Thạc Sĩ Nghiên cứu thành phần và hiệu quả xử lý nước thải nhà máy bia của chế phẩm sinh học BIO - PB

3

MỞ ĐẦU
Việt Nam là nước có nền kinh tế phát triển nhanh, kéo theo đó là sự phát triển
của nhiều ngành công nghiệp chế biến, sản xuất và dịch vụ gia tăng. Việc phát triển
nhanh của các ngành này đã tạo ra một lượng lớn các chất thải và nước thải, nếu không
được xử lý đúng cách sẽ dẫn đến ô nhiễm nguồn nước mặt, nước ngầm và ảnh hưởng
nghiêm trọng đến cuộc sống của người dân, sự phát triển kinh tế và diện mạo của đất
nước. Đối với chất thải và nước thải của các ngành sản xuất thực phẩm như bia, rượu,
chế biến sản phẩm đồ hộp , thành phần chủ yếu là hỗn hợp các hợp chất hydocacbon,
protein, lipit. Đây là các thành phần dễ phân hủy bởi vi sinh vật, nếu không xử lý triệt
để sẽ gây ra ô nhiễm nghiêm trọng. Có thể xử lý nước thải theo nhiều cách, một trong
những biện pháp xử lý hiệu quả là sử dụng các chủng vi sinh vật có khả năng phân hủy
nhanh, đặc hiệu với các loại hợp chất hữu, có giá thành thấp, ổn định và không gây tác
động xấu đến môi trường.
Trong tự nhiên, vi sinh vật với những đặc tính ưu việt sẵn có vẫn hàng ngày,
hàng giờ phân hủy các chất hữu cơ phức tạp thành các hợp chất trung gian và những
hợp chất đơn giản hơn. Do vậy, hệ vi sinh vật tự nhiên có thể xem như là một nhà máy
xử lý ô nhiễm khổng lồ. Các nhà khoa học đã không ngừng nghiên cứu để khai thác và
ứng dụng những lợi thế của vi sinh vật và tạo điều kiện tốt nhất cho chúng phát triển
trong những điều kiện và quy mô có kiểm soát, từng bước bắt chúng phục vụ cho hoạt
động sống của con người [9; 11]. Hệ vi sinh vật sử dụng trong quá trình xử lý nước
thải gồm vi khuẩn, nấm men, nấm mốc, xạ khuẩn trong đó vi khuẩn chiếm số lượng
lớn nhất. Trong các bể xử lý sinh học, vi khuẩn đóng vai trò hàng đầu và chịu trách
nhiệm chính trong phân hủy các thành phần hữu cơ trong nước thải. Theo nhiều học
giả, trong bùn hoạt tính có nhiều vi sinh vật thuộc các chi khác nhau như:
Actinomyces, Arthrobacter, Bacillus, Corynebacterium, Deslfotomacillium,
Micrococcus, Pseudomonas, Sarcina, Nhóm nấm men cũng xuất hiện trong xử lý
nước thải với vai trò chuyển hóa đường đơn thành rượu, bao gồm các chi
Saccharomyces, Pichia và giúp hạn chế sự phát triển của các nhóm vi khuẩn kỵ khí
khác [14; 16].
Trong các hệ thống xử lý nước thải công nghiệp bằng phương pháp sinh học, hệ
vi sinh vật sử dụng trong xử lý nước nước thải có khả năng phân hủy các hợp chất gây Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/


4

ô nhiễm đã được nhiều nhóm nghiên cứu trong và ngoài nước nghiên cứu từ lâu. Tuy
nhiên, trong một số hệ thống quá trình xử lý xảy ra bằng bùn yếm khí có sẵn hoặc bùn
hoạt tính chưa thể xử lý triệt để nguồn ô nhiễm hoặc thời gian xử lý kéo dài. Vì vậy,
bổ sung vi sinh vật hữu ích trong quá trình xử lý chất thải sẽ không gây ảnh hưởng xấu
tới môi trường và giúp cho quá trình xử lý diễn ra nhanh hơn, tiết kiệm chi phí và thời
gian xử lý [14; 17]
Thị trường chế phẩm sinh học ở Việt Nam và nhu cầu sử dụng chế phẩm sinh học
rất lớn và đã được áp dụng thành công ở một số nhà máy sản xuất thực phẩm và công
nghiệp. Tuy nhiên, với chế phẩm thương mại ngoài thị trường rất phong phú và đa
dạng, việc đánh giá chế phẩm sinh học sản xuất trong nước hay nhập khẩu cần phải
kiểm tra và đánh giá tiêu chuẩn. Xuất phát từ yêu cầu của nhà máy bia Hà Nội trong
việc thử nghiệm một loại chế phẩm sinh học Bio-BP nhập ngoại nhằm tăng cường hiệu
quả xử lý nước thải trong hệ thống xử lý sẵn có của nhà máy, yêu cầu đánh giá thành
phần của chế phẩm và hiệu quả sử dụng là hết sức cần thiết. Ngoài ra, trong giai đoạn
sản xuất vào mùa hè, mùi hôi từ hệ thống xử lý nước thải gây ra có thể làm ô nhiễm
nguồn không khí đối với nhà máy và khu vực dân cư lần cận. Chính vì vậy, chúng tôi
thực hiện đề tài “Nghiên cứu thành phần và hiệu quả xử lý nước thải nhà máy bia của
chế phẩm Bio-PB” với các nội dung nghiên cứu chính:
- Nghiên cứu thành phần của chế phẩm sinh học Bio-PB
- Nghiên cứu đặc điểm các chủng vi sinh vật trong chế phẩm Bio-PB
- Đánh giá hiệu quả hỗ trợ xử lý nước thải của chế phẩm sinh học trong giai đoạn
xử lý vào mùa hè 2013
Đề tài được thực hiện với sự hỗ trợ của Viện nghiên cứu Gia Dày - Bộ Công
Thương và Phòng Công nghệ lên men - Viện Công nghệ sinh học – Viện Hàn lâm
Khoa học và Công nghệ Việt Nam.




Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/


5

PHẦN I. TỔNG QUAN
1.1 . Tình hình nghiên cứu xử lý nước thải hữu cơ trên thế giới và ở Việt Nam
1.1.1. Tình hình nghiên cứu xử lý nước thải hữu cơ trên thế giới
Sự phát triển của phương pháp thứ cấp để xử lý nước thải trong những năm
đầu thế kỷ XX được cho là cải tiến đáng kể nhất đối với y tế công cộng và môi
trường trong suốt thời gian này, đó là việc phát minh ra "bùn hoạt tính" cho quy trình
xử lý nước thải. Fowler và cộng sự tại Đại học Manchester được tiến hành tại Trạm
Thí nghiệm Lawrence ở Massachusetts liên quan đến việc sục khí vào nước thải
trong bình đã được phủ một lớp tảo [13]. Các đồng nghiệp của Fowler, Edward
Ardern và Lockett, những người đã triển khai nghiên cứu cùng với Văn phòng công
ty đường sông Manchester ở công trình xử lý nước thải Davyhulme. Thí nghiệm trên
được thực hiện trong một lò phản ứng bằng cách hút ra và thu vào, việc xử lý cho
hiệu quả cao hơn. Họ sục khí liên tục cho nước thải trong khoảng một tháng và kết
quả đạt được là nitrat hóa hoàn toàn các nguyên liệu mẫu [13]. Điều đó chỉ ra rằng
bùn đã hoạt hóa các chất (một cách tương tự như than hoạt tính) quá trình được đặt
tên là bùn hoạt tính. Kết quả đã được công bố trong công trình tại Hội thảo 1914, và
lần đầu tiên một hệ thống quy mô đầy đủ với dòng chảy liên tục được lắp đặt tại
Worcester hai năm sau đó. Do hậu quả của chiến tranh thế giới thứ nhất phương pháp
xử lý mới được truyền bá nhanh chóng, đặc biệt là Hoa Kỳ, Đan Mạch, Đức và
Canada [13]. Vào cuối những năm 1930, việc xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính là
quá trình chủ yếu được sử dụng trên toàn thế giớ
: Actinomyces, Arthrobacer, Bacillus, Bacterium,
Corynebacterium, Desulfotomacillium, Micrococcus, Pseudomonas, Sarcina
[16].
Ở Mỹ, hàm lượng nitơ trong nước thải thường dao động trong khoảng 20 đến
85 mg/l trong đó nitơ ở dạng hợp chất hữu cơ trung bình từ 8 đến 35 mg/l, hàm lượng
NH 3 từ 12 đến 50 mg/l [32]. Hàm lượng photphate trong nguồn nước không ô nhiễm
nhỏ hơn 0,01 mg/l. Theo quy định của Hà Lan, tiêu chuẩn của Việt Nam, hàm lượng
photphate trong nước uống không được vượt quá 6 mg/l. Theo tiêu chuẩn của cộng
đồng chung châu Âu, trong nước sinh hoạt, hàm lượng photphate không được vượt
quá 2,18 mg/l [30]. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/


