Đề tài Ứng dụng công nghệ sinh thái trong xử lý nước thải tinh bột khoai mì

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP.HỒ CHÍ MINH KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN d&c CÔNG NGHỆ SINH THÁI ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SINH THÁI TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI TINH BỘT KHOAI MÌ GVHD: TS. Lê Quốc Tuấn Thực hiện: Lớp DH10DL Đoàn Văn Chiến 10157021 Nguyễn Thị Tuyết Loan 10157094 Phạm Thị Khánh Ly 10157101 Nguyễn Thị Thanh Nga 10157116 Dương Thị Mỹ Nhi 10157131 Nguyễn Thị Thu Thân 10157175 Võ Ngọc Trân 10157213 TP. Hồ Chí Minh, 11/2012 MỤC LỤC TRANG ĐẶT VẤN ĐỀ Tinh bột là sản phẩm tồn tại dưới dạng Hydrat cacbon hữu cơ tự nhiên với hàng ngàn công dụng khác nhau. Các loại tinh bột tự nhiên được sử dụng phổ biến và có giá trị thương mại chủ yếu bao gồm tinh bột sắn, tinh bột khoai tây, tinh bột ngô và tinh bột lúa mì. Từ sự so sánh các loại tinh bột này, chúng ta biết rằng thành phần và đặc tính của tinh bột sắn là gần giống với tinh bột khoai tây và tốt hơn nhiều tinh bột ngô và tinh bột lúa mì. Ngoài ra, về giá cả, tinh bột khoai tây có giá cao hơn nhiều tinh bột sắn. Với các ưu điểm hấp dẫn về đặc tính và giá, vì thế nhu cầu về tinh bột sắn tăng lên rõ rệt trên thế giới.  Để thể hiện đầy đủ tiềm năng của cây khoai mì thì phải chuyển đổi cây lương thực này thành cây phục vụ cho công nghiệp. Cuộc cách mạng này đã xảy ra tại nhiều quốc gia ở Châu Á, Nam Mĩ và một vài khu vực ở Châu Phi. Tại Việt Nam, chế biến khoai mì đã được phổ biến ở nước ta từ thế kỷ 16. Những năm gần đây, do yêu cầu phát triển của ngành chăn nuôi và ngành chế biến thực phẩm từ khoai mì gia tăng. Sản lượng khoai mì hằng năm đạt khoảng 3 triệu tấn. Vì sản xuất càng nhiều thì lượng chất thải càng lớn. Ước tính trung bình hằng năm gần đây ngành chế biến tinh bột khoai mì (bao gồm nhà máy chế biến và hộ gia đình) đã thải ra môi trường 500.000 tấn thải bã và 15 triệu m3 nước thải. Trong đó phải kể đến hàm lượng hữu cơ, dinh dưỡng và nồng độ COD, BOD, SS,.. vượt tiêu chuẩn cho phép đến hàng trăm lần. Điều này đã gây ô nhiễm nghiêm trọng đến môi trường đất, nước, không khí, ảnh hưởng đến môi trường sống của cộng đồng dân cư trong khu vực. Trước thực trạng trên, yêu cầu thực tiễn đặt ra là phải có một biện pháp cụ thể, thích hợp và tiết kiệm kinh phí để xử lý nước thải nhằm làm giảm thiểu ô nhiễm do nước thải ngành tinh bột khoai mì gây ra. Để tìm hiểu rõ hơn về hiệu quả xử lý nước thải của ngành này , nhóm đã chọn đề tài “ ứng dụng công nghệ sinh thái trong xử lý nước thải tinh bột mì ” được thực hiện bằng phương pháp sinh học, áp dụng mô hình phân hủy kị khí hiếu khí kết hợp với hệ thống trồng cây ngập nước nhân tạo với mong muốn góp phần vào phát triển bền vững ngành chế biến tinh bột khoai mì. TỔng quan vỀ nưỚc thẢi tinh bỘT mì: II.1 Tổng quan về cây khoai mì: Cây khoai mì còn gọi là cây sắn có tên khoa học là Manihot esculenta Crantz, thuộc họ Đại kích (Euphorbiaceae). Khoai mì là một loại cây dễ trồng, thích nghi với các loại đất và chịu hạn tốt. Các giống khoai mỳ đang phổ biến hiện nay:  KM 60, KM 94, có bổ sung một số giống khác như: HL20, HL 23, HL 24. Củ khoai mì tươi có tỷ lệ chất khô 38-40%, tinh bột 16-32%. Lá khoai mì trong nguyên liệu khô 100% chứa đựng đường + tinh bột 24,2%, protein 24%, chất béo 6%, xơ 11%, chất khoáng 6,7%. Bảng 1.Một số giá trị các chất dinh dưỡng có trong 100g củ khoai mì: Protein Chất béo Chất xơ Hàm lượng tro Muối khoáng Vitamin Ca P B1 B2 PP 0,8- 2,5 g 0,2-0,3 g 1,1-1,7 g 0,6- 0,9 g 18,8-22,5 mg 25,4mg 0,02 mg 0,02 mg 0,5 mg Trong củ khoai mì, hàm lượng các acid amin không được cân đối, thừa arginin nhưng lại