Khả năng sinh chất kết tụ sinh học của chủng vi khuẩn klebsiella sp BF2 phân lập từ mẫu nước sông chà và

1

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP
Đề tài: Khả năng sinh chất kết tụ sinh học của chủng vi khuẩn
Klebsiella sp.BF2 phân lập từ mẫu nước sông Chà Và


2

TÓM TẮT
Đề tài “Khả năng sinh chất kết tụ sinh học của chủng vi khuẩn Klebsiella sp.BF2
phân lập từ mẫu nước sông Chà Và” dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Ngọc Tuấn,
đề tài được thực hiện tại phòng thí nghiệm trường Đại học Tôn Đức Thắng thành phố
Hồ Chí Minh từ tháng 4 năm 2018 đến tháng 11 năm 2018. Mục đích của đề tài là tối
ưu hóa các điều kiện sinh chất kết tụ sinh học từ vi khuẩn đã được phân lập từ nước
sông Chà Và. Các chất kết tụ này có khả năng xử lý chất rắn lơ lửng là nguyên nhân
chính gây ra vấn đề ô nhiễm môi trường nước hiện nay, đây là một giải pháp an toàn và
thân thiện do khả năng tự phân hủy sinh học của chúng, so với việc sử dụng chất kết tụ
vô cơ và hữu cơ gây ra nguy hại về sức khỏe.
Những nội dung nghiên cứu:
•

Khảo sát điều kiện nuôi cấy ảnh hưởng đến khả năng sinh chất kết tụ sinh học xác
định thông qua hoạt tính keo tụ của chủng vi khuẩn khảo sát.

•

Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính keo tụ.

•

Định danh chủng vi khuẩn khảo sát.

•

Thử nghiệm khả năng keo tụ và xác định COD trong thực tế với mẫu là nước thải
sinh hoạt từ các khu dân cư và nước thải dệt nhuộm từ phòng thí nghiệm Đại học
Tôn Đức Thắng.
Sau quá trình nghiên cứu kết quả thu được:
Thí nghiệm
Khảo sát điều kiện nuôi cấy
ảnh hưởng đến khả năng
sinh chất kết tụ

Kết quả
Nồng độ glucose 20 g/L; ure 0,5 g/L; pH 7; thời gian nuôi cấy để thu
nhận chất kết tụ 48 giờ

Điều kiện hoạt tính keo tụ
cao nhất

Khả năng hoạt động: nhiệt độ 4 – 80oC; pH 2 – 5
Tối ưu hóa: nồng độ 5 mg/L; pH 3,23; nồng độ Ca2+ 2,42%; nhiệt độ
30oC cho hoạt tính keo tụ 94,89 %.


3

Thành phần hóa học
chất kết tụ

75,8% polysaccharide; 19,1% protein; 1,9% acid nucleic.
Phân tích FTIR cho thấy sự hiện diện của carboxyl, nhóm hydroxyl,
methoxyl và amin chịu trách nhiệm chính về sự kết tụ. Thành phần
chính trong chất kết tụ BF34 là polysaccharide và protein.

Cơ chế keo tụ

Cầu nối, trung hòa.

Liên kết

Liên kết ion

Định danh

Klebsiella pneumonia

Ứng dụng

− Khu vực huyện Nhà Bè:
COD 76,0 giảm còn 43,7 (mg/L); hoạt tính keo tụ 57,48%
− Khu vực bến phà Nhà Bè:
COD 53,1 giảm 25,6 (mg/L); hoạt tính keo tụ 66,72%
− Khu vực khu dân cư ấp Bình Trường – huyện Cần Giờ
COD 43,5 giảm còn 22,4 (mg/L); hoạt tính keo tụ 70,32%
− Nước thải dệt nhuộm: hoạt tính keo tụ 67,96%

MỤC LỤC

4

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
WHO: World Health Organization (Tổ chức Y tế Thế giới)
UNICEF: United Nations Children's Fund (Quỹ Nhi đồng Liên Hiệp Quốc)
BOD: Biochemical oxygen Demand (Nhu cầu oxy sinh hóa)
COD: Chemical Oxygen Demand (Nhu cầu oxy hóa học)
DO: Dissolved oxygen (Oxy hòa tan)
TSS: Turbidity & suspendid solids (Tổng chất rắn lơ lửng)
VSS: Volatile Suspended Solid (Chất rắn lơ lửng dễ bay hơi)
TDS: Total Dissolved Solid (Tổng chất rắn hòa tan)
UV – Vis: Ultraviolet – Visible (Vùng tử ngoại – khả kiến)
FA: Flocculating active (Hoạt tính keo tụ)
OD: Optical density
EBFs: Extracellular biopolymeric flocculants
BBSM: Basal Bioflocculant Selection Medium
FTIR : Flourier transform infrared spectroscopy
RSM: Response surface methodology
ANOVA: Analysis of Variance