6

Xử lý nước thải của quá trình chế biến rau quả các nhà khoa học Thái Lan đã
sử dụng chủng nấm men Candida utilis CBS1517 có khả năng đồng hóa tốt các loại
đường và axit hữu cơ có nhiều trong thành phần nước thải, kết quả thu được cho thấy
sau 96 giờ xử lý trong điều kiện phòng thí nghiệm là COD giảm 89,9% và pH tăng từ
3,5 lên 8,5 [20
[13]: hiệu quả xử lý COD và T-N của quá
trình SBR cấp nước một lần đạt khá cao, tương ứng là khoảng 93% và 88 ư 93%. Tải
trọng COD và T-N cũng đạt cao lần lượt là 0,37 kg/(m 3
.ngày) và 0,13 kg/(m
3
.ngày)
, của COD
là 57%, T-N là 91% [14].
1.1.2. Tình hình nghiên cứu xử lý nước thải hữu cơ ở Việt Nam
Xử lý nước thải hiện nay luôn là vấn đề thời sự nóng bỏng và nổi cộm ở Việt
Nam hiện nay, theo dự báo của Tổ chức Kinh tế thế giới thì Việt Nam sẽ là một trong
những nước có tốc độ phát triển kinh tế vào loại nhanh trên thế giới với tốc độ tăng
trưởng được dự báo là 7% trong thập kỷ tới. Tuy nhiên, việc tăng trưởng kinh tế một
cách nhanh chóng và mạnh mẽ cũng đồng thời tạo nên những thách thức áp lực tác
động về mặt môi trường, trong đó, tác động của chất thải rắn và nước thải đang là
vấn đề bức xúc ở Việt Nam.
Hiện nay, ô nhiễm môi trường là vấn đề đang được quan tâm không chỉ ở Việt
Nam mà còn ở nhiều quốc gia trên thế giới. Theo báo cáo môi trường Quốc gia năm
2010 của Bộ Tài Nguyên và Môi Trường, từ năm 2007 đến năm 2009, ô nhiễm môi
trường nước mặt ở tất cả các chỉ số đều vượt quá tiêu chuẩn cho phép theo QCVN
40:2011/BTNMT. Các chỉ số COD, BOD đều vượt quá tiêu chuẩn từ 5 đến 10 lần.
Hàm lượng NH 4
+ trong môi trường nước mặt của sông Nhuệ, sông Đáy và sông Cầu
đều vượt quy chuẩn cho phép QCVN 40:2011/BTNMT cho nước mặt phù hợp với
việc bảo tồn động thực vật thủy sinh là là 0,2 mg/l.
Nước thải chăn nuôi là một trong những nguyên nhân gây ô nhiễm nguồn
nước. Hàm lượng nitơ tổng số nước thải chăn nuôi nằm trong khoảng từ 512 đến 594
mg/l, trong đó NH 3 từ 304 đến 471 mg/l, hàm lượng photpho tổng số từ 13,8 ư 62
mg/l [7]. Ngày nay, cùng với sự phát triển của dân số, rác thải sinh hoạt ngày một gia
tăng, nước rỉ rác từ các hố chôn lấp tại khu xử lý rác thải gây ảnh hưởng rất lớn đến Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/


7

đời sống của người dân xung quanh, gây ô nhiễm nguồn nước mặt và nước ngầm
quanh khu vực. Tổng hàm lượng nitơ trong nước thải rỉ rác dao động trong khoảng từ
200 ư 2000 mg/l, hàm lượng amoni cao, trung bình 200 mg/l, trong khi đó tiêu chuẩn
cho phép là 0,2 mg/l [6].
Với xu hướng hội nhập nền kinh tế quốc tế, đặc biệt từ khi Việt Nam gia nhập
WTO, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của quá trình công nghiệp hoá đất nước, chất
thải công nghiệp cũng đang ngày một gia tăng về khối lượng, đa dạng về chủng loại
và đang là vấn đề cấp bách của xã hội, đòi hỏi phải có nhận thức đúng đắn và đầu tư
thích đáng cho vấn đề xử lý nước thải. Hiện nay công nghệ xử lý nước thải bị ô
nhiễm các hợp chất hữu cơ trên thế giới và Việt Nam chủ yếu là sử dụng các biện
pháp sinh học, trong đó phương pháp xử lý hiếu khí và xử lý kị khí là phổ biến nhất,
với nguồn nước thải có mức độ ô nhiễm cao thông thường người ta xử lý kết hợp kị
khí và hiếu khí. Kết quả nghiên cứu của Vũ Thúy Nga và các cộng sự cho thấy có thể
cải thiện chất lượng nước thải chế biến tinh bột sắn bằng chế phẩm vi sinh vật [11].
Để nhằm khắc phục tình trạng ô nhiễm do nước thải chế biến tinh bột sắn, công trình
nghiên cứu tập trung tuyển chọn bộ giống vi sinh vật có hoạt tính sinh học cao, sản
xuất và ứng dụng chế phẩm vi sinh vật để nâng cao hiệu quả xử lý nước thải sau
biogas của nhà máy chế biến tinh bột sắn. Kết quả nghiên cứu đã tuyển chọn được 3
chủng vi sinh vật gồm Bacillus velezensis, Streptomyces fradiae và Nitromonas sp.
có khả năng chuyển hóa tốt hợp chất hữu cơ trong nước thải chế biến tinh bột sắn
[11]. Nghiên cứu về ứng dụng vi khuẩn tích lũy poly-photphat trong xử lý nước thải
của Lê Quang Khôi và các cộng sự cho thấy các dòng vi khuẩn tích lũy poly-P được
tuyển chọn có hiệu suất loại bỏ photphat hòa tan cao [8]. Hai dòng vi khuẩn
Acinetobacter radioresistens TGT013L và Kurthia sp.TGT025L có hiệu quả loại bỏ
PO 4
3-
cao nhất trong môi trường tổng hợp sau 25 giờ thí nghiệm. Sự loại bỏ PO 4
3-