thiếu các acid amin chứa lưu huỳnh. Thành phần dinh dưỡng khác biệt tuỳ giống, vụ trồng, số tháng thu hoạch sau khi trồng và kỹ thuật phân tích. Trong lá và củ khoai mì ngoài các chất dinh dưỡng còn chứa một lượng độc tố (HCN) đáng kể. Các giống khoai mì ngọt có 80–110 mg HCN/kg lá tươi và 20–30 mg/kg củ tươi. Các giống khoai mì đắng chứa 160–240 mg HCN/kg lá tươi và 60–150 mg/kg củ tươi. Liều gây độc cho một người lớn là 20 mg HCN, liều gây chết người là 50 mg HCN cho mỗi 50 kg thể trọng. Tuỳ theo giống, vỏ củ, lõi củ, thịt củ, điều kiện đất đai, chế độ canh tác, thời gian thu hoạch mà hàm lượng HCN có khác nhau. Hiện tại, khoai mì được trồng trên 100 nước của vùng nhiệt đới, cận nhiệt đới, tập trung nhiều ở châu Phi, châu Á và Nam Mỹ. II.1.1 Phân loại cây khoai mì: Dựa theo đặc điểm thực vật của cây (xanh tía, lá 5 cánh, lá 7 cánh). Dựa theo đặc điểm củ( khoai mì trắng hay khoai mì vàng). Dựa theo hàm lượng độc tố có trong khoai mì ( khoai mì đắng hay khoai mì ngọt, …).Đây là cách phân loại được sử dụng phổ biến: + Khoai mì đắng (M.Utilissima ) có hàm lượng HCN hơn 50 mg/kg củ.Giống này thường có 7 lá cây thấp và nhỏ. + Khoai mì ngọt (M. Dulcis )có hàm lượng HCN dưới 50 mg/kg củ. Giống này thường có 5 lá, mũi mác cây cao, thân to. Hình 1. Khoai mì đắng Khoai mì ngọt II.1.2 Thành phần hóa học: Thành phần các chất có trong khoai mì dao động trong khoảng khá lớn tùy thuộc loại giống, chất đất, điều kiện phát triển của cây và thời gian thu hoạch. Bảng 2.Thành phần hóa học trong củ khoai mì Thành phần Tỷ trọng(% trọng lượng) Nước 70,25 Tinh bột 21,45 Chất đạm 1,12 Chất béo 5,13 Chất xơ 5,13 Độc tố (CN-) 0,001-0,04 Nguồn: Đoàn Dụ và các cộng sự,1983 Bảng 3.Thành phần hóa học của vỏ củ khoai mì và bã mì. Thành phần Vỏ củ mì(mg/100mg) Bã phơi khô( mg/100mg) Độ ẩm Tinh bột Sợi thô Protein thô Độ tro Đường tự do Các loại Polysaccharide 10,8-11,4 28-38 8,2-11,2 0,85-1,12 1-1,45 1-1,4 6,6-10,2 12,5-13 51,8-63 12,8-14,5 1,5-2 0,58-0,65 0,37-0,43 4-8,492 Hội thảo giảm thiểu ô nhiễm trong công nghiệp chế biến tinh bột Hà Nội Đường trong khoai mì chủ yếu là Glucose và một ít maltose. Khoai càng già thì hàm lượng đường càng giảm. Trong chế biến, đường hòa tan trong nước thải ra ngoài theo nước dịch. Ngoài những thành phần có giá trị dinh dưỡng, trong củ khoai mì còn chứa độc tố, tanin, sắc tố và cả hệ enzim phức tạp.Độc tố trong củ khoai mì là CN, nhưng khi củ chưa đào nhóm này nằm ở dạng glucozite gọi là phaseolutanin ( C10H17NO6 ). Dưới tác dụng của enzyme hay môi trường acid, chất này bị phân hủy tạo thành glucose, acetone và acid cyanhydric. Như vậy, sau khi đào củ khoai mì mới xuất hiện HCN tự do vì chỉ sau khi đào các enzyme trong củ mới bắt đầu hoạt động mạnh và đặc biệt xuất hiện nhiều trong khi chế biến và sau khi ăn vì trong dạ dày người hay gia súc là môi trường acid và dịch trong chế bien1 cũng là môi trường acid. Phaseolutanin tập trung ở vỏ củ, dễ tách ra trong quá trình chế biến, hòa tan tốt trong nước, kém tan trong rượu etylic và metylic, rất ít hòa tan trong chlorofom.Vì hòa tan tốt trong nước nên khi chế biến, độc tố theo nước dịch ra ngoài, nên mặc dù giống khoai mì đắng có hàm lượng độc tố CN cao nhưng tinh bột và khoai mì lát chế biến từ khoai mì đắng vẫn sử dụng làm thức ăn được. II.2. Tổng quan về công nghiệp sản xuất bột mì: II.2.1 Trên thế giới: Khoai mì là lượng lương thực cần thiết cho con người giải quyết vấn đề về năng lượng và dinh dưỡng, theo những số liệu thống kê thì tinh bột khoai mì cung cấp thực phẩm cho hơn 500 triệu người trên thế giới.