DANH MỤC BẢNG


5

DANH MỤC HÌNH, ĐỒ THỊ


6

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
1.1 Đặt vấn đề
Nước là một trong những thành phần quan trọng cần thiết cho sự sống. Lượng
nước dồi dào trên trái đất là một yếu tố duy nhất phân biệt hành tinh này với những
hành tinh khác. Tuy nhiên, sự đô thị hóa không theo quy hoạch và xuất hiện các khu
công nghiệp và nhà máy đã làm gia tăng tình trạng ô nhiễm nước và môi trường trầm
trọng. Theo WHO / UNICEF (2000), khoảng 70 – 80% bệnh tật ở các nước đang phát
triển có liên quan đến việc tiêu thụ nguồn nước bị ô nhiễm, bên cạnh đó còn gây nguy
hại đối với động vật thủy sinh. Từ đó việc nghiên cứu tìm ra các phương pháp xử lý
nước an toàn và hiệu quả đang là một vấn đề thách thức và cấp bách nhất hiện nay.
Ngày nay đa số quy trình xử lý nước của các khu công nghiệp điều áp dụng
phương pháp đông tụ/ keo tụ để xử lý các chất rắn lơ lửng trong như chất kết tụ vô cơ
(aluminium chloride, ferric chloride) và

chất kết tụ hữu cơ (polyacrylamide,

polyethylene amin). Hiệu quả chúng mang lại rất cao, loại bỏ gần như hoàn toàn các
chất gây ô nhiễm trong nước nhưng lại gây hại đối với môi trường do khó phân hủy,
nguy hiểm hơn là gây ung thư và là chất độc đối với hệ thần kinh cụ thể là bệnh
Alzheimer do thành phần có chứa nhôm. Việc sản xuất của chất kết tụ tự nhiên như
chitosan, cellulose, tannin, … an toàn, hiệu quả nhưng chi phí cao không có tính kinh
tế. Khắc phục những nhược điểm trên việc ra đời của chất kết tụ sinh học EBFs
(extracellular biopolymeric flocculants) từ vi sinh vật mang lại hiệu quả keo tụ rất cao,
an toàn thân thiện với môi trường với đặc tính rất dễ phân hủy, không gây ô nhiễm thứ
cấp. Điều này mang đến triển vọng lớn và được nghiên cứu trong những năm gần đây.
Từ đó việc thực hiện đề tài “Khả năng sinh chất kết tụ sinh học của chủng vi
khuẩn Klebsiella sp.BF2 phân lập từ mẫu nước sông Chà Và” nhằm tối ưu hóa các


7

điều kiện sinh chất kết tụ sinh học, từ đó làm tăng hoạt tính keo tụ ứng dụng vào thực
tế.
1.2 Mục tiêu
•

Khảo sát điều kiện nuôi cấy ảnh hưởng đến khả năng sinh chất kết tụ sinh học xác
định thông qua hoạt tính keo tụ của chủng vi khuẩn khảo sát.

•

Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính keo tụ.

•

Định danh chủng vi khuẩn khảo sát.

•

Thử nghiệm khả năng keo tụ và COD trong thực tế với mẫu là nước thải sinh hoạt
từ các khu dân cư, và nước thải dệt nhuộm từ phòng thí nghiệm Đại học Tôn Đức
Thắng.
1.3 Ý nghĩa
Đưa ra giải pháp hiệu quả trong việc xử lý nước so với các phương pháp xử lý
trước đây, bên cạnh đó chất keo tụ sinh học được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác
như mỹ phẩm, phụ gia thực phẩm, chất tẩy rửa, về mặt y tế ứng dụng tiêu biểu như các
đặc tính kháng virus, kháng viêm, chống ung thư.


8

9

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN
2.1 Các khái niệm cơ bản về nước và nước thải
Nước là nguồn tài nguyên vô cùng quan trọng cho tất cả các sinh vật trên trái đất,
nếu thiếu nước thì chắc chắn không có sự sống xuất hiện. Từ xưa, con người đã biết
đến vai trò quan trọng của nước, các nhà khoa học cổ đại đã xem nước là thành phần
cơ bản của vật chất và quá trình phát triển của xã hội loài người. Nước bao phủ 71%
diện tích trái đất, trong đó có 97% là nước mặn, còn lại là nước ngọt, giữ vai trò cho
khí hậu tương đối ổn định và pha loãng các yếu tố gây ô nhiễm môi trường, là thành
phần cấu tạo chính trong tế bào cơ thể sinh vật, chiếm từ 50% - 97% trọng lượng cơ
thể. Đây là một khoáng sản đặc biệt vì nó tàng trữ một nguồn năng lượng và hòa tan
nhiều vật chất có thể khai thác và phục vụ nhiều mặt cho con người [8].
2.1.1 Nước tự nhiên
Nước tự nhiên là nước mà chất lượng và số lượng của nó được hình thành dưới
ảnh hưởng của quá trình tự nhiên, không có sự tác động của con người. Nước tự nhiên
bao gồm: nước ngầm, nước mặt và nước biển.
•

Nước mặt: là khái niệm chung nói đến các nguồn nước trên mặt đất, bao gồm ở
dạng động (chảy) như sông, suối, kênh, rạch và dạng tĩnh chảy chậm như ao, hồ,
đầm, … Nước mặt có nguồn gốc chính là nước chảy tràn do mưa hoặc có thể từ
nước ngầm chảy ra do áp suất cao hay dư thừa độ ẩm trong đất như dư thừa trong
các tầng nước ngầm.

