháp xử lý ô nhiễm tương đối mới.
Nguyên tắt chính của hệ thống xử lý là tạo điều kiện cho vi sinh vật tiếp
xúc với các chất ô nhiễm hữu cơ có trong nước thải. Trong hệ thống này, các vi


sinh vật (chủ yếu là vi khuẩn) sẽ tạo thành một màng sinh học (biofilm), đây là
một màng mỏng và ẩm bao quanh các nguyên liệu lọc. Các vi khuẩn hiếu khí
được tập trung ở phần lớp ngoài của màng lọc sinh học. Ở đây chúng phát triển
và gắn kết với giá mang là các vật liệu lọc ( được gọi là sinh trưởng gắn kết hay
sinh trưởng bám dính). [2]
Trong quá trình làm việc, các vật liệu lọc tiếp xúc với nước chảy từ trên
xuống, sau đó nước thải đã được làm sạch được thu gom xả vào lắng 2. Chất hữu
cơ nhiễm bẩn trong nước thải bị oxi hóa bởi quần thể vi sinh vật ở màng sinh
học. Màng này thường dầy khoảng từ 0,1 – 0,4mm. Các chất hữu cơ trước hết bị
phân hủy bởi vi sinh vật kị khí. Khi các chất hữu cơ trong nước thải cạn kiệt, vi
sinh vật ở màng sinh học sẽ chuyển sang hô hấp nội bào và khả năng kết dính
cũng giảm, dần dần bị vỡ cuốn theo nước lọc. Hiện tượng này gọi là hiện tượng
tróc màng. Sau đó lớp màng mới lại xuất hiện. Lọc sinh học đang được dùng
hiện nay chia làm hai loại:
+ Lọc sinh học với vật liệu tiếp xúc không ngập nước
+ Lọc sinh học có vật liệu tiếp xúc đặt ngập trong nước.
Đặc điểm của 2 loại hệ thống này được trình bày trong bảng 1.1.1[2]:
Bảng 1.1.1: So sánh giữa 2 phương pháp lọc sinh học
Lọc sinh học với vật liệu tiếp

Lọc sinh học với vật liệu tiếp

xúc không ngập trong nước

xúc đặt ngập trong nước

- Vật liệu tiếp xúc không ngập

- Vật liệu tiếp xúc ngập trong

trong nước

nước

- Nguyên lý hoạt động: Nước đến

- Nguyên lý hoạt động: Nước và

lớp vật liệu lọc chia thành các

không khí cùng chiều đi từ dưới


dòng hoặc hạt nhỏ chảy thành lớp

lên sẽ tiếp xúc với lớp vật liệu

mỏng qua khe hở của vật liệu,

lọc. Ở đây sẽ diễn ra qua trình

đồng thời tiếp xúc với màng sinh

phân hủy các chất hữu cơ có

học ở trên bê mặt vật liệu và được

trong nước thải bởi các vi sinh vật

làm sạch do vi sinh vật của màng

của màng lọc. Lớp màng sinh học

phân hủy hiếu khí và kị khí các

bám quanh các hạt vật liệu lọc ít

chất hữu cơ có trong nước. Các

bị tróc.

chất hữu cơ phân hủy hiếu khí
sinh ra CO2 và nước, phân hủy kị
khí sinh ra CH4 và CO2 làm tróc
màng ra khỏi vật mang, bị nước
cuốn theo. Trên mặt giá mang là
vật liệu lọc lại hình thành lớp
màng mới. Hiện tượng này được
lặp đi lặp lại nhiều lần. Kết quả là
BOD của nước thải bị vi sinh vật

sử dụng làm chất dinh dưỡng
- Ưu điểm:

- Ưu điểm:

