Vi sinh vật phân giải protein và ứng dụng trong xử lý nước thải thủy sản

tiếp tục tạo thành hàng loạt các sản phẩm, trong đó có các ceto acid, aldehyde và carboxylic acid. 3.2. Nguồn gốc của protein trong nước thải thủy sản Chủ yếu protein trong nước thải thủy sản có bản chất và nguồn gốc từ động vật. Các nguyên nhân dẫn đến sự có mặt của Protein trong nước thải thủy sản: ¾ Nước thải trong quá trình sản xuất như: rửa nguyên liệu,máy móc sau khi chế biến ¾ Các thức ăn dành cho việc nuôi trồng thủy sản có hàm lượng protein cao ¾ Nước sinh hoạt của các công nhân. 3.3. Sự cần thiết phải xử lý protein trong nước thải thủy sản Nghành nuôi trồng và chế biến thủy sản, trong đó cụ thể là các xí nghiệp chế biến thủy sản đều có nước thải chứa protein. Khi được thải ra dòng chảy, protein nhanh chóng bị phân hủy cho ra acid amin, acid béo, acid thơm, H2S, nhiều chất chứa S, N và P, có tính độc và mùi khó chịu. Ê Điều này dẫn đến các hệ quả: ¾ Ô nhiễm bầu không khí: sự thủy phân sinh ra các chất như H2S, NH3, CH4, … Tạo ra mùi khó chịu đối với khu vực xả thải. ¾ Góp phần gây nên hiện tượng phú dưỡng hoá: trong protein có nồng độ chất dinh dưỡng N, P cao, tỷ lệ P/N cao do sự tích luỹ tương đối P so với N, sự yếm khí và môi trường khử của lớp nước đáy thuỷ vực, sự phát triển mạnh mẽ của tảo và nở hoa tảo. ¾ Sự kém đa dạng của các sinh vật nước, đặc biệt là cá . ¾ Gây mất mỹ quan môi trường: nước có màu xanh đen hoặc đen, có mùi khai thối do thoát khí H2S... ¾ Gây ô nhiễm nguồn nước: Nước ngầm và nước mặt. GVHD: Th.S. Trịnh Thị Lan Anh SVTH: Nguyễn Duy Trình 25 3.3. Sự phân hủy protein trong nước thải thủy sản 3.3.1. Cơ chế phân hủy protein Protein là một chất hữu cơ có chứa các hợp chất cần thiết cho sự sinh trưởng và phát triển vi sinh vật. Protein ở môi trườmg bên ngoài sẽ là nguồn thức ăn của vi sinh vật. Để có thể sử dụng được protein làm thức ănvi sinh vật tiết ra một loại Enzyme để thủy phân các liên kết peptide hoặc các polypeptide thành các peptide có phân tử lượng nhỏ hơn. Tiếp theo là sự phân hủy các peptide trên thành các acid amin tự do ở môi trường ngoài. Sau đó được các vi sinh vật hấp thụ các acid amin tự do ở môi trường ngoài vào trong tế bào. Trong tế bào vi sinh vật các acid amin sẽ được phân giải thành năng lượng cần thiết cho hoạt động sống của tế bào. Hình 3.2. Cơ chế phân hủy protein 3.3.2. Vòng tuần hoàn của các chất có trong thành phần của protêin 3.3.2.1. Vòng tuần hoàn của carbon Vòng tuần hoàn carbon diễn tả điều kiện cơ bản đối với sự xuất hiện và phát triển của sự sống trên trái đất, các hợp chất của carbon tạo nên nền tảng cho mọi loại Protein (ở môi trường ngoài) Acid amin (ở môi trường ngoài) Enzyme protease Vi sinh vật Acid amin (Trong tế bào) Năng lượng Hoạt động sống của tế bào Phân giải GVHD: Th.S. Trịnh Thị Lan Anh SVTH: Nguyễn Duy Trình 26 hình sự sống.Vòng carbon quan trọng nhất là dạng thông qua CO2 của khí quyển và của sinh khối. Thông qua mạng lưới thức ăn động vật và con người sử dụng các carbon hữu cơ của thực vật, chuyển hóa chúng thành các carbon hữu cơ của động vật và con người. Đặc biệt, con người đã sử dụng một lượng lớn carbon trong các nguồn carbon biến chúng thành năng lượng và nguyên liệu để phục vụ cho sản xuất và đáp ứng các nhu cầu đời sống Trong quá trình sống thì thông qua hoạt động hô hấp, con người và động vật cũng thải ra một lượng lớn CO2 trả lại vào môi trường, trong những năm gần đây với quá trình công nghiệp hóa cùng với sự thu hẹp diện tích rừng đã gây ra nhiều sự xáo trộn trong chu trình làm cho nồng độ CO2 trong khí quyển gia tăng từ 290ppm (ở thế kỉ 19) lên đến 325ppm (ngày nay). Trong chu trình carbon vi sinh vật là một mắt xích có vai trò rất quan trọng. Người, động vật, thực vật và ngay cả vi sinh vật khi chết đi sẽ được vi sinh vật phân giải thành các dạng carbon trong hợp chất bán phân giải như than đá, dầu mỏ, các hợp chất trung gian, hợp chất mùn và cabon trong hữu cơ không đạm và cuối cùng thành CO2 (và H2O), CO2 lại đi vào trong không khí hay hòa tan vào dung dịch để rồi lại được thực vật sử dụng và một lần nữa đi vào chu trình. ÊVi sinh vật đóng vai trò quan trọng trong một số khâu chuyển hoá của vòng tuần hoàn này: Hình 3.3. Vòng tuần của carbon Carbon thực vật Carbon động vật CO2 Vi sinh vật phân hủy (Chất hữu cơ) GVHD: Th.S. Trịnh Thị Lan Anh SVTH: Nguyễn Duy Trình 27 3.3.2.2. Vòng tuần hoàn của nitrogen Trong tự nhiên nitrogen tồn tại ở nhiều dạng khác nhau, từ nitrogen phân tử ở dạng khí cho tới các hợp chất hữu cơ phức tạp có trong cơ thể thực vật, động vật và con người. Trong cơ thể sinh vật, nitrogen tồn tại dưới dạng các hợp chất hữu cơ như protein, các acid amin. Dưới tác dụng của các nhóm vi sinh vật hoại sinh, protein được phân giải thành các acid amin. Các acid amin lại được một nhóm vi sinh vật khác phân giải thành NH3 hoặc NH4+ gọi là nhóm vi khuẩn amôn hoá. Qúa trình này gọi là sự khoáng hoá chất hữu cơ vì qua đó nitrogen hũư cơ được chuyển thành nitrogen dạng khoáng. Dạng NH4+ sẽ được chuyển hoá thành dạng NO3- nhờ nhóm vi khuẩn nitrat hoá. Các hợp chất nitrat hoá lại được chuyển hoá thành nitrogen phân tử, quá trình này được gọi là phản nitrat hoá được thực hiện bởi nhóm vi khuẩn phản nitrat. Khí N2 sẽ được cố định lại trong tế bào vi khuẩn và tế bào thực vật sau đó được chuyển hoá thành dạng nitrogen hữu cơ nhờ nhóm vi sinh vật cố định nitrogen. Như vậy vòng tuần hoàn nitrogen được khép kín trong hầu hết các khâu chuyển