•

Nước ngầm: tồn tại ở các tầng trong lòng đất, chất lượng nước phụ thuộc vào một

loạt yếu tố: chất lượng nước mưa, thời gian tồn tại, bản chất lớp đất đá nước thấm
qua.
Thông thường nước ngầm chứa ít tạp chất hữu cơ và vi sinh vật, giàu ion vô cơ.
Nước ngầm ở các vùng khác có thành phần khác nhau [10]. Đây là nguồn tài nguyên


10

quý giá cung cấp cho vùng đô thị, khu công nghiệp, tưới tiêu thủy lợi, đặc biệt là vùng
trồng cây công nghiệp.
•

Nước biển: nước biển tương đối đồng đều về thành phần, đặc biệt là chứa rất nhiều
NaCl, vì vậy được gọi là nước mặn. Khoảng ¾ bề mặt Trái Đất được che phủ bởi
nước biển. Thành phần chủ yếu của biển là các ion Cl -, SO42-, CO32-, SiO32-, Na+,
Ca2+, Mg2+. Biển đóng vai trò quan trọng trong chu trình tuần hoàn nước toàn cầu
[11].
Bảng 2.1 Thành hóa học trong nước tự nhiên [10]
Nước biển
Thành phần

Các ion chính
Clo (Cl-)
Sodium (Na+)
Sulfate (SO42-)
Magnesium (Mg2+)
Calci (Ca2+)
Potassium (K+)
Bicarbonate (HCO3-)
Brom (Br-)

Stronti (Sr2+)

Các nguyên tố vi lượng
Bo (B)
Silic (Si)
Flo (F)
Nito (N)
Phosphor (P)
Molipden (Mo)

Nước sông, hồ, đầm

Nồng độ mg/L

Thứ tự

19340
10770
2712
1290
412
399
140
65
9

1
2
3
4

5
6
7
8
9

Nồng độ g/L
4500
5000
1400
250
32
11

Nồng độ
mg/L

Thứ tự

8
6
11
4
15
2
58

4
5
3

6
2
7
1

Nồng độ g/L
2
1
3
4
5
6

10
13100
100
230
20
1

15
3
12
11
13
18


11

Kẽm (Zn)
IIron (Fe)
Manganese (Mn)

5
3
2

7
8
9

20
670
7

14
9
16

2.1.2 Nước thải
Nước thải là nước đã dùng trong sản xuất, sinh hoạt hoặc chảy qua khu vực đất ô
nhiễm. Phụ thuộc vào điều kiện tác động, nước thải được chia thành nước thải sinh
hoạt, nước thải công nghiệp và nước thải khí quyển.
Ngày nay, dân số gia tăng nhanh chống quá trình công nghiệp hóa và đô thị hóa
ngày càng mạnh mẽ, dẫn đến nhu cầu sử dụng nước rất lớn, trong khi đó nguồn tài
nguyên nước lại không tăng lên, điều này đã làm suy giảm nghiêm trọng chất lượng
nước [11].
Thông thường người ta phân loại nước thải theo nguồn gốc phát sinh, đây là cở sở
để lựa chọn biện pháp và công nghệ xử lý nước. Theo cách phân loại này có các loại

nước thải sau:
−

Nước thải sinh hoạt: là nước thải phát sinh từ các hoạt động sinh hoạt của cộng
đồng dân cư như khu vực đô thị, trung tâm thương mại, khu vực vui chơi giải
trí, khu vực công sở. Nước thải sinh hoạt hộ gia đình chia làm hai loại chính là
nước đen và nước xám [10].
Nước đen là nước thải từ nhà vệ sinh chứa phần lớn các chất ô nhiễm, chủ yếu là

chất hữu cơ các vi sinh vật gây bệnh và cặn lơ lửng.
Nước xám là nước phát sinh từ quá trình rửa, tắm, giặt với các thành phần các
chất ô nhiễm không đáng kể. Các thành phần ô nhiễm chính đặc trưng thường thấy
nước thải sinh hoạt là BOD, COD, nito, phospho.


12

•

Nước thải khí quyển: được hình thành do mưa và chảy ra từ đồng ruộng. Chúng bị
nhiễm bởi các chất hữu cơ và vô cơ khác nhau. Nước trôi qua khu vực dân cư, khu
sản xuất công nghiệp có thể cuốn theo chất rắn, dầu mỡ, vi khuẩn, … Còn nước
chảy ra từ đồng ruộng mang theo chất rắn, thuốc sát trùng, phân bón. Nước mưa
chảy qua các khu vực rừng mang theo các chất hữu cơ động vật, chất rắn lơ lửng do
xối mòn đất [4].

•

Nước thải công nghiệp: xuất hiện khi khai thác và chế biến nguồn nguyên liệu hữu
cơ và vô cơ. Trong sản xuất công nghiệp, nước được sử dụng như nguyên liệu,

phương tiện sản xuất, được sử dụng để gia nhiệt hoặc làm nguội thiết bị, làm sạch
bụi và khí độc hại. Ngoài ra còn được sử dụng để vệ sinh công nghiệp cho nhu cầu
tắm rửa, ăn uống của công nhân. Nhu cầu về cấp nước và lượng nước thải phụ
thuộc vào nhiều yếu tố: loại hình, công nghệ sản xuất và thành phần nguyên vật liệu
… [4]

•

Nước thải đô thị: là một thuật ngữ chung chỉ chất lỏng trong hệ thống cống thoát
nước của thành phố, đó là hỗn hợp các loại nước thải trên [10].
2.2 Các tính chất của nước thải
Nước thải chứa rất nhiều loại hợp chất khác nhau, với số lượng và nồng độ cũng
thay đổi rất khác nhau. Có thể phân loại tính chất nước thải như sau:
2.2.1 Tính chất vật lý


13

Tính chất vật lý của nước thải được xác định dựa trên các chỉ tiêu: các chất rắn,
độ đục, màu sắc, mùi vị, nhiệt độ [118].
•