+ Giảm việc trông coi

+ Chiếm ít diện tích vì không cần

+ Tiết kiệm năng lượng, không

bể lắng 2. Đơn giản, dễ dàng cho

khí được cấp trong hầu hết thời

việc bao, che công trình, khử độc

gian lọc làm việc bằng lưu thông

hại (ít mùi và ít ồn), đảm bảo mĩ

tự nhiên từ cửa thông gió đi vào

quan

qua lớp vật liệu

+ Không cần phải rửa lọc vì quần
thể vi sinh vật cố định trên giá đỡ

cho phép chống lại sự thay đổi tải
lượng của nước thải
+ Dễ dàng phù hợp với nước thải
pha loãng
+ Đưa vào hoạt động rất nhanh,
ngay cả sau một thời gian dừng
làm việc kéo dài hàng tháng
+ Có cấu trúc modun và dẽ dàng
tự động hóa
- Nhược điểm:

- Nhược điểm

+ Hiệu suất làm sạch nhỏ hơn với

+ Làm tăng tổn thất tải lượng,

cùng một tải lượng khối

giảm lượng nước thu hồi

+ Dễ bị tắc nghẽn

+ Tổn thất khí cấp cho quá trình,

+ Rất nhạy cảm với nhiệt độ

vì phải tăng lưu lượng khí không

+ Không khống chế được quá

chỉ đáp ứng cho nhu cầu của vi

trình thông khí, dễ bốc mùi

sinh vật mà còn cho nhu cầu cơ

+ Bùn dư không ổn định

thủy lực

+ Nước sau khi xử lý ở lọc sinh

+ Phun khí mạnh tạo nên dòng

học thường nhiều chất lơ lửng do

chuyển động xoáy làm giảm khả

các mảnh vỡ của màng sinh học

năng giữ huyền phù.

cuốn theo, vì vậy cần phải đưa
vào lắng 2 và lưu ở đây thời gian
thích hợp để lắng cặn


Ưu và khuyết điểm của hệ thống lọc sinh học

Ưu điểm


Ưu điểm chính là giá thành thấp, giá vận hành thấp, ít sử dụng hóa chất.



Thiết kế linh động, do đó có thể thích nghi với mọi loại hình công nghiệp

và diện tích của xí nghiệp.


Hệ thống lọc sinh học linh động trong việc xử lý mùi hôi, các hợp chất

hữu cơ bay hơi và các chất độc. Hiệu suất xử lý thường lớn hơn 90% đối với các
khí thải có nồng độ các chất ô nhiễm < 1000 ppm.


Nhiều loại nguyên liệu lọc, vi sinh vật và điều kiện vận hành khác nhau có

thể áp dụng để đáp ứng nhu cầu xử lý.
Khuyết điểm


Hệ thống lọc sinh học không thể xử lý được các chất ô nhiễm có khả năng

hấp phụ thấp và tốc độ phân hủy sinh học chậm ví dụ như các hợp chất hữu cơ
bay hơi có chứa chlor.


Các nguồn ô nhiễm có nồng độ hóa chất cao cần các hệ thống lớn và diện

tích lớn để lắp đặt hệ thống lọc sinh học.


Nguồn gây ô nhiễm có mức độ phóng thích chất ô nhiễm biến động cao sẽ

gây ảnh hưởng đến hệ vi sinh vật cũng như hiệu suất xử lý của chúng.
Thời gian để cho các vi sinh vật thích nghi với môi trường và tạo thành các màng
sinh học (biofilm) có thể kéo dài hàng tuần đến hàng tháng, đặc biệt là đối với
việc xử lý các chất hữu cơ bay hơi. [2]
Ngoài việc sử dụng phương pháp lọc sinh học bằng việc sử dụng công
trình hiếu khí nhân tạo dựa trên cơ sở sinh trưởng bám dính của vi sinh vật như
trên, người ta còn sử dụng phương pháp lọc kị khí. Đây là phương pháp xử lý kị
khí nước thải dựa trên cơ sở sinh trưởng dính bám với vi khuẩn kị khí trên các