hoá của vòng tuần hoàn và có sự tham gia của các nhóm vi sinh vật khác nhau. Nếu sự hoạt động của một nhóm nào đó dừng lại thì toàn bộ sự chuyển hoá của vòng tuần hoàn cũng sẽ bị ảnh hưởng nghiêm trọng. Ê Vi sinh vật đóng một vai trò quan trọng trong một số khâu chuyển hoá của vòng tuần hoàn này: Hình 3.4. Vòng tuần hoàn của nitrogen. N2 NH3 , NH+4 NO3 Chất hữu cơ trong đất Động vật Thực vật GVHD: Th.S. Trịnh Thị Lan Anh SVTH: Nguyễn Duy Trình 28 3.3.2.3. Vòng tuần hoàn của lưu huỳnh Sự chuyển hóa của lưu huỳnh trong thiên nhiên tạo thành một chu trình khép kín. Những giai đoạn phân giải hợp chất hữu cơ có lưu huỳnh khá phức tạp, cho đến nay chưa được nghiên cứu thật rõ ràng, trừ một vài hợp chất như cistin, methionin. Rể thực vật hấp thu S ở dạng (NH4)2SO4 để tổng hợp các liên kết và các acid amin có S như cystin, cystein, Mothionin. Thực vật tích lũy S trong cơ thể nó (đặc biệt là thực vật chịu mặn tích lũy S rất cao). Động vật ăn thực vật tích lũy S, và người ăn thực vật, động vật lại tích lũy S trong cơ thể. Sau khi chết đi, xác động vật, thực vật và người trả S lại cho đất nhờ vi sinh vật phân hủy. Trong đó có cả những vi sinh vật tự dưỡng hóa năng, vi sinh vật tự dưỡng quang năng và cả vi sinh vật dị dưỡng. Ở đó S lại được chuyển hóa. Một phần S biến thành SO2 hay H2S bay khỏi mặt đất đi vào khí quyển, S được các sinh vật hấp thu, để rồi chu trình S lại tiếp tục, hoặc trầm tích lại trong than đá, dầu hỏa và chỉ quay trở lại chu trình khi bị đốt cháy. Hình 3.5. Vòng tuần hoàn của lưu huỳnh 3.3.2.4. Vòng tuần hoàn của phosphore Phosphore là nguyên tố rất phổ biến trong thiên nhiên và có vai trò rất quan trọng đối với sự sống của sinh vật. Qua quá trình phong hóa đá và khoáng hóa các hợp chất hữu cơ phosphore được giải phóng ra tạo thành các muối của acid phosphoric chứa các ion HPO3,H2PO3, PO43-, đơn giản dễ chuyển hoá được hấp thụ vào rễ thực vật và các loài vi sinh vật sử dụng. Để rồi chúng tạo ra các acid amin chứa phosphore và các S H2S S hữu cơ thực vật S hữu cơ động vật SO42- GVHD: Th.S. Trịnh Thị Lan Anh SVTH: Nguyễn Duy Trình 29 enzyme phosphate, chuyển các liên kết cao năng phosphore thành năng lượng cho cơ thể : ATP thành ADP và giải phóng năng lượng. Phosphore là nguyên tố không thể thiếu được của thực vật. Khi động vật ăn thực vật, phosphore lại biến thành chất liệu của xương của các liên kết, các enzyme. Khi chết đi động vật thực vật và con người trả lại phosphore trong cơ thể thành phosphore cho môi trường sinh thái đất. Một lượng phosphore đi vào đại dương sau khi phosphore bị hòa tan dần dần trong đá nham thạch chảy qua kênh rạch, sông hồ và làm giàu cho nước mặn, trở thành nguồn dinh dưỡng cho các loài sinh vật sử dụng. Hình 3.6. Vòng tuần hoàn của phosphore 3.3.3. Enzyme phân hủy cần cho quá trình phân hủy protein 3.3.3.1. Cấu tạo Protease vi sinh vật là một hệ thống rất phức tạp bao gồm nhiều enzyme giống nhau về cấu trúc, khối lượng và hình dạng phân tử nên rất khó tách ra dưới dạng tinh thể đồng nhất. Do là phức hệ gồm nhiều enzyme khác nhau nên protease vi sinh vật thường có tính đặc hiệu rộng rãi cho sản phẩm thủy phân triệt để và đa dạng. Phosphate vô cơ Lửa cháy rừng, đồng cỏ Động vật ăn thực vật Sinh vật tự dưỡng Thải vào môi trường Phong hóa Tích lũy phosphate trong trầm tích Sinh vật phân hủy Xác chết và chất thải GVHD: Th.S. Trịnh Thị Lan Anh SVTH: Nguyễn Duy Trình 30 Cấu trúc trung tâm hoạt động (TTHĐ) của protease Trong TTHĐ của protease vi sinh vật ngoài gốc acid amin đặc trưng cho từng nhóm còn có một số gốc acid amin khác. Các kết quả nghiên cứu chung về TTHĐ của một số Protease vi sinh vật cho phép rút ra một số nhận xét chung như sau: - TTHĐ của protease đủ lớn và bao gồm một số gốc acid amin và trong một số trường hợp còn có cả cofactor kim loại. + Các protease kim loại có TTHĐ lớn hơn vào khoảng 210A, có thể phân biệt thành sáu tiểu đơn vị, mỗi tiểu đơn vị tương ứng với mỗi gốc acid amin trong phân tử cơ chất. + Đối với các protease acid, theo nhiều nghiên cứu về cấu trúc TTHĐ của các tinh thể protease acid của Phizopus chinensis và Endothia parasilica đã cho thấy phân tử của các protease này gồm có hai hạt, giữa chúng có khe hở vào khoảng 20oA. Khe hở này là phần xúc tác của các enzyme, các gốc Asp-35 và Asp-215 xếp đối diện nhau trong khe ấy. - Đối với các protease không chứa cysteine, TTHĐ của chúng có tính mềm dẻo hơn do cấu trúc không gian không được giữ vững bởi các cầu disulphide. Mặc dù TTHĐ của các protease vi sinh vật có khác nhau nhưng các enzyme này đều xúc tác cho phản ứng thủy phân liên kết peptide theo cùng một cơ chế chung như sau: E + S E – S E – S + P1 E + P2 Hình 3.8. Cơ chế xúc tác của enzyme Hình 3.7. Cấu trúc không gian enzyme Protease GVHD: Th.S. Trịnh Thị Lan Anh SVTH: Nguyễn Duy Trình 31 Trong đó: E: enzyme S: cơ chất E - S: Phức chất enzym- cơ chất, P1: Là sản phẩm đầu tiên của phản ứng, P2: Là sản phẩm thứ hai của phản ứng. 3.3.3.2. Cơ chế hoạt động thủy phân protein của enzyme protease Nhóm enzyme protease (peptide – hydrolase 3.4) xúc tác quá trình thuỷ phân liên kết liên kết peptide (-CO-NH-)n trong phân tử protein, polypeptide đến sản phẩm cuối cùng là các acid amin. Ngoài ra, nhiều protease cũng có khả năng thuỷ phân liên kết este và vận chuyển acid amin. Hình 3.9. Cơ chế hoạt động thủy phân protein của enzyme protease (Trích [8]. Trần Xuân Ngạch (2007), Công nghệ enzym, Trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng) Ê