Các chất rắn: hầu hết các chất ô nhiễm trong nước thải có thể xem là chất rắn. Mục
đích của công việc xử lý nước thải là nhằm loại bỏ các chất rắn hoặc chuyển chúng
sang dạng ổn định hơn và dễ xử lý. Các chất rắn có thể được phân loại dựa vào
thành phần hóa học của chúng (hữu cơ hay vô cơ), hoặc bởi các đặc tính vật lý (có
thể lắng đọng, nổi trên mặt nước, hay ở dạng keo).
Các chất rắn hữu cơ: bao gồm C, H, O, N và có thể được chuyển thành CO 2 và
H2O khi cháy ở 550oC.
Các chất rắn vô cơ: phần còn sót lại sau khi đốt cháy hoàn toàn cặn, thu được trên

giấy lọc.
Các chất rắn lơ lửng: loại chất rắn này thường bị giữ lại bởi các bể lọc đệm với
vật liệu xơ và có thể được phân loại nhỏ hơn như: tổng các chất rắn lơ lửng (TSS), các
chất rắn lơ lửng dễ bay hơi (VSS) và các chất rắn lơ lửng cố định.
Các chất rắn tan: loại chất rắn này sẽ đi qua được các bể lọc và cũng được phân
loại thành: tổng hàm lượng các chất rắn tan được (TDS), các chất rắn tan dễ bay hơi và
chất tan cố định.

•

Màu: đây là một trong những thông số để xác định chất lượng nước. Nước sạch
thường không có màu, nước thải mới có màu hơi nâu sáng, tuy nhiên nhìn chung
màu nước thải thường là màu xám có vẩn đục. Màu sắc của nước thải sẽ bị thay đổi
đáng kể nếu như nó bị nhiễm khuẩn, khi đó nước thải sẽ có màu đen tối.


14

•

Độ đục: một trong những đặc điểm dễ nhận biết về sự ô nhiễm của nước, đó chính
là độ trong của nước, được xác định thông qua độ đục. Độ đục của nước có được là
do sự tồn tại các chất lơ lửng trong nước, như tảo, các vi sinh vật, đất sét, bọt xà
phòng, các chất tẩy rửa,…Phương pháp thường sử dụng để đo độ đục trong xử lý
nước thải là phương pháp UV – Vis.

•

Mùi: dấu hiệu của mùi rất quan trọng trong việc đánh giá và chấp nhận hệ thống
nước thải của xí nghiệp. Nước có mùi là do các nguyên nhân: chất hữu cơ từ cống

rãnh khu dân cư, xí nghiệp chế biến thực phẩm, công nghiệp hóa chất, chế biến dầu
mỡ, các sản phẩm phân hủy cây cỏ, rong tảo, động vật, …Mặc dù tương đối vô hại
(khi hàm lượng nhỏ), nhưng mùi có thể gây cảm giác khó chịu, buồn nôn. Thông
thường mùi có được là tổng hợp nhiều loại chất khác nhau. Khi độ nhiễm bẩn chất
hữu cơ không quá lớn, quá trình phân hủy hiếu khí xảy ra chủ yếu và mạnh (khi
nước có đầy đủ oxy thì cường độ mùi thấp). Ngược lại khi trong nước không có oxy
các chất hữu cơ trung gian được tạo ra do quá trình phân hủy kỵ khí tạo thành các
chất có mùi trong nước được giới thiệu trong bảng sau:
Bảng 2.2 Thành phần hợp chất mùi có trong nước thải [1]
Chất có mùi
Amoniac
Chất thải con người và động vật
Hydro sulfur
Sulfite hữu cơ
Mercaptan
Amin
Clo
Phenol

Công thức
NH3
C8H5NHCN3
H2S
(CH3)S, CH3SSCH3
CH3SH, CH3(CH2)3SH
CH3NH2, (CH3)3N
Cl2
C6H5OH

Mùi

Mùi khai xốc
Hôi thối
Trứng thối
Bắp cải thối rửa
Hôi, thối
Thịt thối
Hăng nồng
Cay xé


15

•

Nhiệt độ: nhiệt độ của nước thải thường cao hơn so với nhiệt độ của nguồn nước
sạch ban đầu, bởi vì có sự gia nhiệt vào nước từ các đồ dùng trong gia đình các máy
móc thiết bị công nghiệp. Tuy nhiên, chính những dòng nước thấm qua đất và
lượng nước mưa đổ xuống mới là nhân tố làm thay đổi một cách đáng kể nhiệt độ
của nước. Khi nhiệt độ của nước tăng lên sẽ ảnh hưởng đến khả năng hòa tan oxy
trong nước, tốc độ hoạt động của các vi khuẩn trong nước thải, …
2.2.2 Tính chất hóa học
Tính chất hóa học của nước thải thường bao gồm tính chất của: các hợp chất hữu
cơ và các hợp chất vô cơ.
Các hợp chất hữu cơ: protein, dầu mỡ, carbohydrat và các chất tẩy rửa, chất bảo
vệ thực vật [3]:

•

Protein: thực chất là các hợp chất hữu cơ chứa nito với khối lượng phân tử lớn,
protein tồn tại dạng chủ yếu là proline, được cấu thành từ các amino acid, ngoài ra

thành phần của nó còn chứa các nguyên tố: carbon, hydro, oxy, lưu huỳnh, phospho
và nito. Protein được xác định là thành phần chủ yếu có trong nước thải chăn nuôi.
Khi protein hiện diện trong nước thải sẽ xảy ra mạnh mẽ và gây mùi khó chịu.

•

Dầu và mỡ: không tan trong nước nhưng lại bị hòa tan trong các dung môi khác
như: dầu hỏa, chloroform, ete. Chất béo và dầu trong nước thải đô thị có nguồn gốc
từ bơ, mỡ lợn, các thức ăn làm từ mỡ động vật, dầu thực vật. Chúng là một trong
những chất hữu cơ ổn định nhất và không dễ bị phân hủy bởi các vi sinh vật. Nước
thải chứa thành phần dầu mỡ cao có thể gây ảnh hưởng cho quá trình xử lý.