giá mang. Trong phương pháp này lớp vi sinh vật phát triển thành màng mỏng
trên vật liệu làm giá mang bằng chất dẻo, có dòng nước đẩy qua.Vật liệu có thể
là chất dẻo ở dạng tấm sắp xếp hay bằng vật liệu rời hoặc hạt như polyspiren .
Cấu tạo bể phản ứng cấy cố định vi khuẩn trên lớp đỡ hữu cơ. Lọc kị khí là một
tháp chứa đầy các loại vật kiệu rắn khác nhau, dùng để khử các chất hữu cơ
cacbon có trong nước thải. Nước thải đi từ dưới lọc hướng lên phía trên được
tiếp xúc với vật liệu. Trên mặt các loại vật liệu có vi sinh vật kị khí và tùy tiện
phát triển dính bám thành màng mỏng. Lớp màng này không bị rửa trôi, thời
gian lưu lại ở đó có thể tới 100 ngày. Do vậy, bể lọc kị khí thích hợp cho việc xử
lý nước thải có độ ô nhiễm thấp ở nhiệt độ không khí ngoài trời. Trong bể lọc
các chất hữu cơ khi tiếp xúc với màng bám dính trên bề mặt vật liệu sẽ được hấp
thu và phân hủy. Bùn cặn được giữ lại trong khe rỗng của lớp lọc. Sau 2-3 tháng
làm việc xả bùn 1 lần, thau rửa lọc. [2]

1.1.3.2 Sinh trưởng bám dính
Trong quá trình xử lý sinh học, các vi sinh vật chịu trách nhiệm phân hủy
các chất hữu cơ phát triển thành màng (biofilm) dính bám hay gắn kết váo các
vật liệu trơ như đá, xỉ, gỗ, sành sứ, chất dẻo.
Trong dòng nước thải có những vật rắn làm giá đỡ (giá mang), các sinh
vật (chủ yếu là các vi khuẩn) sẽ bám trên bề mặt. Trong số các vi sinh vật có
những loài sinh ra các polysacarit có tính chât như là các chất dẻo (gọi là polyme
sinh học), tạo thành màng (màng sinh học). Màng này cứ dầy dần thêm và thực
chất đây là sinh khối vi sinh vật dính bám hay cố định trên các chất mang. Màng
này có khả năng oxi hóa các chất hữu có có trong nước khi chảy qua hoặc tiếp
xúc, ngoài ra màng này còn khả năng hấp thụ các chất bản lơ lửng hoặc trứng
giun sán…[2]


Như vậy, màng sinh học là tập hợp các loài vi sinh vật khác nhau, có hoạt
tính oxi hóa các chất hữu cơ có trong nước khi tiếp xúc với màng. Màng này dầy
từ 1-3mm và hơn nữa. Mầu của màng thay đổi theo thành phần theo thành của
nước thải từ màu vàng xám đến màu nâu tối. Trong quá trình xử lý nước thải
chảy qua phin lọc sinh học có thể cuốn theo các hạt của màng vỡ với kích thước
15-30m có màu sáng vàng hoặc nâu
Màng sinh học là lớp màng nhầy như gelatin được hình thành giữa lớp vật
liệu lọc khi nước được xử lý qua lớp vật liệu này. Màng này được tạo thành từ
hàng triệu đến hàng tỉ tế bào vi khuẩn, các vi sinh vật khác và có cả động vật
nguyên sinh. Khác với quần thể vi sinh vật của bùn hoạt tính, thành phần loài và
số lượng các loài ở màng lọc tương đối đồng nhất. Mỗi màng lọc có một quần
thể cho riêng mình. Sự khác nhau không chỉ là số lượng mà cả chất lượng. Khi
nước thải chảy qua màng lọc sinh học, do hoạt động sống của quần thể vi sinh
vật, sẽ thay đổi thành phần nhiễm bẩn các chất hữu cơ có trong nước. Các chất
hữu cơ dễ phân giải được vi sinh vật sử dụng trước với vận tốc nhanh, đồng thời
số lượng của quần thể tương ứng này phát triển nhanh. Các chất hữu cơ khó phân