(theo Cock, 1985; Jackson &Fackson, 1990). Hầu hết các nước trên thế giới đều có sản lượng khoai mì nhất định: Brazil sản xuất khoảng 25 triệu tấn/năm, Nigeria, Indonesia cũng có một sản lượng lớn chủ yếu để xuất khẩu (FAO, 1998). II.2.2 Hiện trạng sản xuất trong nước: Nước ta hiện nay là một trong những nước có sản lượng tinh bột mì đứng thứ 3 trên thế giới chỉ sau Indonesia và Thái Lan.Sản lượng xuất khẩu đạt khoảng 180-350 tấn/năm. Các nhà máy sản xuất tinh bột khoai mì ở nước ta hiện nay khá nhiều, chủ yếu tập trung nhiều ở 2 tỉnh như Bình Phước và Tây Ninh. Bảng 4. Một số nhà máy sản xuất tinh bột mì Tên công ty Tỉnh Công suất ( tấn tinh bột/ngày) Phước Long (VEDAN) Bình Phước 600 Đức Liên Bình Phước 100 Tân Châu-Singapore Tây Ninh 120 Trường Thịnh Tây Ninh 80 II.2.3 Quy trình công nghệ: Đây là quy trình công nghệ chung của các nhà máy sản xuất tinh bột mì tại Việt Nam: Nước cấp Củ mì tươi Dd SO2 Tách tạp chất, vỏ Bã. cát Băm nhỏ và nghiền nát Thành phẩm Tách bã Nước thải Nước thải Đóng bao Tách dịch Nước thải Sấy khô Tách bột, vắt nước Hình 1. Sơ đồ quy trình sản xuất tinh bột mì Thuyết minh quy trình: Củ từ bãi nguyên liệu được chuyển lên khâu rửa. Khâu rửa có hai phần là rửa sơ bộ và rửa ướt. Quá trình rửa sơ bộ để tách lượng đất cát trên củ, khâu rửa ướt sẻ tách hết phần đất còn lại và một phần lớn vỏ củ. Sau đó củ được đưa vào máy cắt, cắt thành những lát nhỏ giúp cho quá trình mài sát được nhanh hơn. Tiếp đến chúng sẽ được đưa vào máy nghiền để nghiền nhỏ tiến hành ly tâm để lấy dịch bào. Sau khi tách một lượng lớn dịch bào, hỗn hợp sệt được đưa vào ly tâm tách bã với kích thước lỗ rây giảm dần từ khâu đầu đến khâu cuối. Trong khâu này có bổ sung vào SO2 0,05% khối lượng để kiềm chế các quá trình sinh hóa ( phân hủy gây chua bột), đồng thời giữ màu trắng cho tinh bột. Sữa bột thu từ quá trình tách bã trên sẽ được đưa qua hệ ly tâm siêu tốc nhằm tách hết lượng dịch bào còn lại và thu hồi tinh bột. Lượng sữa tinh bột thu được sẽ đưa qua hệ thống ly tâm tách nước, nhằm mục đích giảm lượng nước để tăng cường hiệu quả cho quá trình sấy phía sau. Lượng bột ẩm thu được sẽ đưa qua hệ thống sấy khô sau đó được làm mát , sàn và đóng bao. II.2.4 Hiện trạng ô nhiễm: Hiện nay quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa đang diễn ra mạnh mẽ, các ngành công nghiệp ngày một phát triển dẫn đến một thực trạng là ô nhiễm môi trừơng cũng ngày một trầm trọng hơn. Có rất nhiều ngành công nghiệp gây nên hiện trạng này nhưng vấn đề muốn nhắc đến ở đây là ngành công nghiệp chế biến khoai mì, một trong những ngành gây nên sự ô nhiễm nặng nề nhất cho môi trường. Bảng 5. Thành phần tính chất nước thải từ sản xuất tinh bột khoai mì. Công đoạn sản xuất pH Cặn lơ lửng (mg/l) BOD5 (mg/l) COD (mg/l) Độ kiềm (mg/l) Rửa củ 6,5 995 1350 1687 122 Lọc thô 4,5 660 3850 4812 122 Lọc tinh 4,05 660 3850 4800 122 Hỗn hợp 6,1 1655 5200 6499 140 Dương Đức Tiến, Trần Hiếu Nhuệ, Nguyễn Kim Thái, 1991. Theo những số liệu thống kê thì riêng ở khu vực miền Nam đã có đến 15-20 nhà máy chế biến tinh bột khoai mì, có thể kể đến những nhà máy lớn như là: nhà máy chế biến tinh bột khoai mì KMC ( Bình Phứơc), nhà máy chế biến tinh bột khoai mì của công ty VEDAN ( Bình Phứơc), công ty liên doanh VINAFOOD-GCR….. Bảng 6.Tải lựơng ô nhiễm do nước thải tinh bột khoai mì tại Việt Nam. STT Tên cơ sở công nghiệp Tải lượng ô nhiễm (kg/ngày ) SS BOD5 COD 1 Công ty cổ phần Vedan 15.600 30.060 38.700 2 Công ty khoai mì Tây Ninh 7.800 15.030 19.350 3 Nhà máy chế biến tinh bột Tân Châu-Singapore 3.900 7.515 9.675 4 Phân xưởng xản suất tinh bột khoai mì Phước Long( VEDAN) 46.800 90.180 116.100 5 Nhà máy chế biến tinh bột khoai mì KMC 109.200 210.420 270.900 Hội thảo chuyên đề: “phát triển ngành chế biến tinh bột khoai mì tại Việt Nam,2006”. II.3. Nước thải trong