Tác động trên mạch polypeptide, exopeptidase: + Aminopeptidase: xúc tác thủy phân liên kết peptide ở đầu N tự do của chuỗi GVHD: Th.S. Trịnh Thị Lan Anh SVTH: Nguyễn Duy Trình 32 polypeptide để giải phóng ra một amino acid, một dipeptide hoặc một tripeptide. + Carboxypeptidase: xúc tác phản ứng thủy phân liên kết peptide ở đầu C của chuỗi polypeptide và giải phóng ra một amino acid hoặc một dipeptide. +Dipeptihydrolase: xúc tác phản ứng thủy phân các liên kết dipepit + Proteinase: xúc tác phản ứng thủy phân các liên kết peptid nội mạch 3.3.3.3. Chức năng sinh học của protease vi sinh vật Theo nhiều tác giả thì Protease ngoại bào và Protease nội bào của vi sinh vật có thể có những vai trò khác nhau đối với hoạt động sống của vi sinh vật. Các protease ngoại bào phân giải protein và các cơ chất cao phân tử khác có trong môi trường dinh dưỡng thành các dạng phân tử thấp để vi sinh vật dễ dàng hấp thu. Các vi sinh vật mất khả năng tiết protease ngoại bào nên không thể sử dụng protein làm nguồn đạm dinh dưỡng. Mặt khác quá trình tiết protease ngoại bào cũng như quá trìnhtổng hợp chúng ở nhiều vi sinh vật bị giảm khi môi trường có chứa một lượng lớn acid amin. Protease nội bào thường là peptidase và một số protease. Theo Hiroishi(1976) thì protease nội bào có vai trò quan trọng hơn protease ngoại bào, chúng có thể hoàn thành chức năng sau đây : ¾ Phân giải các peptide được đưa từ môi trường ngoài vào thành các acid amin để tổng hợp tế bào hoặc đôi khi làm nguồn C , N , S , P... Theo Gedbery và Dice (1974 ), tốc độ phân giải protein trong tế bào tăng lên khi vi sinh vật bị thiếu C, N, S, P.... sự phân hủy protein cũng tăng lên nhanh chóng trong quá trình sinh trưởng. ¾ Các protease nội bào có thể tham gia quá trình cải biến một số phân tử protein, enzyme. Điều này có nghĩa đối với việc hình thành và nảy mầm của bào tử vi sinh vật. ¾ Các protease nội bào cũng có thể tham gia vào việc hoàn thiện chuỗi polypeptide đã có sẵn. Ngoài ra, protease nội bào cũng có tác dụng phân hủy các protein vô dụng được tổng hợp sai do đột biến. GVHD: Th.S. Trịnh Thị Lan Anh SVTH: Nguyễn Duy Trình 33 CHƯƠNG 4: VI SINH VẬT PHÂN GIẢI PROTEIN TRONG NƯỚC THẢI THỦY SẢN 4.1. Vai trò của vi sinh vật trong xử lý nước thải Vi sinh vật có trong nước thải chiếm đa số về loài và số cá thể trong tập đoàn sinh vật của nước thải. Nước thải càng nhiễm bẩn thì càng phong phú vi sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn. Vi sinh vật đóng vai trò đặc biệt quan trọng trong các quá trình phân hủy chất hữu cơ và một số hợp chất vô cơ có trong nước thải. Đặc biệt là nước thải thủy sản với hàm lượng chất hữu cơ rất là cao so với các nghành khác. Những vi sinh vật có thể liên tục chuyển hóa các chất hữu cơ trong nước thải bằng cách tổng hợp thành tế bào (nguyên sinh chất) mới. Chúng có thể hấp thụ một lượng lớn các chất hữu cơ qua bề mặt tế bào của chúng. Nhưng sau khi hấp thụ, nếu các chất hữu cơ không được đồng hóa thành tế bào chất thì tốc độ hấp thụ sẽ giảm tới 0. Một lượng nhất định các chất hữu cơ hấp thụ được dành cho việc kiến tạo tế bào. Một lượng khác các chất hữu cơ lại được oxy hóa để sinh năng lượng cần thiết cho việc tổng hợp. Đặc biệt là đối với nước thải thủy sản, với hàm lượng chất hữu cơ cao, thì trong quá trình xử lý vi sinh vật đóng vai trò cực kì quan trọng. Vì đây là nguồn thức ăn phong phú cho sự phát triển của vi sinh vật,đặc biệt là nhóm vi sinh vật phân giải protein. Dựa trên phương thức phát triển vi sinh vật được chia thành 2 nhóm: ¾ Các vi sinh vật dị dưỡng: sử dụng các chất hữu cơ làm nguồn năng lượng và nguồn carbon để thực hiện các phản ứng sinh tổng hợp. ¾ Các vi sinh vật tự dưỡng: có khả năng oxy hoá chất vô cơ để thu năng lượng và sử dụng CO 2 làm nguồn carbon cho quá trình sinh tổng hợp. GVHD: Th.S. Trịnh Thị Lan Anh SVTH: Nguyễn Duy Trình 34 4.2. Các phương pháp xử lý nước thải 4.2.1. Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học trong điều kiện tự nhiên Cơ sở của phương pháp này là dựa vào khả năng tự làm sạch của đất và nước dưới tác động của các tác nhân sinh học có trong tự nhiên. Việc xử lý này được thực hiện bằng các cánh đồng tưới, bãi lọc hoặc hồ sinh học. Diễn biến của quá trình như sau: nước thải sau khi qua song chắn rác vào bể lắng cát và sau đó vào các bể lắng để loại các chất bẩn không hòa tan rồi được dẫn chảy qua cánh đồng, các bãi lọc sinh học hoặc các hồ sinh học. Hình 4.1. Sơ đồ quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học trong điều kiện tự nhiên 4.2.2. Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học trong điều kiện công nghệ Cơ sở của phương pháp này là dựa vào đặc trưng của các loài vi khuẩn: hiếu khí, kỵ khí, kỵ hiếu khí, mà con người dựa vào đó sử dụng công nghệ tác động vào để xử lý. Cánh đồng tưới Nước thải Bể lắng cát Các bể lắng Song chắn rác Bãi lọc sinh học Hồ sinh học Loại các chất bẩn không hòa tan GVHD: Th.S. Trịnh Thị Lan Anh SVTH: Nguyễn Duy Trình 35 Việc xử lý nước thải này được thực hiện bằng các công trình như: bể Arotenk, bể UASB, bể RBC,… Diễn biến của quá trình như sau: Nước thải sau khi qua song chắn rác vào bể lắng cát và sau đó vào các bể lắng để loại các chất bẩn không hòa tan rồi được dẫn chảy qua các công trình. Sau đó được xử lý và thải ra ngoài . Hình 4.2. Sơ đồ quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học trong điều kiện công nghệ Tuy nhiên xử lý theo phương pháp sinh học trong điều kiện tự nhiên có những