giải sẽ được sử dụng sau với vận tốc cũng chậm hơn và quần thể vi sinh vật đồng
hóa chúng phát triển muộn màng hơn. [2]
Màng sinh học được tạo thành chủ yếu là các vi khuẩn hiếu khí và các
phin lọc sinh học là các công trình làm sạch nước hiếu khí, nhưng thực ra phải
coi đây là hệ tùy tiện. Ngoài các vi khuẩn hiếu khí, màng còn có các vi khuẩn tùy
tiện và kị khí. Ở ngoài cùng lớp màng là lớp hiếu khí, rất dễ thấy loại trực khuẩn
Bacillus. Lớp trung gian là các vi khuẩn tùy tiện, như Pseudomonas, Alcaligenes,
Flavobacterium, Micrococcus và cả Bacillus. Lớp sâu bên trong màng là kị khí,
thấy có vi khuẩn kị khí khử lưu huỳnh và khử nitrat Desulfovibrio. Như vậy, hệ


vi sinh vật trong màng sinh học của phin lọc là các thể tùy tiện. [2]Màng sinh
học này được dùng trong các phin lọc sinh học hiếu khí hoặc đĩa quay sinh học.
Phần dưới cùng của màng là lớp quần thể vi sinh vật với sự có mặt của
động vật nguyên sinh và một số sinh vật khác. Các loài này ăn vi sinh vật và sử
dụng một phần màng sinh học để làm thức ăn tạo thành các lỗ nhỏ của màng trên
bề mặt chất mang. Quần thể vi sinh vật của màng sinh học có tác dụng như bùn
hoạt tính.
Nhìn chung ở vùng trên cùng của phin lọc có sinh khối nhiều nhất và
màng lọc cũng là dầy nhất, ở vùng giữa ít hơn và vùng dưới nữa là ít nhất. Màng
vi sinh vật sẽ tăng dần lên và dầy thêm, các tế bào bên trong màng ít tiếp xúc với
cơ chất và ít nhận được oxi phải chuyển sang phân hủy kị khí. Sản phẩm của
biến đổi kị khí là các axit hữu cơ, các alcol… Các chất này tạo ra chưa kịp
khuyếch tán ra ngoài đã bị các vi sinh vật khác sử dụng và nước lọc qua phin
không ảnh hưởng gì lớn.
Với đặc điểm như vậy, màng sinh học có thể oxi hóa được tất cả các chất
hữu cơ dễ phân hủy có trong nước thải. Màng này dần dần bịt các khe giữa các
hạt cát, phin lọc giữ lại các tạp chất, các thành phần sinh học có trong nước làm
cho vận tốc nước qua lọc chậm dần và phin làm việc có hiệu quả hơn. Nó hấp
thụ giữ lại các vi khuẩn cũng như các tạp chất hóa học. Nó oxi hóa các chất hữu

cơ có trong nước và nước được dần dần làm sạch. Nếu lớp màng quá dày ta có
thể nước rửa, sục nước để loại bỏ màng và phin sẽ chảy nhanh hơn, hiệu quả của
lọc có giảm, nhưng dần dần lại được hồi phục.
Hiệu quả của phin lọc chậm có thể giữ được tới 99% vi khuẩn có trong
nước[2]


Người ta có thể sử dụng các phin lọc nhanh. Về nguyên lý phin này cũng
giống như phin lọc trên nhưng bề mặt nhỏ hơn và làm việc không phụ thuộc vào
sự tạo thành của màng nhầy. Quá trình lọc tương đối nhanh với vận tốc khoảng
500000m3/0,4ha.ngày.
Nước đưa vào lọc nhanh cần phải qua lắng sơ bộ để bỏ phần lớn các loại
hạt tạp bẩn. Phin lọc này làm việc vài giờ hoặc vài ngày sẽ được rửa bằng các tia
nước phun.
Màng sinh học kị khí gồm chủ yếu là các vi khuẩn kị khí và tùy tiện và
được áp dụng trong các lọc sinh học kị khí
Các hợp chất nitrogen (N) và phosphorus (P) trong nước thải là nguyên
nhân gây ra hiện tượng phú dưỡng. Trên thế giới phương pháp phổ biến để loại
bỏ P ra khỏi nước thải vẫn là phương pháp lý hoá kết hợp. Việc loại bỏ
phosphorus (P) theo phương pháp sinh học bằng hệ bùn hoạt tính đơn lơ lửng
(single sludge system) chạy qua các vùng kị khí (anaerobic), thiếu khí (anoxic)
và hiếu khí (aerobic) là phổ biến nhất, đòi hỏi mức đầu tư cao và chi phí vận
hành lớn (lưu lượng tuần hoàn tới 300% - 600%). Mặt khác, việc sao chép 100%
công nghệ nước ngoài sẽ không có hiệu quả xử lý như mong muốn, do thành
phần nước thải các thành phố trên thế giới khác nhau. Bên cạnh đó việc xử lý
loại bỏ phosphorus (P), giảm nồng độ (P) dưới tiêu chuẩn cho phép bằng phương
pháp sinh học sử dụng hệ vi sinh bám dính là không thể được. Tuy vậy, việc kết
hợp phương pháp sinh học với quá trình xử lý hoá học có thể mang lại hiệu quả
mong muốn. [2]
Một nghiên cứu tại Đại học Xây dựng Mát-xcơ-va (MGSU), Liên bang