sản xuất tinh bột mì: II.3.1 Nguồn phát sinh: Quy trình sản xuất tinh bột khoai mì có nhu cầu sử dụng lượng nước rất lớn (15-20m3/tấn ).Do đó khi lượng nước thải ra mang theo một phần tinh bột không thu hồi hết trong quá trình sản xuất, các protein, chất béo, chất khoáng…..Trong dịch bào của củ và các thành phần SO32-, SO42- từ công đoạn tẩy trắng sản phẩm. Lưu lượng thải lớn và nồng độ chất hữu cơ rất cao (16-20 kg COD/m3 nước thải), đây là một nguồn gây ô nhiễm nghiêm trọng đến môi trường. Trong quá trình sản xuất này, nguồn gây ô nhiễm nước gồm: nước thảy rửa củ, nước thảy nghiền củ, ly tâm, sàn loại sơ, lọc thô. Trong công đoạn rửa nước: nước sử dụng trong giai đoạn rửa củ mì trước khi lột vỏ để loại bỏ các chất bẩn bám trên bề mặt. Công đoạn bóc vỏ, mài củ, ép bã: chứa một hàm lượng lớn cyanua, alcaloid, antoxian, protein, xenluloza, pectin, đường và tinh bột. Đây là nguồn chính gây ô nhiễm nước thải, thường dao động trong khoảng 20-25m3/ tấn nguyên liệu, có hàm lượng: SS (chất rắn lơ lửng), BOD (Phản ánh hàm lượng chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học) rất cao.  Nước thải trong quá trình nghiền củ, lọc thô có nhiều tinh bột, protein và khoáng chất tách ra trong quá trình nghiền thô. Nước thải trong quá trình nghiền củ mì với khối lượng không đáng kể. Nước thải trong quá trình tách dịch có nồng độ chất hữu cơ cao (BOD), chất rắn lơ lửng nhiều (SS). Ngoài ra trong nước thải này còn chứa các dịch bào có Tanin, men và nhiều chất vi lượng có mặt trong củ mì. Trong công đoạn ly tâm và sang loại xơ, nước được sử dụng nhằm mục đích rửa và tách tinh bột từ bột xơ củ mì. Nước thải trong quá trình lắng trích ly: chứa tinh bột, xenluloza, protein thực vật, lignin và cyanua, do đó có hàm lượng SS, BOD, COD rất cao, pH thấp.  Ở công đoạn rửa máy móc, thiết bị, vệ sinh nhà xưởng: có chứa dầu máy, hàm lượng SS, BOD cao. Nước thải sinh hoạt (Nước thải từ nhà bếp, nhà tắm, nhà vệ sinh) chứa các chất cặn bã, lượng SS, BOD, các chất dinh dưỡng (N,P) và các vi sinh vật… Nước mưa chảy tràn tại nhà máy cuốn theo các chất cặn bã, rác, bụi. Ngoài ra, trong quá trình sản xuất, HCN hoà tan trong nước rửa bã, thoát khỏi dây chuyền sản xuất cũng góp phần gây ô nhiễm môi trường tạo màu sẫm của nước thải. Tóm lại, lượng nước thải ra môi trường thường chiếm 80- 90 % nước sử dụng, trong đó có 10% bắt nguồn từ nước rửa củ và 90% từ công đoạn ly tâm, sang lọc và khử nước và một số nguồn khác. II.3.2 Đặc tính nước thải: Nước thải sinh ra từ dây chuyền sản xuất bột mì có các thông số đặc trưng: pH thấp, hàm lượng chất hữu cơ và vô cơ cao, thể hiện qua hàm lượng chất rắn lơ lửng (SS), các chất dinh dưỡng chứa N, P, các chỉ số về nhu cầu oxy sinh học (BOD5), nhu cầu oxy hoá học (COD), …với nồng độ rất cao. Đặc biệt trong khoai mì có chứa HCN là một acid có tính độc hại. Khi ngâm khoai mì vào trong nước HCN sẽ tan vào trong nước và theo nước thải ra ngoài. Nước thải trong quá trình sản xuất thường chứa nhiều tạp chất cơ học (đất, cát, bùn, vỏ, xơ), một số tinh bột còn sót qua lọc, một ít đường hòa tan, protein, lipit và enzim, nên rất dễ bị lên men rượu sinh ra mùi hôi chua, hôi thối. Trong nước thải chứa nhiều cặn lơ lửng nên hàm lượng chất hữu cơ cao, nước có độ đục cao. Bảng 7.Thành phần và tính chất nước thải. Chỉ tiêu Đơn vị Nước thải Từ công đoạn rửa củ Từ công đoạn ly tâm-sàng lọc Nước thải tổng hợp pH Chất rắn tổng cộng Cặn lơ lửng BOD COD Nitơ Phosphat CN- -- mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l 6,5 – 7,5 550 – 700 400 – 500 40 – 60 100 – 150 30 – 38 1 – 1,5 4 – 4,5 4.000 – 4.500 1.300 – 1.800 3.500 – 4.500 4.000– 4.800 70 – 75 5,5 – 10 4,5 – 5,0 3.500 – 4.000 1.100 – 