mặt hạn chế so với xử lý bằng công nghệ. Bảng 4.1. So sánh phương pháp xử lý sinh học trong điều kiện tự nhiên và điều kiện công nghệ Tiêu chí Tự nhiên Công nghệ Diện tích Chiếm diện tích lớn Chiếm ít diện tích Khả năng kiểm soát Không kiểm soát được diều kiện môi trường, hoạt động của vi sinh vật Dễ dàng kiểm soát được diều kiện môi trường, hoạt động của vi sinh vật Nước thải Song chắn rác Bể UASB Bể RBC Bể lọc sinh học Loại các chất bẩn không hòa tan Bể lắng cát Các bể lắng Bể aerotank Thải ra ngoài GVHD: Th.S. Trịnh Thị Lan Anh SVTH: Nguyễn Duy Trình 36 Hiệu quả xử lý Thời gian xử lý chậm Thời gian xử lý nhanh hơn Phạm vi ứng dụng Phương pháp xử lý này thường được áp dụng đối với các loại nước thải công nghiệp có độ nhiễm bẩn không cao. Phương pháp xử lý này thường được áp dụng đối với các loại nước thải công nghiệp có độ nhiễm chất hữu cơ cao 4.2.3. Xử lý nước thải thủy sản bằng phương pháp hoá lý Cơ sở của phương pháp này là sử dụng các yếu tố vật lý: lắng, lọc,… và hoá học: keo tụ,tạo bông để xử lý. Việc xử lý nước thải này được thực hiện bằng các phương pháp : ¨ Phương pháp lắng và đông tụ: Loại bỏ các chất rắn và huyền phù ¨ Phương pháp hấp phụ: Hấp phụ các chất hữu cơ và vô cơ trên vật liệu hấp phụ ¨ Phương pháp trung hoà acid hoặc kiềm ¨ Phương pháp diệt khuẩn bằng hoá chất. 4.2.4. Xử lý nước thải thủy sản bằng phương pháp sinh học Cơ sở của phương pháp này là chủ yếu dựa trên cơ sở hoạt động sống của vi sinh vật có trong nước thải. Chất hữu cơ sẽ được hấp thụ vào tế bào của vi sinh vật. Từ cơ sở này chúng ta có các phương pháp xử lý sinh học: ¨ Các phương pháp hiếu khí. ¨ Các phương pháp kị khí. GVHD: Th.S. Trịnh Thị Lan Anh SVTH: Nguyễn Duy Trình 37 Bảng 4.2. So sánh phương pháp xử lý sinh học trong điều kiện tự nhiên và điều kiện công nghệ Tiêu chí Phương pháp hoá lý Phương pháp sinh học Phạm vi ứng dụng - Rất hiệu quả đối với nước thải có hàm lượng chất hữu cơ thấp - Thích hợp đối với nước thải có các chất rắn và huyền phù cao - Thích hợp đối với nước thải có hàm lượng vô cơ và nước thải có nồng độ axít hoặc kiềm. - Không xử lý được triệt để các chất hữu cơ. - Phân huỷ sinh học các chất ô nhiễm đã được hấp thụ, không sinh thêm ra các chất ô nhiễm. - Thích hợp với các chất ô nhiễm dễ hoà tan trong nước - Hiệu quả xử lý cao đối với các chất ô nhiễm dễ phân hủy sinh học - Quá trình xảy ra ở nhiệt độ thường và an toàn. Vốn đầu tư - Vốn đầu tư ban đầu và chi phí vận hành cao hơn các phương pháp khác - Vốn đầu tư ban đầu và chi phí vận hành thấp. Nhược điểm - Lượng năng lượng cần thiết thấp. - Việc tắc nghẽn có thể gây hiệu quả lớn đến hiệu quả xử lý - Sinh khối sinh ra phải được thải bỏ - Có thể gây ăn mòn thiết bị đường ống. Nhận xét: ™ Các phương pháp xử lý sinh học được sử dụng nhiều với hiệu quả cao, đặc biệt là đối với nước thải có chứa nhiều chất hữu cơ dễ bị phân hủy. Nhưng ít hiệu quả với nước thải công nghiệp có chứa các chất vô cơ độc hại (kim loại nặng, acid, kiềm) hoặc các chất hữu cơ bền vững (các chlobenzen, phenol…). Trong các trường hợp này cần kết hợp phương pháp xử lý sinh học với các phương pháp xử lý hoá lý. GVHD: Th.S. Trịnh Thị Lan Anh SVTH: Nguyễn Duy Trình 38 4.3 .Các vi sinh vật phân giải protein Bảng 4.3. Một số chủng vi sinh vật có khả năng sinh protease Vi sinh vật pH tối thích pH ổn định Loại protease A.flavus 8.5-10 5-10 Kiềm A.oryzae 3 2.5-6 Acid Kiềm Carboxypeptidase Mucor 4 3-8 Acid Rhizopus 2.9-3.3 2.8-6.5 Acid Streptomyces 10 7-11 Aminopeptidedase Bacillus subtilis 10.3-10.8 5-11 Kiềm (Trích: [10]. Vi sinh vật học- Nguyễn Lân Dũng và cộng sự,Nhà Xuất Bản Giáo Dục) 4.3.1. Basillus subtilis Giới (regnum) : Bacteria Ngành (phylum) : Firmicutes Lớp (class) : Bacilli Bộ (ordo) : Bacillales Họ (familia) : Bacillaceae Chi (genus) : Bacills Loài (species) : Bacillus subtilis Hình 4.3. Bacillus subtilis GVHD: Th.S. Trịnh Thị Lan Anh SVTH: Nguyễn Duy Trình 39 ¾ Bacillus subtilis là trực khuẩn nhỏ, đầu tròn, không kết thành chuỗi,bắt màu tím. Là vi khuẩn Gram dương, có khả năng di động. ¾ Có khả năng phân hủy protein, lipid: nhờ có khả năng tiết enzyme protease và lipase. ¾ Là vi khuẩn hiếu khí, thuộc nhóm vi sinh vật dị dưỡng, có khả năng sinh bào tử. ¾ Nhiệt độ tối thích cho sinh trưởng là 36 – 500C, tối đa khoảng 600C, PH 7 – 7,4. 4.3.2. Basillus cereus Giới (regnum) : Bacteria Ngành (phylum) : Firmicutes Lớp (class) : Bacilli Bộ (ordo) : Bacillales Họ (familia) : Bacillaceae Chi (genus) : Bacillus Loài (species) : Bacillus cereus Hình 4.4. Basillus cereus ¾ Bacillus cereus là trực khuẩn nhỏ, hình que, vi khuẩn tán huyết beta. ¾ Là vi khuẩn Gram dương,có khả năng di động. ¾ Có khả năng phân giải protein, cellulose và tinh bột nhờ có khả năng tiết enzyme protease, glucosase và cellulase. ¾ Là vi khuẩn kị khí tuỳ nghi, thuộc nhóm vi sinh vật dị dưỡng. GVHD: Th.S. Trịnh Thị Lan Anh SVTH: Nguyễn Duy Trình 40 ¾ Có khả năng sinh bào tử. 4.3.3. Alcaligenes Giới (regnum) : Bacteria Ngành (phylum) : Proteobacteria Lớp (class) : Beta Proteobacteria Bộ (ordo) : Burkholderiales Họ (familia) : Alcaligenaceae Chi (genus) : Alcaligenes Hình 4.5. Alcaligenes ¾ Alcaligenes là một loại vi khuẩn nhỏ, hình que. ¾ Là vi khuẩn Gram âm, có khả năng sinh bào tử. ¾ Là vi khuẩn kị khí, thuộc nhóm vi sinh vật dị dưỡng ¾ Có khả năng tiết enzyme protease, lipase và enzyme cellulase để phân giải protein, lipid và cellulose. 