được thực hiện bởi hoạt động của gen ppk 1 dạng IIA trong quá trình chuyển hóa
photphat thành dạng poly-P tích lũy trong tế bào. Kết quả nghiên cứu mang lại nhiều
triển vọng ứng dụng 2 dòng vi khuẩn tích lũy poly-P trên để xử lý photpho hòa tan
trong nước thải chăn nuôi [8].
Với mục đích nghiên cứu phát triển công nghệ xử lý hiệu quả đồng thời hữu
cơ và chất dinh dưỡng trong nước thải ngành chăn nuôi lợn, trong nghiên cứu của Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/


8

Phạm Thị Hải Thịnh và đồng tác giả, đã nghiên cứu ảnh hưởng của một số điều kiện
vận hành như tỷ lệ COD/T-N (tỉ lệ giữa nhu cầu oxy hóa học và tổng nitơ) và chế độ
sục khí đến hiệu quả xử lý COD và T-N của quá trình SBR đối với nước thải chăn
nuôi đã qua xử lý kị khí. Với chế độ hai chu trình thiếu - hiếu khí thích hợp, hiệu quả
xử lý COD và T-N đạt khá cao, tương ứng là khoảng 90% và 80 ư 85% [13]. Tuy
nhiên nồng độ T-N trong nước thải chăn nuôi lợn là rất cao và thay đổi trong khoảng
khá rộng, vì vậy nghiên cứu nâng cao hiệu quả xử lý nitơ của quá trình nhằm đáp ứng
một cách ổn định các quy chuẩn xả thải là rất cần thiết. Theo Phan Đỗ Hùng và cộng
sự cho thấy ảnh hưởng của tỉ lệ cấp nước thải đến hiệu quả xử lý của quá trình SBR
hai chu trình thiếu - hiếu khí cấp nước hai lần và so sánh với chế độ cấp nước một
lần. Với quá trình SBR hai chu trình thiếu-hiếu khí, cấp nước hai lần là một giải pháp
để nâng cao hiệu quả xử lý T-N của quá trình. Thực nghiệm cho thấy, khi tăng tỉ lệ
cấp nước (tỉ lệ giữa lượng nước thải cấp lần thứ nhất và tổng lượng nước thải xử lý
trong một mẻ), lúc đầu hiệu suất xử lý T-N sẽ tăng, tuy nhiên đến một giới hạn nhất
định hiệu suất xử lý T-N sẽ giảm trở lại. Hiệu suất xử lý T-N ở cả ba tỉ lệ cấp nước
nghiên cứu đều khá cao, trong đó ở tỉ lệ 2/3 đạt cao nhất, trong khoảng 85 ư 90%.
Hiệu suất xử lý T-N thực nghiệm ở các tỉ lệ cấp nước thấp 1/2 và 2/3 khá phù hợp
với hiệu suất lý thuyết. Hiệu suất xử lý COD ở chế độ cấp nước hai lần cũng khá cao,
85 ư 90% ở tỉ lệ cấp nước 2/3, xấp xỉ với trường hợp cấp nước một lần [7].
1.2. Sơ lược về tình hình phát thải và xử lý nước thải của nhà máy bia Hà Nội
Tổng công ty Bia – Rượu – Nước giải khát Hà Nội (Habeco) có trụ sở chính tại
183 Hoàng Hoa Thám, Ba Đình, Hà Nội được thành lập ngày 16 tháng 5 năm 2003
theo Quyết định số 75/2003/QĐ – BCN của Bộ trưởng Bộ Công nghiệp (nay là Bộ
Công Thương) trên cơ sở sắp xếp lại Công ty Bia Hà Nội và các đơn vị thành viên;
chính thức chuyển sang tổ chức và hoạt động theo mô hình công ty mẹ - công ty con
tại Quyết định số 36/2004/QĐ-BCN ngày 11/05/2004 của Bộ trưởng Bộ Công nghiệp.
Ngành nghề chủ yếu của Tổng công ty gồm: sản xuất, kinh doanh bia, rượu, nước
giải khát và bao bì; xuất nhập khẩu nguyên liệu, vật tư, thiết bị, phụ tùng, phụ liệu, hoá
chất; dịch vụ khoa học công nghệ, tư vấn đầu tư, tạo nguồn vốn đầu tư, tổ chức vùng
nguyên liệu, kinh doanh bất động sản, các dịch vụ và ngành nghề khác theo luật định. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/


9

Nước thải của nhà máy bao gồm nước thải sản xuất, nước thải làm lạnh và nước
mưa. Nước thải sản xuất bao gồm các loại sau:
- Nước thải quá trình tách đại mạch sau khi đã phân huỷ bột
- Nước thải rửa thiết bị lọc
- Nước rửa chai và téc
- Nước rửa nhà, phòng lên men, phòng tang trữ bia
- Nước thải từ nồi hơi
- Nước vệ sinh
* Nước thải đầu vào của công ty có các thông số trung bình:
- Lưu lượng: 50 m 3 /giờ
- Nhu cầu Oxy hóa học (COD) : 2.400 mg/l
- Nhu cầu Oxy sinh học (BOD) : 1600 mg/l
- Tổng chất rắn lơ lửng (TSS): 1.030 mg/l
* Sơ đồ đơn giản quy trình xử lý hiện tại:











Hình 1.1. Sơ đồ quy trình xử lý nước thải Habeco
Yêu cầu nước thải đầu ra của nước thải nhà máy bia Hà Nội
- Nhu cầu Oxy hóa học COD < 100 mg/l
- Nhu cầu Oxy sinh học BOD < 50 mg/l
- Tổng chất rắn lơ lửng TSS < 100mg/l
Bể điều hòa
(70 m
3
)
Bể ổn định
lưu lượng
Bể cân bằng
(điều chỉnh pH,
900 m
3
)
Bể yếm khí
(550 m
3
)

Bể hiếu khí 1
(550 m
3
)

Bể hiếu khí 2
(550 m
3
)
Dòng thải
Bể
lắng
Tuần hoàn bùn
Bể yếm khí
(550 m
3
)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/


10

Quy trình vận hành tại các bể tại nhà máy bia Hà Nội
- Bể điều hòa: nhằm thu gom và hòa trộn các nguồn nước thải và lưu lượng ổn định.
- Bể ổn định lưu lượng: điều chỉnh lưu lượng thích hợp.
- Bể cân bằng: điều chỉnh pH và nguồn dinh dưỡng bổ sung trước khi đưa vào xử lý.
- Bể yếm khí: thực hiện quá trình xử lý yếm khí nhằm giảm 60 ư 70 % giá trị COD
và BOD trong nước thải.
- Bể hiếu khí 1, bể hiếu khí 2: được cung cấp đủ lượng oxy cần thiết cho các phản
ứng sinh hóa xảy ra trong bể cấp khí liên tục (cho xử lý hiếu khí và xử lý thiếu khí)
giữ cho bùn hoạt tính (chứa các vi sinh vật) ở trạng thái lơ lửng trong nước thải xử
lý và loại bỏ các thành phần hữu cơ ô nhiễm.
Bể lắng: Bổ sung chất trợ lắng PAC (Poly aluminium chloride) nhằm lắng các
chất lơ lửng còn lại trong nước thải dưới tác dụng của trọng lực.
1.3. Nguyên lý xử lý chất thải hữu cơ trong nước thải bằng phương pháp sinh học
Những chất gây ô nhiễm nghiêm trọng thường có cấu trúc cấu thành từ các
nguyên tử cacbon, nitơ, lưu huỳnh, photpho hay kim loại nặng. Quá trình phân giải
hợp chất cacbon và nitơ là quá trình sinh hoá phức tạp thông qua hoạt động sống của
vi sinh vật, nhờ đó mà một số lượng lớn các chất hữu cơ cao phân tử sẽ được phân giải
thành các chất có khối lượng phân tử thấp, từ đó các vi sinh vật khác nhau chuyển hóa
thành sinh khối tế bào, các khí (CO 2 , H 2 S, N 2 , NH 4 ) [14]. Các hợp chất
hydratcacbon bao gồm (xenluloza, tinh bột, dextrin ) có nhiều trong nước thải của
các cơ sở chế biến lương thực hay sản xuất rượu bia sẽ được những nhóm vi sinh vật
đặc thù đảm nhận phân giải thành những tiểu phần nhỏ hơn để tế bào vi sinh vật có
thể sử dụng cho các mục đích khác nhau, bao gồm: tạo sinh khối vi sinh vật, tạo ra các
sản phẩm trao đổi chất và các chất khí (N 2 , CO 2 ) , các axit hữu cơ như axit focmic,
axit axetic, axit lactic Để phân giải xenluloza, nhiều loại vi sinh vật có khả năng
sinh ra các enzym hỗ trợ xúc tác quá trình phân giải xenluloza [20]. Cơ chế phân giải
xenluloza như sau:
xenlulaza xenlobiaza
Xenluloza → Đường tan (xenlobioza) → Glucoza
Tinh bột là chất dự trữ chủ yếu của thực vật, nó có mặt trong các hạt hòa thảo,
củ, thân cây và lá cây. Tinh bột gồm 2 cấu tử chính là amyloza (25%) và amylopectin Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/