1.500 3.500 – 4.000 4.000 – 4.400 60 – 70 5,5 – 10 5 – 25 Nguồn: Xí nghiệp công nghệ môi trường– ECO II.3.3 Tác động của nước thải: Ảnh hưởng của pH Độ pH quá thấp sẽ làm mất khả năng tự làm sạch của nguồn tiếp nhận do các loài vi sinh vật có trong tự nhiên trong nước bị kiềm hãm phát triển. Ngoài ra nước có tính axit sẽ gây ăn mòn hệ thống xử lý, làm mất cân bằng trao đổi chất của tế bào, ức chế sự phát triển bình thường của quá trình sống trong nước. Ảnh hưởng của các chất hữu cơ Hàm lượng chất hữu cơ cao sẽ làm giảm nồng độ oxi hòa tan trong nước, làm ảnh hưởng đến đời sống thủy sinh vật của nguồn tiếp nhận. Ngoài ra, nó còn gây nên tình trạng ô nhiễm mùi. Nước thải chế biến tinh bột có hàm lượng chất hữu cơ cao, khi xả vào nguồn nước sẽ làm giảm nồng độ oxy hòa tan trong nước do vi sinh vật sử dụng xy hòa tan để phân hủy các chất hữu cơ. Nồng độ oxy hòa tan dưới 50% bão hòa có khả năng gây ảnh hưởng đến sự phát triển của tôm, cá. Oxy hòa tan giảm không chỉ gây suy thoái tài nguyên thủy sản mà còn làm giảm khả năng tự làm sạch của nguồng nước, dẫn đến giảm chất lượng nước cấp cho sinh hoạt và công nghiệp. Ảnh hưởng của chất lơ lửng Các chất rắn lơ lửng làm cho nước đục hoặc có màu, không những làm mất vẻ mỹ quan mà quan trọng nó hạn chế độ sâu tầng nước được ánh sáng chiếu xuống, gây ảnh hưởng tới quá trình quang hợp của thực vật thủy sinh: tảo, rong, rêu,…giảm lượng oxy sinh ra, giảm quá trình trao đổi oxy và truyền sáng, dẫn nước đến tình trạng kỵ khí. Mặt khác, phần cặn lắng xuống đáy sẽ gây bồi lắng lòng sông, cản trở sự lưu thông và làm thay đổi dòng chảy. Phần cặn này sẽ bị phân hủy kị khí gây nên mùi hôi cho khu vực xung quanh. Ảnh hưởng của các chất dinh dưỡng Hàm lượng chất dinh dưỡng (N, P) quá lớn sẽ gây nên hiện tượng phú dưỡng hóa nguồn nước, sự phát triển khó kiểm soát của rong và tảo. Khiến môi trường sống của nguồn tiếp nhận bị thay đổi và xấu đi. Amonia rất độc cho tôm, cá dù ở nồng độ rất nhỏ, nồng độ là chết tôm, cá từ 1,2 – 3 mg/l. Tiêu chuẩn chất lượng nước của nhiều quốc gia yêu cầu nồng độ Amonia không vượt quá 1 mg/l. Ảnh hưởng của Cyanua Cyanua tồn tại trong nước ở dạng muối, CN- và HCN. Nó gây ảnh hưởng độc trực đến hệ thủy sinh thực vật. Nước ngấm xuống đất sẽ gây ô nhiễm nguồn nước ngầm. Tuy nhiên, ở điều kiện thích hợp HCN sẽ phân hủy tạo thành NH4+ là chất dinh dưỡng cho các thực vật thủy sinh. Bảng 8. Thông số nước thải ngành sản xuất tinh bột khoai mì. Chỉ tiêu Đơn vị Kết quả TCVN 5945-2005 Loại A Loại B Loại C pH 3.8-4.5 6-9 5,5-9 5-9 BOD5 Mg/l 1.540-8.750 30 50 100 COD Mg/l 2.500-10.000 50 80 400 SS Mg/l 120-3000 50 100 200 Nitơ tổng Mg/l 150-800 15 30 60 Photpho tổng Mg/l 4-91 4 6 8 Cyanua Mg/l 4-75 0,07 0,1 0,2 III.XỬ LÝ NƯỚC THẢI TINH BỘT KHOAI MÌ BẰNG CÔNG NGHỆ SINH THÁI: Nước thải tinh bột mì chứa hàm lượng chất hữu cơ rất cao ( tỷ lệ BOD/COD = 0,87) nên dùng phương pháp sinh học để xử lý là hợp lý. Sơ đồ xử lý tổng quát: Giai đoạn tiền xử lý: c, bể điều hòa Giai đoạn sơ cấp: Ao kị khí Giai đoạn II: Ao hiếu khí Giai đoạn III: Bể lắng Nước thải tinh bột khoai mì Tưới tiêu hoặc tái sử dụng cho ao nuôi cá Bể chứa bùn Xử lý bùn Bùn thải Bùn thải Hoàn lưu bùn Hệ thống đất ngập nước nhân tạo Hệ Thống Ao Sinh Học III.1 Các giai đoạn xử lý nước thải tinh bột khoai mì III.1.1 Giai đoạn tiền xử lý Nước thải từ các quy trình công nghệ được dẫn qua song chắn rác để loại bỏ các tạp chất thô có kích thước lớn, trước khi vào hố gom, nước thải được dẫn qua bể lắng cát, tại đây những hạt cát có kích thước lớn hơn 0,2mm được giữ lại để tránh ảnh hưởng đến hệ thống bơm của các công trình sau. Hình 2. Song chắn rác Tiếp đó, nước thải được chảy vào bể điều hòa kết hợp thổi khí, bể điều hòa có nhiệm vụ điều hòa lưu lượng và điều chỉnh độ pH tối ưu, sau đó nước thải bơm vào bể kỵ khí để thực hiện quá trình phân hủy các chất hữu cơ có trong nước thải Hình 3. Bể điều hòa III.1.2 Giai đoạn sơ cấp –xử lý kị khí Nguyên lý chung: Trong điều kiện không có oxy, các chất hữu cơ có thể bị phân hủy nhờ vi sinh vật và sản phẩm cuối cùng là CH4, CO2. Ao hồ kỵ khí thường dùng để lắng và phân hủy cặn lắng ở vùng đáy. Hình 4. Nguyên lý xử lý kị khí Các quá trình xảy ra: Quá trình chuyển hóa chất hữu cơ nhờ vi khuẩn kỵ khí chủyếu diễn ra theo nguyên lý lên men qua các bước sau: Bước 1:Thủy phân các chất hữu cơ phức tạp: tinh bột, xenlulozo, protein và các chất béo thành các chất hữu cơ đơn giản hơn như monosacarit, amino axit hoặc các muối khác. Đây là nguồn dinh dưỡng và năng lượng cho vi khuẩn hoạt động. Bước 2:Các nhóm vi khuẩn kỵ khí thực hiện quá trình lên men axit, chuyển hóa các chấthữu cơ đơn giản thành các loại axit hữu cơ thông thường như axit axetic, glixerin, axetat,... CH3CH2COOH + 2H2O à CH3COOH + CO2+ 3H2 CH3CH2CH2COOH + 2H2O à 2 CH3COOH + 2H2 Bước 3:Các nhóm vi khuẩn kỵ khí bắt buộc lên men kiềm (chủ yếu là các loại vi khuẩnlên men metan như methanosarcina và methanothrix) đã chuyển hóa axit axetic và hydro thành CH4, CO2. Các khí sinh ra có thể ứng dụng làm khí biogas. Hình 5. Ba giai đoạn của quá trình phân hủy kị khí Các vi sinh vật tham gia: Các vi sinh vật tham gia vào quá trình kị khí gồm: clostridium spp, peptococcus anaerobus, bifidobacterium, methanococus, methanosarcina…… Hình 6. Clostridium sp Peptococcus anaerobus Bifidobacterium Hình 7 . Vi khuẩn Methanobacterium Vi khuẩn Methanobacillus Các quá trình xử lý thông dụng: Ao kị khí: Hình 8. Ao kỵ khí Bể UASB: Hình 9. Bể UASB III.1.3 Giai đoạn xử lý cấp 2- hiếu khí Sau khi được xử lý tại giai đoạn xử lý kị khí, nước thải tinh bột mì sẽ được chuyển qua giai đoạn xử lý tiếp theo: xử lý hiếu khí. Nguyên lý xử lý chung: Lợi dụng quá trình sống và hoạt động của vi sinh vật hiếu khí để phân hủy chất hữu cơ và một số chất vô cơ có thể chuyển hóa sinh học. Khi nước thải tiếp xúc với bùn hoạt tính, các chất thải có trong môi trường như các chất hữu cơ hòa tan, các chất keo và phân tử nhỏ sẽ được chuyển hóa bằng cách hấp phụ và keo tụ sinh học trên bề mặt các tế bào sinh vật. Tiếp theo là giai đoạn khuếch tán và hấp thụ các chất bẩn từ mặt ngoài của tế bào vào trong tế bào qua màng bán thấm. Các chất vào trong tế bào dưới tác động của hệ enzyme nội bào sẽ được phân hủy. Quá trình phân giải các chất hữu cơ xảy ra trong tế bào chất của tế bào sống là các phản ứng ôxy hóa khử. Các quá trình xảy ra: Oxy hóa tinh bột: (C6H10O5)n +6n O2 à6n CO2 + 5nH2O Tổng hợp xây dựng tế bào: Hình 10 . Oxi hóa và hô hấp nội bào Tự oxi hóa chất liệu tế bào (tự phân hủy): Hình 11. Phân hủy nội bào Quá trình xử lý thông dụng: Ao hiếu khí Hình 12 . Các dạng ao hiếu khí Bùn hoạt tính- bể arotank Hình 13. Bể aerotank Các vi sinh vật hiếu khí tham gia: Hình 14 . Các loại vi khuẩn hiếu khí III.1.4 Giai đoạn xử lý cấp 3: Bể lắng Hình 15. Bể lắng Nguyên lý hoạt động: Khi nước thải từ ao hiếu khi sang bể lắng, nước thay đổi hướng chuyển động và từ từ chuyển động từ dưới lên máng thu. Những chất không hòa tan có trọng lượng riêng lớn hơn trọng lượng riêng của nước sẽ lắng xuống. Còn lại những hạt cặn lơ lững sẽ diễn ra hiện tượng dính kết rồi tăng kích thước, trọng lượng và lắng xuống. Kết quả tốc độ lắng của các phần tử tăng lên. Hình 16 .Cấu tạo bể lắng III.1.5 Hệ thống đất ngập nước nhân tạo Nước thải sau khi xử lý đạt tiêu chuẩn loại B trước khi thải ra nguồn. Nhưng theo kết quả kiểm nghiệm thì chất lượng nước thải ra ngoài cao hơn