Nga cho phép loại bỏ P ra khỏi nước thải sinh hoạt bằng hệ vi sinh bám dính dựa
trên nguyên tắc ăn mòn sinh học. Vật liệu bám dính có cốt sắt (Fe) được sử dụng


trong bể aeroten. Các màng sinh học bám dính lên bề mặt kim loại thực hiện quá
trình ăn mòn sinh học liên tục làm nồng độ sắt Fe trong aeroten tăng đột ngột,
tạo điều kiện cho quá trình keo tụ hoá lý phosphate được diễn ra nhanh chóng.
Nồng độ bùn hoạt tính lơ lửng tăng, đồng thời chỉ số bùn giảm mạnh, khi đó hiệu
quả loại bỏ phosphorus (P) đạt 100% cho nước thải sinh hoạt [50]
Sử dụng hệ vi sinh bám dính còn có thể loại bỏ được kim loại nặng ra khỏi
nước thải. Công nghệ loại bỏ Hg2+ khỏi nước thải xí nghiệp hoá chất bằng vi sinh
vật chịu được thuỷ ngân được phát minh và ứng dụng tại Trung tâm công nghệ
sinh học GBF, Brauschweig, CHLB Đức. Các chủng vi sinh vật dòng
Psedomonas được cấy lên các vật liệu bám dính của bể phản ứng sinh học
bioreactor. Nước thải công nghiệp hoá chất có nồng độ thuỷ ngân 3-10mg Hg/l
được trung hoà và cung cấp liên tục vào bể bioreactor với lưu lượng 0,7m3/h 1,2m3/h. Hiệu quả xử lý thuỷ ngân đạt 97% với thời gian xử lý 10h. Nồng độ
thuỷ ngân trong nước sau khi xử lý là 50g Hg/l. Trong trường hợp kết hợp bể
bioreactor với hấp thụ bằng than hoạt tính, nồng độ thuỷ ngân (Hg) sau khi xử lý
đạt 10g Hg/l . [49]
Ở Việt Nam hoàn toàn có thể áp dụng các mô hình công nghệ ở trên. Tuy
nhiên, do điều kiện khí hậu nhiệt đới, thêm vào đó là thành phần nước thải của
Việt Nam như BOD, COD, N, P khác nhiều so với thành phần nước thải của các
nước phát triển (Âu, Mỹ) mà việc áp dụng có hiệu quả các công nghệ xử lý triệt
để nước thải sinh học tiên tiến cần phải được nghiên cứu bổ sung bằng mô hình
pilot thực nghiệm trong phòng thí nghiệm hoặc tại các khu đô thị và công nghiệp
để lựa chọn các thông số kỹ thuật công nghệ, thích hợp với điều kiện Việt Nam.