16

•

Carbohydrat: đây là hợp chất tồn tại phổ biến trong tự nhiên và cũng được phát hiện
là có nhiều trong nước thải. Chúng gồm các chất hữu cơ như: tinh bột, cellulose,
đường, và chất xơ với thành phần chính là C, H, O. Đường có thể tan trong nước
trong khi tinh bột không thể hòa tan được. Sản phẩm cuối của quá trình phân hủy
carbohydrat trong điều kiện không có oxy là các acid hữu cơ, rượu và các chất khí
(CO2, H2S, …). Sự hình thành một lượng lớn các acid hữu cơ có thể ảnh hưởng đến
quá trình xử lý nước thải (làm giảm pH, giảm hoạt tính hoạt động của các vi sinh
vật, …).

•

Các chất tẩy rửa: ít tan trong nước và có thể gây ra hiện tượng nổi bọt trong các
nhà máy xử lý nước thải. Các chất tẩy rửa còn làm giảm khả năng hòa tan oxy trong

các quá trinh xử lý sinh học.

•

Các chất bảo vệ thực vật: là các hợp chất hữu cơ thường độc với sâu hại, cây trồng
và khá bền trong môi trường. Chúng tích lũy và tồn lưu gây ô nhiễm, gây độc cả
cho người và động vật. Các chất đó là các hợp chất phosphor hữu cơ, clo hữu cơ,
cacbamat, phenoxy acetic. Chúng tích tụ khó phân hủy và gây ô nhiễm nước [16].
Các hợp chất vô cơ: độ pH, độ kiềm, clo, nito, phospho, lưu huỳnh, các hợp chất
vô cơ độc và kim loại nặng [10].

•

Độ pH: của nước hay nước thải được xác định thông qua nồng độ ion H +. pH = 7
cho biết môi trường trung tính, pH thấp (<5) cho biết môi trường ở điều kiện acid
và pH cao (>9) là môi trường base. Tính acid của nước là một trong những nguyên
nhân gây nhiễm bẩn môi trường nước, do các trầm tích thường giải phóng độc chất
trong môi trường acid.

•

Độ kiềm: đặc trưng cho khả năng trung hòa acid, thường là độ kiềm bicarbonat,
carbonat, hydroxyd. Độ kiềm thực chất là môi trường đệm (để giữ pH trung tính)
của nước thải thường trong suốt quá trình xử lý sinh hóa.


17

•

Clo: tồn tại trong nước và nước thải chủ yếu dạng ion Cl -. Nồng độ Clo trong nước
thải thường cao hơn trong nước nguyên chất.

•

Nito: trong nước thải đô thị, các hợp chất chứa nito là sản phẩm của quá trình phân
hủy sinh học của protein. Nito thường tồn tại các dạng: N hữu cơ, N-NH 3, N-NO2,
N-NO3, N hữu cơ thường gồm các thành phần tự nhiên như peptide, protein, acid
nucleic và một lượng lớn chất hữu cơ tổng hợp. N-NH 3 là thành phần tự nhiên có
trong nước thải, nó là sản phẩm đầu tiên của quá trình phân hủy của các hợp chất
hữu cơ chứa N và quá trình thủy phân của ure. N-NO 2 là sản phẩm trung gian của
quá trình oxy hóa nito, có thể thâm nhập vào môi trường nước do việc sử dụng các
chất ức chế sự ăn mòn dùng trong nông nghiệp. N-NO3 là kết quả của quá trình oxy
hóa amoni. Sự hiện diện của nito trong nước thải là cần thiết để đánh giá hiệu quả
xử lý nước thải bằng quá trình sinh học.

•

Phospho: là chất dinh dưỡng cần thiết cho tất cả tế bào sống và là thành phần tự
nhiên của nước thải. Dạng tồn tại chính của nó là phosphate – muối của acid
phosphoric.

•

Lưu huỳnh: là nguyên tố cần thiết cho tổng hợp protein. Các ion SO 4-2 thường hiện
diện trong nước cấp và cả nước thải. Sulfate bị biến đổi sinh học thành sulfite, sau
đó có thể kết hợp với hydro tạo thành H2S là độc chất đối với động thực vật.

•

Các hợp chất gây độc: các chất này độc với hệ vi sinh vật và ảnh hưởng đến quá
trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học.

•

Các ion kim loại nặng: chủ yếu được tìm thấy trong nước thải công nghiệp, và
chúng cũng ảnh hưởng không tốt cho quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp
sinh học.
2.2.3 Tính chất sinh học


18

Nói đến tính chất sinh học của nước và nước thải nghĩa là đề cập đến các loài sinh
vật hiện diện trong nước và nước thải, bởi vì chính sự có hay vắng mặt và phát triển
quá mức của chúng sẽ chỉ ra được nguồn nước ở tình trạng như thế nào, có thể nhiễm
bẩn hay không. Các thành phần sinh học chính bao gồm:
•

Các động vật nước.

•

Các thực vật nước.