4.3.4. Staphylococcus Giới (regnum) : Bacteria Ngành (phylum) : Firmicutes Lớp (class) : Bacilli Bộ (ordo) : Bacillales Họ (familia) : Staphylococcaceae Chi (genus) : Staphylococcus GVHD: Th.S. Trịnh Thị Lan Anh SVTH: Nguyễn Duy Trình 41 Hình 4.6. Staphylococcus ¾ Staphylococcus tụ cầu khuẩn sắp xếp theo mọi hướng và thường tạo thành cụm (tụ) trông giống như chùm nho. ¾ Là các cầu khuẩn Gram dương, không sinh bào tử. ¾ Là vi sinh vật kị khí, thuộc nhóm vi sinh vật dị dưỡng. ¾ Có khả năng phân giải protein, tinh bột nhờ có khả năng tiết enzyme protease và glucosase. 4.3.5. Aspecgillus flavus Giới (regnum) : Bacteria Ngành (phylum) : Ascomycota Lớp (class) : Eurotiomycetes Bộ (ordo) : Eurotiales Họ (familia) : Trichocomaceae Chi (genus) : Aspergillus Loài (species) : Aspergillus flavus Hình 4.7. Aspergillus flavus GVHD: Th.S. Trịnh Thị Lan Anh SVTH: Nguyễn Duy Trình 42 ¾ Aspergillus flavus là một loai nấm mốc nhỏ, hình que. ¾ Là vi khuẩn Gram dương, có khả năng sinh bào tử. ¾ Là vi sinh vật kị khí,thuộc nhóm vi sinh vật dị dưỡng. ¾ Có khả năng tiết enzyme protease và glucosase để phân giải protein và tinh bột. 4.3.6. Aspergillus oryzae Giới (regnum) : Fungi Ngành (phylum) : Ascomycota Lớp (class) : Eurotiomycetes Bộ (ordo) : Eurotiales Họ (familia) : Trichocomaceae Chi (genus) : Aspergillus Loài (species) : Aspergillus oryzae Hình 4.8. Aspergillus oryzae ¾ Aspergillus oryzae là một loại nấm nhỏ hình que ¾ Là vi khuẩn Gram dương, có khả năng sinh bào tử. ¾ Thuộc nhóm vi sinh vật dị dưỡng ¾ Nấm sợi Aspergillus oryzae lại có hoạt tính cao về các enzyme amylase và proteinase nên có khả năng phân hủy protein và tinh bột cao. 4.3.7. Rhizopus Giới (regnum) : Fungi Ngành (phylum) : Ascomycota GVHD: Th.S. Trịnh Thị Lan Anh SVTH: Nguyễn Duy Trình 43 Lớp (class) : Zygomycetes Bộ (ordo) : Mucorales Họ (familia) : Mucoraceae Chi (genus) : Rhizopus Hình 4.9. Rhizopus ¾ Rhizopus là một loại nấm nhỏ dạng sợi. ¾ Là vi khuẩn Gram dương, có khả năng sinh bào tử. ¾ Là vi sinh vật kị khí,thuộc nhóm vi sinh vật dị dưỡng. ¾ Nấm sợi có hoạt tính cao về enzyme proteinase nên có khả năng phân hủy protein cao. 4.3.8. Flavobacterium Giới (regnum) : Bacteria Ngành (phylum) : Bacteroidetes Lớp(class) : Flavobacteria Bộ (ordo) : Flavobacteriales Họ (familia) : Flavobacteriaceae Chi(genus) : Flavobacterium GVHD: Th.S. Trịnh Thị Lan Anh SVTH: Nguyễn Duy Trình 44 Hình 4.10. Flavobacterium ¾ Flavobacterium là một loại vi khuẩn hình que, không di động ¾ Là vi khuẩn Gram âm, có khả năng sinh bào tử. ¾ Là vi sinh vật kị khí tùy tiện, thuộc nhóm vi inh vật dị dưỡng. ¾ Có khả năng phân hủy tinh bột và protein cao nhờ có khả năng tiết enzyme amylase và protease có hoạt độ cao. 4.3.9. Streptomyces Giới (regnum) : Bacteria Ngành (phylum) : Actinobacteria Bộ (ordo) : Actinomycetales Họ (familia) : Streptomycetaceae Chi (genus) : Streptomyces Hình 4.11. Treptomyces GVHD: Th.S. Trịnh Thị Lan Anh SVTH: Nguyễn Duy Trình 45 ¾ Treptomyces là một loại vi khuẩn dang sợi ¾ Là vi khuẩn Gram dương, có khả năng sinh bào tử. ¾ Là vi sinh vật kị khí, thuộc nhóm vi sinh vật dị dưỡng ¾ Phân hủy tốt protein, lipid nhờ có hệ enzyme protease, lipase có hoạt tính cao. 4.3.10. Micrococcus Giới (regnum) : Bacteria Ngành(phylum) : Ascomycota Lớp (class) : Actinobacteria Bộ (ordo) : Actinomycetales Họ(familia) : Micrococcaceae Chi(genus) : Micrococcus Hình 4.12. Micrococcus ¾ Có hình cầu hay hình bầu dục. ¾ Là cầu khuẩn Gram dương, không di động. ¾ Là vi sinh vật hiếu khí. ¾ Thuộc nhóm vi sinh vật dị dưỡng. ¾ Có khả năng tiết enzyme protease, lipase và amylase để phân hủy cơ chất cao 4.3.11. Clostridium Giới (regnum) : Bacteria GVHD: Th.S. Trịnh Thị Lan Anh SVTH: Nguyễn Duy Trình 46 Ngành (phylum) : Firmicutes Lớp (class) : Clostridia Bộ (ordo) : Clostridiales Họ(familia) : Clostridiaceae Chi (genus) : Clostridium Hình 4.13. Clostridium ¾ Clostridium là một giống trực khuẩn, hình que. ¾ Là trực khuẩn Gram dương. ¾ Có khả năng sinh bào tử ¾ Là vi sinh vật kị khí ¾ Thuộc nhóm vi sinh vật dị dưỡng. ¾ Có khả năng tiết enzyme Protease 4.3.12. Bifidobacterium Giới (regnum) : Bacteria Ngành (phylum) : Actinobacteria Lớp (class) : Actinobacteria Bộ (ordo) : Bifidobacteriales Họ (familia) : Bifidobacteriaceae Chi (genus) : Bifidobacterium GVHD: Th.S. Trịnh Thị Lan Anh SVTH: Nguyễn Duy Trình 47 Hình 4.14. Bifidobacterium ¾ Bifidobacterium là vi khuẩn có dạng hình que. ¾ Là vi khuẩn Gram dương ¾ Không có thể di động. ¾ Là vi sinh vật kị khí ¾ Thuộc vi sinh vật dị dưỡng ¾ Có khả năng phân giải protein nhờ có hệ enzyme 4.3.13. Penicillium camemberti Giới (regnum) : Fungi Ngành (phylum) : Ascomycota Lớp (class) : Eurotiomycetes Bộ (ordo) : Eurotiales Họ (familia) : Trichocomaceae Chi (genus) : Penicillium Loài (species) : Penicillium camemberti [ GVHD: Th.S. Trịnh Thị Lan Anh SVTH: Nguyễn Duy Trình 48 Hình 4.15. Penicillium camemberti ¾ Penicillium camemberti là một loài nấm có dạng sợi. ¾ Là vi sinh vật Gram dương. ¾ Có khả năng sinh bào tử. ¾ Là vi sinh vật hiếu khí. ¾ Thuộc vi sinh vật dị dưỡng. ¾ Có khả năng phân giải protein nhờ hệ enzyme protease. 4.3.14. Mucor Giới (regnum) : Fungi Ngành (phylum) : Zygomycota Lớp (class) : Zygomycetes Bộ (ordo) : Mucorales Họ (familia) : Mucoraceae Chi (genus) : Mucor Hình 4.16. Mucor ¾ Mucor là một loại nấm có dạng hình sợi. ¾ Là vi sinh vật Gram dương. ¾ Có khả năng sinh bào tử. ¾ Là vi sinh vật hiếu khí. ¾ Thuộc vi sinh vật dị dưỡng. GVHD: Th.S. Trịnh Thị Lan Anh SVTH: Nguyễn Duy Trình 49 ¾ Có khả năng phân hủy protein và tinh bột nhờ có hệ enzyme protease và amylase. 