1.1.3.3 Chất mang và các phương pháp cố định tế bào
a. Chất mang:

Trong lọc sinh học hiện nay người ta sử dụng hai loại vật liệu lọc (hay
còn gọi là chất mang) chia thành loại tự nhiên và loại nhân tạo. Loại vật liệu tự
nhiên như đất, phân compốt, than bùn... thì trong quá trinh vận hành người ta
không cần cung cấp dinh dưỡng cho VSV. Loại tổng hợp như thủy tinh, len.. thì
trong quá trình lọc người ta cần cung cấp dinh dưỡng cho vi sinh vật hoạt động.
Nguyên liệu lọc điển hình là hỗn hợp của các chất nền ủ phân compost, đất, cây
thạch nam (heather), plastic ( nhựa) và các phụ phẩm gỗ. Các nguyên liệu lọc
nhằm cung cấp diện tích bề mặt lớn để hấp thụ và hấp phụ các chất ô nhiễm.
Ngoài ra nó còn làm nhiệm vụ cung cấp chất dinh dưỡng cho các vi sinh vật.
Một vài loại nguyên liệu lọc không đáp ứng được về nhu cầu dưỡng chất cho vi
sinh vật, do đó chúng ta phải hiệu chỉnh bằng cách cho thêm vào các hợp chất
đạm và phospho.
Các nguyên liệu lọc thường có tuổi thọ từ 5 - 7 năm trước khi phải thay mới.
Các điểm cần quan tâm khi quyết định chọn nguyên liệu lọc:


Khả năng giữ ẩm để tạo lớp màng sinh học



Có diện tích bề mặt lớn tạo điều kiện cho quá trình hấp thụ và phát triển của

vi sinh vật


Có chứa các dưỡng chất để cung cấp cho các vi sinh vật



Tạo lực cản không khí thấp (giảm mức độ sụt áp và năng lượng cần sử dụng

cho máy bơm)


Các tính chất lý học khác như độ ổn định lý học và dễ dàng thao tác.
Thông thường người ta phân loại chất mang dùng để cố định tế bào vi sinh

vật ra thành 2 nhóm


- Nhóm có nguồn gốc tự nhiên: alginate, agar, k-carrageenan, collagen,
gelatin, agarose, chitosan …
- Nhóm chất mang nhân tạo: polyacrylamide, polyester, polyurethane,
PVA (polyvinyl alcohol), polyethylene glycol, sành sứ (ceramic), zeolite, gỗ…
Một số loại chất mang được sử dụng phổ biến trong phương pháp cố định
tế bào để xử lý nước thải bao gồm:
+Alginate:
Alginate là một polymer mạch thẳng, không phân nhánh bao gồm các
monomer là acid -D-mannuronic và acid -L-guluronic. Trong tự nhiên
alginate thường tồn tại ở dạng Na-alginate, K-alginate, Mg-alginate, Ba-alginate.
Na-alginate thường được dùng và nó có khả năng tạo gel với hầu hết những muối
của kim loại hóa trị II, III, IV. Quá trình cố định tế bào sử dụng alginate làm chất
mang thường đơn giản và được sử dụng rộng rãi.
+Polyvinyl alcohol (PVA):
PVA có những đặc tính như : khả năng hình thành màng mỏng tốt, khả
năng bám dính tốt, khả năng nhũ hóa (emulsifying). Nó cũng có khả năng chống
lại dầu mỡ, dung môi. Nó không độc và không có mùi. Có khả năng co giãn cao,
có tính mềm dẻo … những thuộc tính này tùy thuộc vào độ ẩm.
Đây là một polymer tổng hợp được dùng nhiều cho việc cố định tế bào vì
nó ít độc và rất bền. Nó cũng được dùng cho cố định enzyme (glucoamylase,

invertase, cellulase). Hai tác giả Hashimoto và Furukawa đã phát triển một
phương pháp cố định bùn hoạt tính mới bằng việc sử dụng PVA liên kết chéo với
acid boric, kết quả tạo ra những hạt có độ bền cao và ít mất hoạt tính sinh học
(năm 1987). Trong phần thí nghiệm này, chúng tôi ứng dụng PVA làm chất
mang để cố định tế bào vi khuẩn trong việc xử lý nước thải.