•

Động vật nguyên sinh, vi khuẩn, virus, …
2.3 Phương pháp kết tụ xử lý nước thải
Hiện nay ô nhiễm nước thải đang là vấn đề cấp thiết cho toàn xã hội, một trong

những tác nhân chính là chất rắn lơ lửng. Chất rắn lơ lửng là các hạt nhỏ, hạt có bản
chất hữu cơ thường là sợi thực vật, tảo, vi khuẩn, … các hạt vô cơ có thể là các hạt đất
sét, bùn, phù sa. Các hạt lơ lửng này sẽ lắng xuống đáy tiêu thụ oxy để phân hủy từ đó
làm giảm DO của nguồn nước. Khi nguồn oxy trong nước cạn kiệt quá trình phân hủy
yếm khí sẽ xảy ra tạo ra hàng loạt các khí H 2S, CO2, CH4, …làm ô nhiễm nước và
không khí xung quanh [7]. Phần còn lại là những hạt không lắng sẽ làm đục nước làm
cản trở quá trình quang hợp và hoạt động sống của động vật thủy sinh. Bên cạnh đó
trong các chất lơ lửng còn tồn tại một số độc chất như sulfate đồng, oxid đồng, oxid
nhôm, oxid sắt, những chất độc thuộc clo và các chất hữu cơ từ các nguồn nước thải
công nghiệp.
Trong hầu hết các nhà máy xử lý nước, quá trình kết tụ được sử dụng phổ biến
nhất để loại bỏ các thành phần lơ lửng. Nước thải được thu gom trong các bể sau đó di
chuyển đến bể lắng, nơi quá trình keo tụ xảy ra và các hạt lơ lửng lắng xuống ở đáy
[54], [107]. Phương pháp này đơn giản, hiệu quả ứng dụng rộng rãi trong xử lý các
nguồn nước thải như nước thải dệt nhuộm, nước thải bột giấy, nước thải dầu cọ, nước
thải sinh hoạt [16], [123], [134], [115]. Khi bổ sung các chất đông tụ/ keo tụ, các hạt
phân tán hay các hạt lơ lửng trong nước thải sẽ tập hợp lại keo tụ tạo thành các hạt có


19

kích thước lớn lắng xuống đáy và làm trong hệ thống [111]. Dựa vào cấu tạo thành
phần khác nhau mà chất kết tụ thường được phân loại thành các dạng chất kết tụ vô cơ,
chất kết tụ hữu cơ và các chất kết tụ tự nhiên [109].

Phân loại chất keo tụ

Chất keo tụ vô cơ

Chất keo tụ hữu cơ

Chất keo tụ tự nhiên

Polyaluminium
choride

Polyacrylamide

Cellulose

Aluminium
sulfate

Polyethylene
amine

Chitosan

Aluminium
chloride

Sodium arginate

Ferric chloride

Gum &
mucilage

Ferrous sulfate

Tannin

Alum

Microbial
flocculant
Hình 2.1 Phân loại chất keo tụ [112]


20

2.4 Chất kết tụ vô cơ
Các chất kết tụ vô cơ bao gồm alum, polyaluminium choride (PAC), aluminium
chloride, aluminium sulfate, ferric chloride và ferric sulfate. Vì hầu hết các hạt lơ lửng
trong nước thải thường biểu hiện một điện tích âm [62]. Muối của các kim loại này sẽ
bị ion hóa khi chúng được thêm vào nước thải để tạo thành các điện tích cation có thể
liên kết với các hạt lơ lửng. Sự tương tác này dẫn đến giảm điện tích bề mặt và sự hình
thành khối kết tụ lớn có thể dễ dàng loại bỏ khỏi nước [120].
Trong số các chất kết tụ vô cơ này, PAC được sử dụng rộng rãi trong xử lý nước
và nước thải. Tuy nhiên, chúng rất nhạy cảm với pH, không hiệu quả ở nhiệt độ thấp,
chỉ giới hạn ở một vài hệ thống phân tán và cần một số lượng lớn để kết tụ hiệu quả, do
đó tạo ra lượng lớn bùn gây khó khăn cho các hệ thống xử lý nước thải [131], [23],
[111]. Hơn nữa, một số nghiên cứu đã báo cáo rằng PAC chứa nhôm có thể gây ô
nhiễm nước uống và dẫn đến các vấn đề sức khỏe nghiêm trọng cho người tiêu dùng,
các nghiên cứu dịch tễ học và thần kinh học gần đây cho thấy rằng mối liên hệ giữa
tính gây độc thần kinh của nhôm và sự phát triển của bệnh Alzheimer [19]. Bên cạnh
đó các muối vô cơ như aluminium chloride, aluminium sulfate, ferric chloride và ferric
sulfate được sử dụng nhiều trong giai đoạn kết tụ xử lý nước thải vì chi phí thấp nhưng
nó mang lại hậu quả nghiêm trọng cho môi trường là việc sản xuất lượng lớn bùn
hydroxide kim loại và sự gia tăng ion kim loại trong nước [36].

2.5 Chất kết tụ hữu cơ
Chất kết tụ hữu cơ thường được sử dụng trong các quy trình công nghiệp khác
nhau. Chúng bao gồm polyacrylamide (PAA), polyethylene amin, và poly diallyl
dimethyl amoni clorua (DADMAC). Các nghiên cứu trước đây ghi nhận rằng các dẫn
xuất acrylamide là nhóm chính của các polyme tổng hợp hữu cơ, nó được sử dụng rộng
rãi trong các tác nhân kết tụ vì hiệu quả và giá thành của chúng [90]. Các polyme hữu
cơ này thường có nguồn gốc từ dầu thô hoặc nguyên liệu thô. Chúng thường có trọng