4.3.15. Pseudomonas Giới (regnum) : Bacteria Ngành (phylum) : Proteobacteria Lớp (class) : Gamma Proteobacteria Bộ (ordo) : Pseudomonadales Họ (familia) : Pseudomonadaceae Chi (genus) : Pseudomonas Hình 4.17. Pseudomonas ¾ Pseudomonas là trực khuẩn, có dạng hình que. ¾ Là trực khuẩn Gram âm,có khả năng di động. ¾ Là vi sinh vật hiếu khí. ¾ Thuộc nhóm vi sinh vật dị dưỡng. ¾ Có khả năng phân giải protein, lipide, tinh bột nhờ hệ enzyme protease,lipase và amylase. 4.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động phân giải protein 4.4.1. Yếu tố oxy Đối với vi sinh vật hiếu khí: điều kiện đầu tiên là phải đảm bảo cung cấp đủ lượng oxy một cách liên tục và sao cho lượng oxy hoà tan trong nước không nhỏ hơn 2 mg/l. GVHD: Th.S. Trịnh Thị Lan Anh SVTH: Nguyễn Duy Trình 50 Đối với vi sinh vật kị khí: hông cần cung cấp oxy do trong xử lý yếm khí nước thải, oxy được coi là độc tố đối với vi sinh vật thuộc nhóm này. Do đó lý tưởng nhất là tạo được điều kiện kị khí tuyệt đối. 4.4.2. Nồng độ cho phép các chất bẩn hữu cơ Có nhiều chất bẩn trong nước thải sản xuất ở mức độ nhất định nào đó sẽ phá huỷ chế độ hoạt động,khả năng sống bình thường của vi sinh vật. Các chất độc hại đó thường có tác dụng làm huỷ hoại thành phần cấu tạo của tế bào. 4.4.3. Các nguyên tố dinh dưỡng Nồng độ các nguyên tố đa lượng cần thiết để các quá trình sinh hoá diễn ra bình thường không được thấp hơn giá trị nêu trong bảng sau. Bảng 4.4. Nồng độ các nguyên tố đa lượng cần thiết Nồng độ Nitrogen trong muối ammonium, mg/l Nồng độ phosphore theo P2O5, mg/l 15 25 3 8 Ngoài các nguyên tố đa lượng chủ yếu ở trên còn cần có các nguyên tố vi lượng K, Mg, Ca, S, Fe...,những nguyên tố này thường có đủ trong nước thải nên không phải bổ sung thêm thêm. Khi các nguyên tố ở dạng các hợp chất giống như những hợp chất trong tế bào thì dễ hấp thụ vào vi sinh vật. Ví dụ, Nitrogen của các chất trong tế bào ở dạng khử (NH+4 );phosphore ở trạng thái oxy hoá (H3PO4), những chất này là chất dinh dưỡng tốt nhất với vi sinh vật. Thiếu các nguyên tố dinh dưỡng sẽ kìm hãm và ngăn cản các quá trình oxy hoá sinh hoá. Yêu cầu về lượng các nguyên tố dinh dưỡng không cố định, bởi và sự phát triển vi sinh vật khi oxy hoá các chất khác nhau sẽ không đều nhau. GVHD: Th.S. Trịnh Thị Lan Anh SVTH: Nguyễn Duy Trình 51 4.4.4. Nồng độ cho phép của các chất độc Trong nước thải, hàm lượng muối của các kim loại nặng và các chất độc không được vượt quá nồng độ giới hạn cho phép. Nồng độ cho phép của một số chất khi xử lý bằng phương pháp sinh hoá ở bảng sau: Bảng 4.5. Nồng độ cho phép của một số chất độc đối với tế bào vi sinh vật. Tên chất Ccp Tên chất Ccp Acid acrylic 100 Keroxin (dầu lửa 500 Rượu anilic 3 Crezol 100 Anilin 100 Lactonitryl 160 Acetaldehide 750 Mỡ bôi trơn 100 Acid benzoic 150 Acid butyric 500 Benzen 100 Đồng (ion) 0,4 Vanadi (ion) 5 Metacrylamit 300 Vinyl acetate 250 Ethanol 200 Vinilinden chlorur 1000 Acid monochloaxetic 100 Hydroquinon 15 Axen (ion) 0,2 Dimetylformamit 100 Nekal 100 Di.2.etylhexin Sản phẩm dầu 100 Phenylphosphate 100 Piridin 1 Acid dichloacetic 100 Pirocatesin 10 Dichloacetic 12 Tributylphosphate 400 Dichloroxy chlohexan 100 Trietylamin 100 Dietylenglycol 300 Trinitrotoluen 100 Caprolactan 100 Triphenylphosphate 85 Rezorxin 100 Ammonium acetat carbonate 12 Ammonium 500 Formandehide 160 GVHD: Th.S. Trịnh Thị Lan Anh SVTH: Nguyễn Duy Trình 52 rodanuar Chì (ion) 1 Phenol 1000 Acid stearic 10 Chlobenzent 10 (Trích [4]. Hoàng Huệ. Xử lý nước thải. NXBXD, 1996) 4.4.5. Ảnh hưởng của pH Giá trị pH ảnh hưởng rất lớn đến quá trình tạo enzyme trong tế bào và quá trình hấp thụ các chất dinh dưỡng vào tế bào. Đối với đa số vi sinh vật khoảng giá trị pH tối ưu từ 6,5 – 8,5. 4.4.6. Ảnh hưởng của nhiệt độ Nhiệt độ nước thải cũng ảnh hưởng rất lớn đến chức năng hoạt động của vi sinh vật. Đối với đa số vi sinh vật, nhiệt độ nước thải trong các công trình xử lý không dưới 60 C và không quá 37o C. 4.4.7. Ảnh hưởng nồng độ của muối vô cơ Nồng độ của muối vô cơ trong nước không quá 10 g/l. Lượng các chất lơ lửng chảy vào các công trình không quá 100 mg/l khi dùng bể lọc sinh học và 150 mg/l khi dùng bể aeroten.Ngoài ra các cấu trúc của chất bẩn và các loại vi sinh vật là những yếu tố rất quan trọng quyết định tốc độ của quá trình oxy hoá sinh hoá. 4.5. Tính ưu việt của enzyme protease vi sinh vật Tính đặc hiệu của protease phụ thuộc vào bản chất của liên kết peptide và bản chất của những nhóm hóa học ở cạnh liên kết đó. Protease vi sinh vật có hoạt tính rất mạnh và tính đặc hiệu rộng. Chúng có khả năng phân hủy đến 80% các liên kết peptide có trong phân tử protein. Protease không chỉ phá hủy nhanh chóng và hoàn toàn các liên kết peptide mà có khả năng phá hủy chậm một số liên kết không đặc trưng khác. Enzyme từ vi sinh vật có nhiều điểm ưu việt hơn so với các enzyme từ thực vật và động vật bởi những lý do sau: GVHD: Th.S. Trịnh Thị Lan Anh SVTH: Nguyễn Duy Trình 53 ¾ Hoạt tính enzyme vi sinh vật cao. ¾ Vi sinh vật sinh sản, phát triển và tổng hợp enzyme với tốc độ cực kỳ cao và nhanh từ những môi trường đơn giản,dễ dàng phân lập trong tự nhiên. ¾ Vi sinh vật ảnh hưởng lớn của thành phần môi trường dinh dưỡng, tác nhân lý hóa cơ học có thể tạo ra những đột biến có tính đặc hiệu cao. ¾ Các protease có thể hoạt động trong dãy pH hẹp từ 5-8. GVHD: Th.S. Trịnh Thị Lan Anh SVTH: Nguyễn Duy Trình 54 CHƯƠNG 