11

(75%) có nhiều trong nước thải của các cơ sở chế biến tinh bột, của các nhà máy bia,
rượu . Dưới tác dụng của một số loại vi sinh vật có khả năng sinh ra hệ enzym như
amylaza, amylo–1,6–glucosidaza, glucoamylaza, tinh bột bị phân giải thành những
chất đơn giản, chủ yếu là đường đơn và axit hữu cơ. Quá trình phân huỷ đường đơn
tiếp theo có thể được thực hiện theo những hướng sau:
Phân huỷ đường đơn nhờ nhóm vi sinh vật lên men kỵ khí: Dưới tác dụng của
một phức hệ enzym vi sinh vật, đặc biệt là của nấm men, các monosaccharit bị
chuyển hoá thành rượu, axit lactic, glixerin như sau:
Lên men rượu
Glucoza → Ethanol + CO 2
Nấm men là loại vi sinh vật kỵ khí tuỳ tiện, khi có đủ oxy chúng hô hấp và quá
trình lên men bị ức chế, dẫn tới sự tiêu thụ glucoza, hàm lượng etanol và CO 2 giảm và
sinh khối tăng lên. Quá trình được diễn ra theo phương trình:
C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 = 6 CO 2 + 6 H 2 O + Q
Ngược lại khi không có đủ O 2 hoặc ở điều kiện yếm khí, nấm men lên men mạnh
nhưng lượng sinh khối không tăng nhiều. Hoạt động của nấm men gây ra sự biến đổi
cơ bản của quá trình chuyển hoá đường, chủ yếu là glucoza và fructoza thành rượu:
C 6 H 12 O 6 = 2 C 2 H 5 OH + 2 CO 2 + 33 kcal
Chính quá trình sinh ra rượu của nấm men đã hạn chế sự phát triển của nhóm
vi sinh vật gây hại có trong nước thải, đồng thời rượu là nguồn dinh dưỡng cho
nhóm vi sinh vật lên men lactic và axetic tạo ra môi trường pH axit hạn chế sự phát
triển của nhóm vi sinh vật gây bệnh. Các quá trình lên men rượu còn có sự tạo
thành diaxetil, axetoin, glyxerin và các chất thơm. Các hợp chất chứa nhóm
cacbonnyl của sản phẩm lên men như aldehyt, xeton, axit cacboxylic, các este, đó
là những nhân tố tạo hương thơm giúp làm giảm bớt mùi thối sinh ra nhóm vi
khuẩn phân hủy protein. Do vậy, tại những nơi xử lý chất thải có mặt của những
nhóm vi sinh vật này sẽ giúp cho quá trình giảm mùi khó chịu rất rõ ràng.
Ngoài ra, glucoza còn được nhóm vi khuẩn lactic sử dụng, chuyển hóa theo con
đường tổng quát:
Lên men lactic
Glucoza → Axit lactic Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/


12

Vi khuẩn lactic là tên gọi của những vi khuẩn sinh ra axit lactic như là sản phẩm
chính trong quá trình chuyển hoá cacbonhydro. Trong tự nhiên, các vi khuẩn lactic
phân bố rất rộng rãi, chúng có mặt trong phân, rác, xác động thực vật; trên niêm mạc
miệng và niêm mạc ruột của người, gia súc, gia cầm; trên bề mặt rau, củ, quả, thịt, cá,
tôm. Đặc biệt trong các sản phẩm muối chua như dưa cà muối, mắm tôm chua, sữa
chua, nem chua có rất nhiều vi khuẩn lactic. Vì vậy, vi khuẩn lactic tồn tại trong hệ
thống xử lý nước thải của các nhà máy chế biến thực phẩm và nông sản khác [18].
Quá trình lên men hiếu khí phân giải triệt để hydratcacbon, glucoza và các
monosaccharit khác tạo sản phẩm cuối cùng là sinh khối, CO 2 và H 2 O.
Sự phân huỷ các chất hữu cơ khác (nitơ, photpho, lưu huỳnh):
+ Phân huỷ nitơ: các hợp chất hữu cơ chứa nitơ bao gồm protein, các đoạn
peptide, các axit amin có mặt nhiều trong nước thải của các cở sở chế biến thủy hải
sản, sản xuất đồ uống Quá trình phân giải protein thành axit amin là giai đoạn đầu
của chuyển hóa với sự tham gia của các nhóm vi sinh vật sinh có khả năng sinh
proteaza như Bacillus, Pseudomonas . Tiếp đến quá trình amon hoá các axit amin
thành dạng NH 4
+
hoặc NH 3
-
. Lượng NH 3
-
dư không dùng hết cho việc xây dựng tế bào
được vi khuẩn Nitromonas chuyển thành nitrit (NO 2
- ) và từ NO 2
-
chuyển thành nitrat
(NO 3
- ) nhờ vi khuẩn Nitrobacter. Sau đó các vi khuẩn phản nitrat hoá chuyển NO 3
-

thành nitơ phân tử (N 2 ) bay vào không khí.
+ Phân huỷ photpho: cho đến nay cơ chế của quá trình phân giải các hợp chất
chứa photpho (photpho hữu cơ và photpho vô cơ) ở trong cơ thể vi sinh vật có nhiều
con đường khác nhau, tùy thuộc vào từng nhóm vi sinh sinh vật. Các hợp chất photpho
khó tan dưới tác dụng của vi sinh vật sẽ bị chuyển hoá thành những chất dễ tan. Quá
trình chuyển hóa trên được thực hiện bởi vi sinh vật có khả năng tiết ra các enzym đặc
hiệu sử dụng các hợp chất photpho làm nguồn dinh dưỡng và chuyển hoá chúng từ
dạng khó phân huỷ thành dạng dễ tan.
+ Phân huỷ lưu huỳnh: trong điều kiện kỵ khí hay vi hiếu khí, vi sinh vật thường
phân huỷ các hợp chất chứa lưu huỳnh (có trong protein, axit amin, muối vô cơ) và giải
phóng H 2 S. Đồng thời, H 2 S cũng được sinh ra do hoạt động của các vi khuẩn khử sulfat.
1.4. Ứng dụng vi sinh vật trong công nghệ xử lý nước thải Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/