21

lượng phân tử cao và có nhiều polyelectrolytes trong chuỗi phân tử, giúp tăng cường
hiệu quả kết tụ của chúng [120], [62]. Lượng bùn được tạo ra trong xử lý nước thải có
thể được giảm bằng cách sử dụng các polymer tổng hợp như PAA và chúng không
nhạy cảm với pH đây là một ưu điểm lớn của chất kết tụ hữu cơ. Hơn nữa, việc sử
dụng các polymer hữu cơ không ion như PAA có thể khắc phục một số tác hại đã được
đề cặp trước đây của chất kết tụ vô cơ. Sự kết hợp của PAA và sulfate polyferric (PFS)
sẽ làm tăng polyme trọng lượng phân tử mang lại một hiệu quả kết tụ tăng đáng kể khi
so sánh với một chất kết tủa vô cơ.
Acrylamide có dạng tinh thể trong tự nhiên và là một phân tử đa chức năng bao
gồm cả liên kết đôi carbon-carbon vinylic và một nhóm amit có liên kết đôi. Đây là
một monomer ổn định vừa phải, hòa tan trong nước và nhiều dung môi hữu cơ
[134]. Tuy nhiên, các monomer của PAA không dễ bị phân hủy, do đó là một chất độc
đối với môi trường. Bên cạnh đó, các monome này đã được báo cáo là có cả hai đặc
tính gây độc thần kinh và gây ung thư [69]. Đây là nhược điểm rất lớn dẫn đến chất kết
tụ hữu cơ bị hạn chế sử dụng ở hầu hết các quốc gia.
2.6 Chất kết tụ tự nhiên
Do những tác hại mà chất kết tụ vô cơ và hữu cơ mang lại, những năm gần đây
chất kết tụ tự nhiên ngày càng được ưa chuộng, do chúng thân thiện với môi trường và
tạo ra ít bùn hơn, độc lập với pH. Chất kết tụ sinh học có bản chất là polysacharide nên

bùn tạo nên rất dễ phân hủy bởi vi sinh vật. Cơ chế kết tụ của polymer này là do nó có
thể làm mất ổn định các hạt keo bằng cách tăng cường độ ion và giảm điện thế zeta,
làm giảm độ dày của phần khuyếch tán của lớp điện kép [99]. Hoặc biến đổi để tạo
thành một polyme cation trung hòa hoặc giảm điện tích trên bề mặt của các hạt lơ lửng
thúc đẩy sự va chạm giữa các hạt và cation, dẫn đến sự gắn kết và kết tụ nhờ các nhóm
chức như hydroxyl hay carboxyl [59]. Các chất kết tụ tự nhiên thường gặp như
chitosan, tannin, cellulose, sodium alginate, chất kết tụ sinh học từ vi sinh vật.


22

2.6.1 Chitosan
Chitosan là một polymer deacetyl hóa một phần có nguồn gốc từ deacetyl hóa
kiềm của chitin, một chất sinh học thu được từ các nguồn động vật có vỏ [62]. Nó là
một polysaccharide cation có chức năng như một chất kết dính polyme tổng hợp có thể
được áp dụng trong quá trình kết tụ các hạt lơ lửng trong quá trình xử lý nước vì tính
an toàn, không ăn mòn và khả năng phân hủy sinh học của chúng [29]. Đây là một
polysaccharide amino hydrophilic tuyến tính có một số nhóm amin (–NH 2) và nhóm
hydroxyl (–OH) trên cấu trúc. Ở pH thấp, chitosan tồn tại như một polyme cation hòa
tan có mật độ điện tích cao, khi hòa tan trong acid nó tạo ra các nhóm amin proton có
thể loại bỏ các ion kim loại không mong muốn khác nhau như Ag +, Pb2+, Ca2+ , Cu2+,
Al3+ , Zn2+ , Cr2+ , Hg2+ và Cd2+ có mặt trong nước thải thông qua sự hấp dẫn tĩnh điện
[29], [106].
Chitosan đã được báo cáo là có hiệu quả trong việc loại bỏ nhu cầu oxy hóa học
(COD) của nước bị ô nhiễm chất hữu cơ và chất rắn lơ lửng (SS) trong xử lý nước [22],
[52]. Ngoài ra, nó được sử dụng để giảm lượng một lượng lớn bùn được tạo ra bởi các
chất kết tụ vô cơ và không gây ra bất kỳ ô nhiễm thứ cấp nào. Mặc dù chitosan có hiệu
quả trong xử lý nước nhưng giá thành lại cao làm tăng chi phí xử lý nên không khả
quan khi áp dụng trong quy mô lớn.
2.6.2 Sodium alginate

Sodium alginate là một polymer anion hòa tan trong nước tuyến tính có nguồn
gốc từ muối sodium của acid alginic và có trọng lượng phân tử khoảng 500.000
dalton. Khả năng kết tụ của nó khi kết hợp với aluminium sulfate trong xử lý nước thải
công nghiệp bị ô nhiễm với thuốc nhuộm tổng hợp cho thấy rằng nó thể hiện tỷ lệ keo
tụ mạnh mẽ khoảng 90% và 80% để loại bỏ màu và giảm COD [135].