tiêu chuẩn cho phép ( BOD là 240 mg/l, COD là 336mg/l), nguyên nhân chính là do hệ thống quá tải về công suất.Vì vậy, để tăng hiệu quả xử lý của hệ thống hồ sinh học chúng ta nên kết hợp hệ thống đất ngập nước nhân tạo Hệ thống đất ngập nước nhân tạo gần đây đã được biết đến trên thế giới như một giải pháp công nghệ xử lý nước thải trong điều kiện tự nhiên, thân thiện với môi trường, đạt hiệu suất cao, chi phí thấp, đồng thời góp phần làm tăng giá trị đa dạng sinh học, cải tạo cảnh quan môi trường địa phương. Sinh khối thực vật, bùn phân hủy, nước thải sau khi xử lý còn có giá trị kinh tế. Có thể phân loại hệ thống đất ngập nước nhân tạo thành hai nhóm chính: Hệ thống đất ngập nước nhân tạo dạng ngập nước, hệ thống đất ngập nước nhân tạo dạng dòng chảy ngầm, với dòng chảy ngang hay dòng chảy thẳng đứng. Trong các hệ thống nói trên thì nói trên thì hệ thống đất ngập nước nhân tạo dạng dòng chảy ngầm thẳng đứng chứng tỏ có nhiều ưu điểm hơn như điều kiện hiếu khí trong lớp vật liệu lọc tốt hơn, nâng cao hiệu suất quá trình phân hủy sinh học các hợp chất hữu cơ, xử lý được chất dinh dưỡng như nitơ nhờ quá trình nitrat – khử nitrat, loại bỏ được các vi sinh vật gây bệnh trong nước thải, tốn ít diện tích, hiệu suất xử lý cao,… Hình 17.Hệ thống đất ngập nước nhân tạo Các loại thực vật thường được sử dụng: Hình 18.Cây thủy trúc Cây cỏ nến Hình 19 : Cây lau sậy Cây phát lộc Khả năng xử lý nước thải của hệ thống đất ngập nước nhân tạo ( dạng dòng chảy ngầm thẳng đứng): Hình 20. Cơ chế hoạt động của hệ thống đất ngập nước nhân tạo Khử chất lơ lửng: Hệ thống đất ngập nước nhân tạo có khả năng khử chất lơ lửng với hiệu quả cao. Khi nước thải ngấm qua các lổ rỗng của đất, các chất rắn lơ lửng sẽ bị giữ lại do quá trình lọc.  Nồng độ chất lơ lửng trong nước sau xử lý trung bình nhỏ hơn 20 mg/l và thường dưới 10 mg/l. Oxy hóa các hợp chất hữu cơ: hệ thực vật trồng trong hệ thống đất ngập nước nhân tạo góp phần đáng kể trong xử lý nước thải nhờ khả năng cung cấp ô xy qua bộ rễ của cây xuống hệ thống đất ngập nước nhân tạo tạo điều kiện hiếu khí cho các vi sinh vật lớp trên cùng của bãi lọc. Bộ rễ của thực vật cũng là môi trường sống thích hợp cho các vi sinh vật có khả năng tiêu thụ các chất dinh dưỡng có trong nước thải, tăng hiệu quả xử lý của bãi lọc. Do sự phân hủy của các vi sinh vật đất, các chất nitrogen, photphorus, sulfur chuyển từ đạng hữu cơ sang dạng vô cơ và phần lớn được đồng hóa bởi hệ thực vật. Khử nitơ: Cơ chế xử lý chính đối với các thành phần nitơ trong bãi lọc ngập nước nhân tạo là các quá trình nitrat hóa và khử nitrat Tại các vùng hiếu khí, các vi khuẩn nitrat hóa ôxy hóa amôni thành nitrat, tại các vùng thiếu khí các vi khuẩn khử nitrat chuyển hóa nitrat thành khí nitơ (N2)Các hệ thống dòng chảy ngầm thường đạt hiệu quả khử nitơ ở mức 30¸40%. Tiêu diệt mầm bệnh:Các mầm bệnh, kí sinh trùng bị tiêu diệt do tồn tại bên ngoài ký chủ một thời gian dài, cạnh tranh với các VSV đất, bám vào các bộ phận của thảm thực vật sau đó bị tiêu diêt bởi tia UV trong bức xạ mặt trời. Thông thường thời gian lưu giữ nước trong bãi lọc lâu nên khả năng khử khuẩn cao đặc biệt là đối với hệ thống bãi lọc ngập nước trồng cây. Theo kết quả nghiên cứu giai đoạn tháng 3- 10 năm 2011 của: Viện Môi trường và Tài Nguyên,, Phòng Thủy văn, Quản lý và Bảo vệ nguồn nước, Học Viện Kỹ thuật tài nguyên nước và thủy lợi, Trường ĐH khoa học ứng dụng Ostwestfalent – Lippe, thì hiệu quả xử lý BOD, COD khi áp dụng kỹ thuật sinh thái như sau: Hệ thống ao sinh học Hệ thống đất ngập nước nhân tạo (dòng chảy ngầm thẳng đứng) Tưới tiêu hoặc tái sử dụng cho ao nuôi cá 12068 mg/l COD 7305 mg/l BOD5 Dòng vào Dòng ra 156 mg/l COD 24 