13

Phương pháp xử lý nước thải, chất thải dựa trên hoạt động sống của các vi sinh
vật có khả năng phân hủy các chất hữu cơ hoặc vô cơ làm nguồn năng lượng để thực
hiện quá trình sinh trưởng phát triển của tế bào. Các vi sinh vật xử lý nước thải, chất
thải bao gồm cả nhóm tự dưỡng và dị dưỡng, có thể tiến hành trong điều kiện hiếu khí,
thiếu khí hay yếm khí [16].
Quá trình xử lý nước thải, chất thải gồm ba giai đoạn [11; 15]:
- Di chuyển chất gây ô nhiễm từ pha lỏng (nước) tới bề mặt tế bào vi sinh vật nhờ
khuếch tán đối lưu và khuếch tán phân tử.
- Di chuyển các chất từ mặt ngoài tế bào qua màng bán thấm bằng khuếch tán do sự
chênh lệch nồng độ ở trong và ngoài tế bào.
- Quá trình chuyển hóa các chất ở trong tế bào vi sinh vật với sự sản sinh năng lượng
và quá trình tổng hợp các chất mới của tế bào nhờ hấp thụ dinh dưỡng và năng lượng.
Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học chủ yếu dựa vào hoạt động sống của
các vi sinh vật dị dưỡng có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ. Các vi sinh vật dị
dưỡng có thể chia thành ba nhóm nhỏ: vi sinh vật hiếu khí, vi sinh vật kỵ khí và vi sinh
vật vi hiếu khí. Hệ vi sinh vật sử dụng trong quá trình xử lý nước thải gồm vi khuẩn,
nấm men, nấm mốc, xạ khuẩn trong đó vi khuẩn chiếm số lượng lớn nhất. Trong các
bể xử lý sinh học, vi khuẩn đóng vai trò hàng đầu và chịu trách nhiệm chính trong
phân hủy các thành phần hữu cơ trong nước thải. Tế bào vi sinh vật sống cùng với các
chất mang quyện lại với nhau tạo thành dạng keo tụ - bùn hoạt tính. Theo nhiều học
giả, trong bùn hoạt tính có nhiều vi sinh vật thuộc các chi khác nhau như:
Actinomyces, Arthrobacter, Bacillus, Corynebacterium, Deslfotomacillium,
Micrococcus, Pseudomonas, Sarcina, Nhóm nấm men cũng xuất hiện trong xử lý
nước thải với vai trò chuyển hóa đường đơn thành rượu, bao gồm các chi
Saccharomyces, Pichia và giúp hạn chế sự phát triển của các nhóm vi khuẩn kỵ khí
sinh hơi khác. Trong số các vi sinh vật nói trên, số lượng nhiều nhất xuất hiện trong
quá trình xử lý nước thải là các loài vi khuẩn thuộc chi Pseudomonas. Các vi sinh vật
trên oxy hóa các gốc rượu, axit béo, parafin, hydrocacbon thơm và các hợp chất khác
nhờ sinh tổng hợp các enzym thủy phân và oxy hóa khác nhau [6; 21].
Vi khuẩn chiếm tỷ lệ lớn trong khu hệ vi sinh vật xử lý nước thải và đóng vai trò
chủ yếu trong quá trình phân hủy các chất hữu cơ làm sạch nước. Vi khuẩn là nhóm vi Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/