23

2.6.3 Tannin
Tannin là một polyme anion được coi là chất kết dính an toàn hơn, có thể được sử
dụng thay thế cho các polyme thường được sử dụng trong xử lý nước do khả năng phân
hủy sinh học và an toàn cho con người và môi trường [99]. Đây là chất chuyển hóa thứ
cấp của các loại rau như trái cây, lá và các loại khác [21]. Gần đây, một số nhà nghiên
cứu đã xác nhận thực nghiệm khả năng flocculating của tanin trong việc loại bỏ các hạt
lơ lửng và keo được tìm thấy trong nước uống sau khi xử lý, cũng như trong việc loại
bỏ các hạt lơ lửng khỏi nước thô tổng hợp và loại bỏ thuốc nhuộm, bột màu và mực
[99], [108]. Trong các nghiên cứu tannin là anion trong tự nhiên, một chất làm đông tụ
như alumium sunfat được thêm vào để ổn định các hạt keo tích điện âm trước khi bổ
sung tannin [62].
2.6.4 Cellulose
Cellulose là một trong những polysaccharide tự nhiên phong phú nhất thu được từ
chất thải nông nghiệp. Anion sodium carboxymethyl cellulose (CMC-Na) là một ví dụ
điển hình của chất tạo kết tụ có bản chất từ cellulose khi kết với aluminium sulfate tạo
nên một chất kết dính loại bỏ độ đục trong nước uống. Các nghiên cứu trước đây đã
báo cáo rằng chất kết dính dicarboxylic acid nanocellulose (DCC) anionized có nguồn
gốc từ cellulose có một tính chất kết tụ mạnh khi có sự hiện diện của ferric sulfate
trong xử lý nước thải đô thị [57], [120].
2.7 Chất kết tụ sinh học từ vi sinh vật
Chất kết tụ sinh học vi sinh vật được Louis Pasteur (1876) báo cáo lần đầu tiên về

nấm men Levure casseeuse. Tiếp đến là Bordet (1899) phát hiện chất kết tụ có trong
môi trường nuôi cấy vi khuẩn. Sau đó, chất kết tụ này đã được nghiên cứu rộng rãi và
một mối tương quan đã được thiết lập giữa sự tích tụ extracellular biopolymeric
flocculants (EBFs) và tổng hợp tế bào [85], [124]. Nhiều vi sinh vật sản xuất EBFs kể


24

cả vi khuẩn, nấm men, nấm mốc và tảo đã được phân lập từ đất và nước thải, chúng
thường là các hỗn hợp có khối lượng phân tử cao, phân tử của các polymer bao gồm
các đơn vị lặp lại đường hoặc các dẫn xuất đường như fructose, galactose, glucose và
mannose được sản xuất và giải phóng trong quá trình sinh trưởng của vi sinh vật [53],
[113].
Do những hạn chế của các chất kết tủa vô cơ và hữu cơ mà gần đây nhu cầu về
biopolymers cho các ứng dụng công nghiệp ngày càng cao, dẫn đến sự quan tâm đặc
biệt của các nhà khoa học về việc nghiên cứu và sản xuất EBSs (extracellular
biopolymeric flocculants ), vì có khả năng tự phân hủy sinh học, không gây ô nhiễm
thứ cấp và tạo ra các sản phẩm trung gian an toàn cho con người và môi trường, độc
lập với sự thay đổi pH và tạo ra ít bùn hơn, dễ bị phân hủy bởi vi sinh vật [24], [83].
2.7.1 Cơ chế keo tụ
Cơ chế của sự keo tụ được nghiên cứu chủ yếu vì tầm quan trọng của nó trong
việc ứng dụng trong xử lý các loại nước thải [63]. Sự kết tụ xảy ra thông qua cầu nối và
trung hòa điện tích và thậm chí là bằng sự kết hợp của hai cơ chế này [109], [105].
2.7.1.1 Cơ chế cầu nối
Cầu nối xảy ra khi bioflocculant mở rộng bề mặt của các hạt vào dung dịch cho
một khoảng cách lớn hơn khoảng cách mà tác động của lực liên hạt và biofloccculant
sẽ hấp phụ các hạt khác để tạo thành khối keo tụ [109]. Việc bổ sung cation cho hoạt
tính keo tụ cao và tăng cường tính chất lắng đọng, những kết quả nghiên cứu cho thấy
rằng các tương tác cụ thể của bioflocculant và cation với các hạt có thể được hỗ trợ bởi
quá trình hấp phụ, cơ chế cầu nối và trung hòa điện tích [88]. Quá trình này diễn ra

gồm 2 bước [45]:
Bước 1: quá trình đông tụ, trong đó cation kim loại tiến gần hơn đến các hạt tích
điện âm thông qua lực hút tĩnh điện tạo nên phức hợp hạt-cation (Hình 2.2).


25

Bước 2: quá trình kết tụ, trong đó bioflocculant hoạt động như một tác nhân bắc
cầu hai hay nhiều phức hợp cation-hạt và làm giảm khoảng cách giữa các hạt thông qua
cơ chế liên kết ion (Hình 2.2). Các hạt được hấp phụ vào chuỗi phân tử bioflocculant
hay được hấp phụ đồng thời vào các chuỗi khác, hình thành các khối ba chiều, làm đẩy
nhanh tốc độ keo tụ và lắng xuống đáy.

Hình 2.2 Keo tụ bằng cơ chế cầu nối
Các chất sinh học có điện tích bề mặt âm cho thấy kỵ nước cao hơn và các thành
phần kỵ nước này tạo thành các liên kết với các hạt vô cơ tích điện dương như ion kim
loại [87]. Các cation đa hóa trị có thể bắc cầu giữa các nhóm carboxyl tích điện âm
(của các acid uronic trong chuỗi polysaccharide) [119]. Hiệu quả của cơ chế cầu nối
phụ thuộc vào trọng lượng phân tử và điện tích mạng của bioflocculant ảnh hưởng đến
các điểm hấp phụ, và ngoài ra hiệu quả quá trình cầu nối còn do điện tích hạt lơ lửng,
cường độ ion của dịch huyền phù [126], [141], [149].