+polyetylen (PE):
Polyetylen là một nhựa nhiệt dẻo được sử dụng rất phổ biến trên thế giới
Polyetylen là một hợp chất hữu cơ (poly) gồm nhiều nhóm etylen CH2-CH2 liên
kết với nhau bằng các liên kết hydro no
+ K-Carrageenane :
K-carrageenan gồm các đơn phân là D-galactose sulfate và 3,6-anhydroD-galactose. Đây là một trong những vật liệu được sử dụng sớm nhất cho việc cố
định tế bào sản xuất liên tục L-lactic acid bằng E.Coli cố định. Quá trình cố định
tương tự như gel alginate.
+ Cellulose triacetate:
Cellulose triacetate và những chất sợi xốp khác đã được sử dụng để nhốt
enzyme. Hoạt tính và tính ổn định của enzyme cao hơn so với nhựng chất sợi
cellulose khác. Cellulose triacetate cũng có thể được dùng ở dạng sợi, màng
mỏng. Đây là loại vật liệu có sức bền cơ học cao. Độ xốp của nhóm chất mang
này cho phép sự khuyếch tán tự do của những hợp chất có phân tử lượng thấp,
nhưng không cho enzyme, tế báo thoát ra (do có kích thuớc lớn). Tính chất này
là một nhược điểm làm hạn chế khả năng sử dụng của cellulose triacetate như
một chất đệm cho chế phẩm sinh học phân hủy FOG, do FOG thường có phân tử
lượng từ trung bình đến cao.
+ Polyacrylamide :
Gel có thể được tạo ra ở các kích cỡ khác nhau nhưng thường có cấu trúc
khá yếu.
+ Ceramic (sành, sứ)
Ceramic là vật liệu có tính xốp cao, khả năng tái sử dụng nên được xem là

chất mang phù hợp cho việc cố định tế bào. Quá trình cố định tế bào đơn giản và


khả năng hoạt động lâu dài. Ngày nay việc cố định tế bào vào ceramic xốp có thể
được thực hiện bằng cách cho dịch huyền phù tế bào chảy qua một lớp ceramic
(a ceramic bed) hay lắc dịch huyền phù tế bào với chất mang ceramic.Người ta
đã ứng dụng ceramic để cố định tế bào nấm men nhằm sản xuất alcohol và nước
tương. Tuy nhiên giá thành của ceramic đắt là nguyên nhân chính để chất này
không được áp dụng rộng rãi.
b. Các phương pháp cố định tế bào:
Cố định tế bào có thể hiểu là việc bắt giữ tế bào hoặc định vị các tế bào
nguyên vẹn tạo ra sự cố định chắc chắn nhằm duy trì các đặc tính sinh học của tế
bào. Sự cố định này làm tăng khả năng chống chịu của các tế bào bởi các điều
kiện khác thường như pH và nhiệt độ, giúp cho việc ứng dụng vào các quá trình
khác một cách có hiệu quả
Trong xử lý nước thải, cố định tế bào là một kỹ thuật mới đã được nghiên
cứu và ứng dụng trong nhiều hệ thống xử lý. Cố định tế bào có nhiều ưu điểm
hơn so với tế bào lơ lửng tự do. Việc cố định tế bào có thể bảo vệ tế bào chống
lại sự cạnh tranh của các vi sinh khác và sự ức chế của các tác nhân hoá học,
tránh được sự rửa trôi tế bào trong quá trình sử dụng. Ngoài ra còn có thể sử
dụng lại tế bào nhiều lần, giúp giảm thiểu chi phí. Với những ưu điểm như vậy,
kỹ thuật cố định tế bào thường được áp dụng đối với những quá trình xử lý nước
thải sử dụng vi khuẩn tự dưỡng (VD như vi khuẩn khử nitrat). [21]
Có nhiều kỹ thuật cố định tế bào, thông thường người ta phân ra làm 4
loai: [21]
- Hấp phụ lên bề mặt chất mang rắn, trơ
- Bắt nhốt vào các vật liệu bám thấm như hydogel, sợi hoặc màng
- Kết nối đồng hoá trị với các tác nhân liên kết chéo

- Cố định không chất mang (carrierless immobilisation) bao gồm sự hình
thành tập hợp tế bào bằng việc kết bông tự nhiên hoặc nhân tạo.
Trong các quy trình xử lý nước thải người ta thường sử dụng 3 phương
pháp chính: hấp phụ, bắt nhốt và cố định không chất mang