14

sinh vật có cấu tạo đơn bào, cấu trúc tế bào đơn giản. Vi khuẩn có nhiều hình thái khác
nhau như: hình cầu, hình que, hình xoắn, hình dấu phẩy Đường kính vi khuẩn phần
lớn nằm trong khoảng 0,2 ư 2 µm, chiều dài khoảng 2 ư 8 µm. Vi khuẩn xử lý nước
thải chủ yếu là các loài thuộc nhóm vi sinh vật hoại sinh thuộc các chi: Pseudomonas,
Bacillus, Alcaligenes, Flavobacterium, Cytophaga, Micrococcus, Lactobacillus,
Achromoabacter, Sporochaeta, Trong số đó, Pseudomonas và Bacillus thường gặp ở
hầu hết các loại nước thải, chúng có thể đồng hóa được hầu hết các chất hữu cơ kể cả
những chất hữu cơ tổng hợp và tồn tại khá lâu trong môi trường nước [14; 27].
1.5. Đặc điểm các chế phẩm sinh học hỗ trợ xử lý nước thải
Nước thải mới thường ít vi sinh vật, đặc biệt là nước thải công nghiệp đã qua công
đoạn xử lý nhiệt, có khi lúc đầu hầu như không có vi sinh vật. Nước thải trong hệ thống
thoát nước sau một thời gian, dù rất ngắn, cũng đủ điều kiện để vi sinh vật thích nghi,
sinh sản và phát triển tăng sinh khối (trừ những nước thải có chất độc, chất ức chế hoặc
diệt vi sinh vật, như các loại nước thải có hàm lượng các kim loại nặng, các chất hữu cơ
và vô cơ có tính độc, ). 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 [14].
Việc bổ sung chế phẩm sinh học ở các loại nước thải là không giống nhau. Mỗi
loại nước thải có hệ vi sinh vật thích ứng. Song, nói chung 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 tạo tế bào mới, trong môi trường sống của chúng cần phải có mặt các
chất hữu cơ để chúng phân hủy, chuyển hóa 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 CO 2 và
nước hoặc tạo thành các loại khí khác (CH 4, H 2 S, Indol, mercaptan, scatol, N 2 , ) [14].
Trong nước thải, các chất nhiễm bẩn chủ yếu là các chất hữu cơ hòa tan, ngoài ra
còn có các chất hữu cơ ở dạng keo và phân tán nhỏ ở dạng lơ lửng. Các dạng này tiếp
xúc với bề mặt tế bào vi khuẩn (trong nước thải vi khuẩn chiếm đa số trong hệ vi sinh
vật) bằng cách hấp phụ hay keo tụ sinh học, sau đó sẽ xảy ra quá trình dị hóa và đồng
hóa. Quá trình dị hóa là quá trình phân hủy các chất hữu cơ có khối lượng phân tử lớn,
có cấu trúc phân tử là mạch dài thành các hợp chất có mạch ngắn, có khối lượng thấp
hoặc thành các đơn vị cấu thành, có thể đi qua được màng vào trong tế bào để chuyển Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/


15

vào quá trình phân hủy nội bào (hô hấp hay oxy hóa tiếp) hay chuyển sang quá trình
đồng hóa [6].
Quá trình tự làm sạch trong nước xảy ra rất phức tạp. Có 3 quá trình tự làm sạch
trong nước: tự làm sạch vật lý, tự làm sạch hóa học và tự làm sạch sinh học. Quá trình tự
làm sạch sinh học xảy ra thường xuyên và mạnh mẽ nhất, quá trình này quyết định mức
độ tự làm sạch toàn diện của nước. Quá trình tự làm sạch sinh học xảy ra do động vật,
thực vật và cả vi sinh vật, trong đó vi sinh vật đóng vai trò quan trọng nhất. Như vậy,
quá trình làm sạch nước thải gồm 3 giai đoạn [22]:
- Các hợp chất hữu cơ tiếp xúc với bề mặt tế bào vi sinh vật.
- Khuếch tán và hấp thụ các chất ô nhiễm nước qua màng bán thấm vào trong tế bào vi
sinh vật.
- Chuyển hóa các chất này trong nội bào để sinh ra năng lượng và tổng hợp các vật
liệu mới cho tế bào vi sinh vật.
Các giai đoạn này có mối liên quan rất chặt chẽ. Kết quả là nồng độ các chất
nhiễm bẩn nước giảm dần, đặc biệt là vùng gần tế bào vi sinh vật nồng độ chất hữu cơ
ô nhiễm thấp hơn ở vùng xa. Đối với sản phẩm do tế bào vi sinh vật tiết ra thì ngược
lại. Phân hủy các chất hữu cơ chủ yếu xảy ra trong tế bào vi sinh vật.
Quá trình chuyển hóa vật chất trong tế bào vi sinh vật gồm hàng loạt các phản
ứng hóa sinh với 2 quá trình đồng hóa và dị hóa, chủ yếu là các phản ứng oxy hóa khử.
Mỗi phản ứng oxy hóa đều có enzym xúc tác thích ứng.
Phản ứng dị hóa cắt các chất hữu cơ mạch dài, phân chia các chất hữu cơ phức
tạp thành các đoạn đơn giản hơn kèm theo sự giải phóng năng lượng sinh học.
Phản ứng đồng hóa thành các chất hữu cơ phức tạp từ các chất hợp phần đơn
giản (các sản phẩm trung gian của quá trình dị hóa) và cần cấp năng lượng sinh học
(thường lấy từ năng lượng được giải phóng của các phản ứng dị hóa) [22; 30; 31].
1.6. Sự tăng trưởng của tế bào vi sinh vật
Sự sinh trưởng của vi sinh vật là quá trình sinh sản (tăng số lượng, kích thước
tế bào) và tăng sinh khối (tăng khối lượng) quần thể vi sinh vật. Hiệu quả của sự dinh
dưỡng (đồng thời là sự giảm BOD, COD, .) là quá trình tổng hợp các bộ phận của
cơ thể tế bào và sự tăng sinh khối. Tất cả những biến đổi về hình thái, sinh lý trong
cơ thể được tổng hợp thành khái niệm “Phát triển”.