mg/l BOD5 Lợi ích của hệ thống đất ngập nước nhân tạo Hình 21. Ao nuôi cá Làm đồ thủ công mỹ nghệ Hình 22. Tạo cảnh quan và giải trí Môi trường sống của các loài động vật III.2 Xử lý bùn Bể chứa bùn Tách nước Xử lý bùn kị khí Xử lý bùn hiếu khí Ép bùn Làm biogas Làm phân bón Chôn lấp Bể hiếu khí Hoàn lưu bùn Xử lý bùn kị khí Phương trình chung: Chất hữu cơ trong bùn + Nước + chất dinh dưỡng CH4 + CO2 Các công trình xử lý bùn bằng phương pháp kị khí : Bể lắng 2 vỏ Bể tự hoại Bể mêtan Hình 23. Các bể xử lý kị khí bùn Quá trình phân giải bùn kỵ khí thường tạo ra một lớp váng rất dày đặc phủ kín bề mặt bể, do đó phải lắp hệ thống cánh khuấy trong bể cho khí biogas bay lên cũng như thúc đẩy quá trình chuyển hóa chất rắn dể bay hơi. Bùn thải chứa rất nhiều chất có tính chất kìm hãm quá trình chuyển hóa của VSV kỵ khí, đặc biệt là kim loại nặng và dung môi hữu cơ. Do đó, cần kiểm soát các yếu tố độc hại trước khi tiến hành xử lý bằng PP kỵ khí. Xử lý bùn hiếu khí Bùn sẽ được tách các thành phần hữu cơ và vô cơ bằng phương pháp thủy lực. Chất vô cơ nặng sẽ lắng xuống đáy bồn trong khi chất hữu cơ nhẹ hơn sẽ nổi lên trên. Các chất vô cơ được tách ra sẽ được tận dụng để sản xuất vật liệu xây dựng, trong khi các chất hữu cơ được xử lý tiếp bằng PP sinh học để tách riêng các kim loại nặng với phần bùn hữu cơ sạch. Phần bùn hữu cơ sạch sẽ được tận dụng để trồng cây và cải tạo đất nông nghiệp. Còn lại các kim loại nặng sẽ được xử lý theo PP hóa học để tách riêng từng kim loại hoặc hóa rắn toàn bộ để chôn lấp an toàn. Ép bùn Bể nén bùn Tại đây bùn dư từ bể thu bùn được nén bằng trọng lực nhằm giảm thể tích bùn và độ ẩm. Máy ép bùn băng tải Cặn sau khi qua bể nén bùn có nồng độ tứ 3-8% cần đưa qua thiết bị làm khô cặn để giảm độ ẩm xuống 70-80% , tăng nồng độ cặn khô từ 20-30% nhằm: Giảm khối lượng vận chuyể ra bãi thái Cặn khô dễ chon lấp hay cải tạo đất có hiệu quả hơn cặn ướt Giảm thể tích nước có thể thấm vào nước ngầm ở bãi chôn lấp Bùn được bơm vào ngăn khuấy trộn cung polymer rồi đi qua hệ thống băng tải ép bùn loại nước. bùn sau khi ép có dạng bánh, rồi đem đi chôn lấp. Hình 24 . Bể nén bùn Máy ép bùn băng tải IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận: Ứng dụng công nghệ sinh thái trong xử lý nước thải tinh bột mì có tính ưu việt hơn so với các phương pháp xử lý khác. Nguồn nước thải sau quá trình xử lý có thể dùng để nuôi trồng thủy sản, tưới tiêu,… Bùn thải có thể sử dụng làm khí biogas, làm phân bón hay chôn lấp Đây là phương pháp xử lý mới, chi phí đầu tư và vận hành thấp, phù hợp với điều kiện khí hậu Việt Nam, không gây độc hại cho môi trường, hiệu quả xử lý cao. Kiến nghị: Để hệ thống hoạt động hiệu quả phải kịp thời đào tạo cán bộ chuyên trách về môi trường, cán bộ kỹ thuật để có thể vận hành hệ thống xử lý, theo dõi hiện trạng môi trường Cần hạn chế ô nhiễm mùi sinh ra từ các khí độc hại do quá trình phân hủy chất hữu cơ bằng biện pháp: + Tăng cường sử dụng nước tái tuần hoàn. + Kiểm soát chặt chẽ nước thải ra tại các khâu trích ly, tách ly, tránh thải tinh bột và cặn hữu cơ ra ngoài. + Thu gom triệt để các mảnh vụn chất hữu cơ. Thường xuyên theo dõi hiện trạng của hệ thống thoát nước, các thiết bị sản xuất, nhằm giảm thiểu tối đa lượng chất thải phát sinh ra ngoài. Tài liệu tham khảo: thuy-sinh-thuc-vat.aspx Nguyễn Thị Thanh Phượng, 2004. Luận văn thạc sỹ Nghiên cứu công nghệ phù hợp xử lý nước thải tinh bột mì cho làng nghề. Huỳnh Thị Thuận, 2011. Đồ án tốt nghiệp Xử lý nước thải tinh bột khoai mì bằng bèo lục bình Bộ khoa học Công nghệ và môi trường, 2005. Tiêu chuẩn Việt Nam về chất lượng nước thải 5945 – 2005 TS.Lê Quốc Tuấn, Giáo trình bài giảng công nghệ sinh thái