Hình 1.1.1. Các phương pháp cố định tế bào[21]
1. Hấp phụ:
Hấp phụ là kỹ thuật đơn giản và cổ điển nhất trong việc cố định lượng lớn
tế bào. Các tế bào tự động gắn vào vật mang và hình thành một lớp màng mỏng
gọi là màng sinh học(biofilm). Những vật liệu khác nhau như thuỷ tinh xốp,
than, cát, gỗ mùn) đều được sử dụng làm vật liệu mang. Gần đây, các vật liệu
nhựa với các hình dạng tròn, vuông hoặc các hình dạng khác đã được sử dụng vì
chúng rẻ tiền và có bề mặt tiếp xúc lớn. Các quy trình sử dụng màng sinh học đã
được áp dụng ở những hệ thống riêng biệt. Lọc nhỏ giọt là hệ thống được sử
dụng ở Anh từ năm 1893 [21]. Đá dăm là vật liệu được sử dụng đầu tiên trong hệ
thống này. Các quá trình xử lý này sử dụng kỹ thuật màng sinh học để loại bỏ
các hợp chất hữu cơ ra khỏi nước thải. Chúng cũng được sử dụng đối với quá
trình khử nitrit và quá trình kết tủa kim loại. Kỹ thuật hấp phụ có thể sử dụng
hiệu quả mà không có sự rửa trôi tế bào từ hệ thống.
2. Bắt nhốt
Bắt nhốt cũng là một kỹ thuật cố định chính và được áp dụng vào rất nhiều
hệ thống. Các tế bào được bắt nhốt vào những vật liệu trơ khác nhau, cả polyme


tự nhiên và polyme nhân tạo còn được gọi là gel hydo. Các polyme tự nhiên (ví
dụ như aga, carrageenan, alginate) thường được sử dụng trong những mô hình thí
nghiệm nhỏ. Tuy nhiên, các polyme này không thích hợp khi áp dụng thực tế do
chúng dễ bị ảnh hưởng bởi các thác nhân cơ học và dễ bị phân huỷ bởi các loài
vi sinh vật khác. Các polyme nhân tạo (ví dụ như polyvinyl alcôhl, polyetylen
glycol) thường được dùng trong thực tế. Phương pháp bắt nhốt này giúp bảo vệ

những tế bào có ích chống lại các vi sinh vật có hại và các tác nhân có hại khác
từ dòng nước thải. Phương pháp này thường được dùng trong các quá trình khử
nitrit và các quá trình biến đổi sinh học phức tạp khác. Kỹ thuật này ít được sử
dụng trong các trường hợp loại bỏ các hợp chất hữu cơ ra khỏi dòng nước thải
bằng phương pháp tự dưỡng thông thường vì chi phí cho phương pháp này là đắt
nhất trong số các phương pháp cố định. [21]
3.Cố định không chất mang
Cố định không chất mang thường được sử dụng trong các hệ thống UASB.
Dòng nước thải chảy ngược trong các tank phản ứng thúc đẩy sự tập kết các tế
bào lại với nhau thông qua quá trình kết bông tự nhiên. Sự tập kết ban đầu từ các
hạt phôi sẽ phát triển thành các hạt trưởng thành có đường kính khoảng vài
milimet. Quy trình UASB sử dụng các hạt kết tụ này thường được chú ý nhiều
trong việc xử lý nước thải ô nhiễm chất hữu cơ cao do các hạt bông này có hàm
lượng sinh khối cao và giàu vi sinh vật đa dạng. Sự kết hạt bông được hình thành
trong cả điều kiện hiếu khí và kị khí. Tuy nhiên, một trở ngại chính của kỹ thuật
cố định này là khoảng thời gian kết hạt bông dài, thường khoảng từ 2-8 tháng.
Đã có nhiều biện pháp được đưa ra nghiên cứu và thử nghiệm để rút ngắn
khoảng thời gian này. Phương pháp có định này thường được áp dụng chính
trong các hệ thống xử lý nước thải ô nhiễm chất hữu cơ cao. [21]