5: ỨNG DỤNG VI SINH VẬT PHÂN GIẢI PROTEIN VÀO CÁC CÔNG TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI THỦY SẢN 5.1. Công trình có bể lọc sinh học 5.1.1. Quy trình xử lý của bể lọc sinh học 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 bể lắng 2. Nước vào lắng 2 có thể kéo theo các mảnh vỡ của màng sinh học bị tróc ra khi lọc sinh học làm việc. Trong thực tế, một phần nước đã qua bể lắng 2 quay trở lại làm nước pha loãng cho các loại nước thải đậm đặc trước khi vào bể lọc và giữ nhiệt cho màng sinh học làm việc. Nước sạch Hình 5.1. Sơ đồ lọc sinh học trong hệ thống xử lý nước thải 5.1.2. Quá trình xử lý sinh học Về nguyên lý, phương pháp lọc sinh học là dựa trên quá trình hoạt động của vi sinh vật ở màng sinh học, oxy hoá các chất bẩn hữu cơ có trong nước. Các màng sinh học, là tập hợp các vi sinh vật (chủ yếu là các vi khuẩn) hiếu khí, kị khí và kị khí tuỳ nghi. Các vi sinh vật hiếu khí tập trung ở phần lớn ngoài của màng sinh học. Ở đây chúng phát triển và gắn với giá mang là các vật liệu lọc. Nước tuần hoàn Nước thải Bể lắng sơ cấp Bể lọc sinh học Bể lắng thứ cấp GVHD: Th.S. Trịnh Thị Lan Anh SVTH: Nguyễn Duy Trình 55 Chất hữu cơ nhiễm bẩn trong nước thải bị oxy hoá bởi quần thể vi sinh vật ở màng sinh học. Màng này thường dày khoảng 0,1 – 0,4 mm. Các chất hữu cơ trước hết bị phân huỷ bởi vi sinh vật hiếu khí. Sau khi thấm sâu vào màng, nước hết oxy hoà tan sẽ chuyển sang phân huỷ bởi vi sinh vật kị khí. Khi các chất hữu cơ có 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 "tróc màng". Sau đó lớp màng mới lại xuất hiện. Hình 5.2. Thành phần theo chiều ngang của màng sinh học sinh trưởng dính bám ÏQuá trình xử lý sinh học hiếu khí Oxy hóa các chất hữu cơ. Chất hữu cơ + O2 Enzyme CO2 + H2O + ÌH Tổng hợp tế bào mới Chất hữu cơ + NH3 + O2 Enzyme CO2 + H2O + C5H7NO2 - ÌH Phân hủy nội bào C5H7NO2 + 5O2 Enzyme 5CO2 + 2H2O + NH3 +/- ÌH ÏQuá trình xử lý sinh học kị khí Quá trình phân hủy kị khí các chất hữu cơ là quá trình sinh hóa phức tạp tạo ra hàng trăm sản phẩm trung gian và qua rất nhiều phản ứng trung gian. Chất hữu cơ Enzme CH4 + CO2 + H2 + NH3 +H2S + Tế bào mới Quá trình kị khí xảy ra theo 4 giai đoạn: GVHD: Th.S. Trịnh Thị Lan Anh SVTH: Nguyễn Duy Trình 56 ¾ Giai đoạn 1: thủy phân,cắt mạch các hợp chất cao phân tử ¾ Giai đoạn 2: acid hóa ¾ Giai đoạn 3: acetate hóa ¾ Giai đoạn 4: methane hóa 5.1.3. Ưu – nhược điểm 5.1.3.1. Ưu điểm + Giảm việc trông coi. + Tiết kiệm năng lượng, không khí được cấp trong hầu hết thời gian lọc làm việc bằng cách lưu thông tự nhiện từ thông gió đi vào qua lớp vật liệu lọc. 5.1.3.2. Nhược điểm + Hiệu suất làm sạch nhỏ hơn với cùng một tải trọng khối. + Dễ bị tắc nghẽn. + Rất nhạy cảm với nhiệt độ. + Không khống chế được quá trình thông khí, dễ bốc mùi. + Chiều cao hạn chế. + Bùn dư không ổn định. + Vì khối lượng vật liệu tương đối nặng, nên giá thành xây dựng cao. 5.2. Công trình có bể aerotank 5.2.1. Quy trình xử lý của bể aerotank Nước thải đầu tiên đi qua chắn rác để loại bỏ các chất rắn lớn có trong nước, sau đó đưa vào lắng sơ bộ để lắng các chất rắn không tan và một phần các chất rắn lơ lửng, sau đó được đưa vào bể aerotank. Sau bể aerotank là bể lắng bổ sung và nước đã được xử lý sẽ đưa ra nguồn tiếp nhận. GVHD: Th.S. Trịnh Thị Lan Anh SVTH: Nguyễn Duy Trình 57 Hình 5.3. Sơ đồ bể aerotank trong hệ thống xử lý nước thải 5.2.2. Quá trình xử lý sinh học Nguyên lý của bể là tạo điều kiện hiếu khí cho quần thể vi sinh vật có trong nước thải phát triển tạo thành bùn hoạt tính. Vi sinh trong bể aeroten sẽ được bổ sung nhờ bùn hoạt tính ở ngăn lắng và được cung cấp chất dinh dưỡng tạo điều kiện cho vi sinh phát triển. Chất hữu cơ nhiễm bẩn trong nước thải bị oxy hoá bởi quần thể vi sinh vật ở trong bùn hoạt tính. Các vi sinh vật này sẽ phân huỷ các chất hữu cơ thành sản phẩm cuối cùng là CO2, và H2O làm giảm nồng độ trong nước thải. Quá trình diễn ra như sau: ÏQuá trình xử lý sinh học hiếu khí. Oxy hóa các chất hữu cơ. Chất hữu cơ + O2 Enzyme CO2 + H2O + ÌH Tổng hợp tế bào mới Chất hữu cơ + NH3 + O2 Enzyme CO2 + H2O + C5H7NO2 - ÌH Phân hủy nội bào C5H7NO2 + 5O2 Enzyme 5CO2 + 2H2O + NH3 +/- ÌH 5.2.3. Ưu – nhược điểm 5.2.3.1. Ưu điểm + Công nghệ có thể xử lý được các loại nước thải có nồng độ ô nhiễm cao với giá rẻ. Nước tuần hoàn Nước thải Nước sạch Bể lắng sơ cấp Bể aerotank Bể lắng sơ cấp GVHD: Th.S. Trịnh Thị Lan Anh SVTH: Nguyễn Duy Trình 58 + Hệ thống được điều khiển tự động, tránh cho công nhân có thể tiếp xúc trực tiếp với nước thải độc hại. +Không phát sinh mùi. + Chi phí vận hành, xử lý thấp. 5.2.3.2. Nhược điểm + Cần cung cấp không khí hoặc khuấy đảo liên tục, nếu không các hạt bùn sẽ kết lại thành khối và lắng xuống đáy. 5.3. Công trình có bể RBC 5.3.1. Quy trình xử lý của bể RBC Sau khi đi qua các công trình như song chắn rác, bể điều hòa, bể lắng sơ cấp để loại bỏ các chất rắn lớn, các chất rắn lơ lửng và ổn định pH của nước thải. Sau đó nước thải sẽ được sẽ được đưa vào bể RBC. Sau bể RBC là bể lắng bổ sung và nước đã được xử lý sẽ đưa ra nguồn tiếp nhận. Nước tuần hoàn Hình 5.4. Quy trình xử lý cho bể RBC 5.3.2. Quá trình xử lý sinh học Khi quay, màng sinh học tiếp xúc với chất hữu cơ trong nước thải và sau đó tiếp xúc với oxy khi ra khỏi nước thải. Đĩa quay được nhờ môtơ hoặc sức gió. Nhờ quay liên tục mà màng sinh học vừa tiếp xúc được với không khí vừa tiếp xúc được với chất hữu cơ trong nước thải. Bể lắng sơ cấp Bể RBC Bể lắng thứ cấp Nước thải Nước sạch GVHD: Th.S. Trịnh Thị Lan Anh SVTH: Nguyễn Duy Trình 59 Vi sinh vật trong màng bám dính trên các đĩa quay gồm các vi khuẩn kỵ khí tùy tiện như Pseudomonas, Alcaligenes, Flavobacterium, Micrococcus, các vi sinh vật hiếu khí như Baccillus thì thường ở lớp trên của màng. Khi kém khí hoặc yếm khí thì tạo thành lớp màng vi sinh vật mỏng và gồm các chủng vi sinh vật yếm khí như Desulfovibrio và một số vi khuẩn sulfua. Trong điều kiện yếm khí, vi sinh vật thường tạo mùi khó chịu. Nấm và các vi sinh vật hiếu khí phát triển ở lớp màng trên, và cùng tham gia vào quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ. Quá trình diễn ra như sau: ÏQuá trình xử lý sinh học hiếu khí. Oxy hóa các chất hữu cơ. Chất hữu cơ + O2 Enzyme CO2 + H2O + ÌH Tổng hợp tế bào mới Chất hữu cơ + NH3 + O2 Enzyme CO2 + H2O + C5H7NO2 - ÌH Phân hủy nội bào C5H7NO2 + 5O2 Enzyme 5CO2 + 2H2O + NH3 +/- ÌH ÏQuá trình xử lý sinh học kị khí Quá trình phân hủy kị khí các chất hữu cơ là quá trình sinh hóa phức tạp tạo ra hàng trăm sản phẩm trung gian và qua rất nhiều phản ứng trung gian. Chất hữu cơ Enzme CH4 + CO2 + H2 + NH3 +H2S + Tế bào mới Quá trình kị khí xảy ra theo 4 giai đoạn: ¾ Giai đoạn 1: thủy phân,cắt mạch các hợp chất cao phân tử ¾ Giai đoạn 2: acid hóa ¾ Giai đoạn 3: acetate hóa ¾ Giai đoạn 4: methane hóa GVHD: Th.S. Trịnh Thị Lan Anh SVTH: Nguyễn Duy Trình 60 5.3.3. Ưu – nhược điểm 5.3.3.1. Ưu điểm + Đĩa quay là một cơ chế để tách chất rắn dư khỏi bề mặt các đĩa nhờ lực xoáy – xoắn do nó tạo ra,đồng thời vẫn giữ được chất rắn đã bị tróc màng. + Không cần phải sục khí + Dễ vận hành 5.3.3.2. Nhược điểm + Giá thành lắp ráp cao + Cần thời gian để vi sinh vật dính bám khi bắt đầu vận hành. 5.4. Công trình có bể UASB 5.4.1. Quy trình xử lý của bể USB Nước thải từ hệ thống thoát nước của nhà máy chảy đến bể tiếp nhận có lắp đặt song chắn rác thô nhằm loại bỏ cặn thô. Nước thải tiếp tục được đưa vào bể điều hòa với hệ thống khuấy trộn chìm để điều hòa lưu lượng và nồng độ nước thải, giúp làm giảm kích thước, tạo chế độ làm việc ổn định cho các công trình phía sau, tránh hiện tượng quá tải. Nước thải sau bể điều hòa sẽ được tiếp tục được bơm qua bể điều chỉnh pH nhằm ổn định pH trước khi nước thải qua quá trình xử lý sinh học. Sau đó đưa vào lắng sơ bộ để lắng các chất rắn không tan và một phần các chất rắn lơ lửng, sau đó được đưa vào bể UASB. Sau khi được xử lý sinh học, nước thải sẽ được thải ra nguồn tiếp nhận. Nước tuần hoàn Hình 5.5. Quy trình xử lý cho bể UASB Bể lắng sơ cấp Bể UASB Bể lắng thứ cấp Nước thải Nước sạch GVHD: Th.S. Trịnh Thị Lan Anh SVTH: Nguyễn Duy Trình 61 5.4.2. Quá trình xử lý sinh học Trong bể UASB xảy ra quá trình phân huỷ các chất hữu cơ hòa tan và dạng keo trong nước thải với sự tham gia của các vi sinh vật yếm khí. Nước thải được nạp vào hầm ủ từ đáy hầm, nó đi xuyên qua lớp thảm bùn rồi đi lên trên và ra ngoài. Các chất rắn trong nước thải được tách ra bởi thiết bị tách chất khí và chất rắn trong hầm. Các chất rắn sẽ lắng xuống lớp thảm bùn do đó nó có thời gian lưu trử trong hầm cao và hàm lượng chất rắn trong hầm tăng. Lúc hầm ủ mới bắt đầu hoạt động khả năng lắng của các chất rắn rất thấp nhưng khi nó đã được tích trữ nhiều và tạo thành các hạt bùn thì khả năng lắng tăng lên và sẽ góp phần giữ lại các VSV hoạt động. Khoảng 80 ÷ 90% quá trình phân hủy diễn ra ở thảm bùn này.Vi sinh vật yếm khí sẽ hấp thụ các chất hữu cơ hoà tan có trong nước thải, phân huỷ và chuyển hoá chúng thành khí (khoảng 70 – 80% là metan, 20 – 30% là carbonic). Bọt khí sinh ra bám vào hạt bùn cặn, nổi lên trên làm xáo trộn và gây ra dòng tuần hoàn cục bộ trong lớp cặn lơ lửng. Hiệu quả khử BOD và COD có thể đạt 70 - 90%. Quá trình diễn ra như sau: ÏQuá trình xử lý sinh học kị khí Quá trình phân hủy kị khí các chất hữu cơ là quá trình sinh hóa phức tạp tạo ra hàng trăm sản phẩm trung gian và qua rất nhiều phản ứng trung gian. Chất hữu cơ Enzme CH4 + CO2 + H2 + NH3 +H2S + Tế bào mới Quá trình kị khí xảy ra theo 4 giai đoạn: ¾ Giai đoạn 1: thủy phân,cắt mạch các hợp chất cao phân tử ¾ Giai đoạn 2: acid hóa ¾ Giai đoạn 3: acetate hóa ¾ Giai đoạn 4: methane hóa 5.4.3. Ưu – nhược điểm 5.4.3.1. Ưu điểm + Ít tiêu tốn năng lượng vận hành + Ít bùn dư nên giảm chi phí xử lý bùn + Bùn sinh ra dễ tách nước GVHD: Th.S. Trịnh Thị Lan Anh SVTH: Nguyễn Duy Trình 62 + Nhu cầu dinh dưỡng thấp nên giảm chi phí bổ sung dinh dưỡng + Có khẳ năng thu hồi năng lượng từ khí methane + Có khả năng hoạt động theo mùa vì bùn kị khí có thể hoạt động được sau một thời gian ngưng không nạp liệu. 5.4.3.2. Khuyết điểm + Giai đoạn khởi động kéo dài + Dễ bị sốc tải khi chất lượng nước vào biến động + Bị ảnh hưởng bởi các chất độc hại  Nhận xét: Trong công nghệ xử lý nước thải, đặc biệt là nước thải thủy sản nếu như áp dụng đơn lẻ chỉ phương pháp hiếu khí hay kị khí thì hiệu quả xử lý không cao. Cho nên để đạt hiệu quả xử lý cao cần phải kết hợp 2 phương pháp hiếu khí và kị khí trong 1 công trình xử lý. GVHD: Th.S. Trịnh Thị Lan Anh SVTH: Nguyễn Duy Trình 63 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 6.1. Kết luận Từ các kết quả tham khảo những đề tài, tài liệu mang tính thiết thực, qua đề tài “một số vi sinh vật phân giải protein và ứng dụng trong xử lý nước thải thủy sản “rút ra một số kết luận sau: 9 Thấy được tình hình phát triển của nghành chế biến và nuôi trồng thủy sản ở nước ta. Đồng hành với sự phát triển đó là vấn đề ô nhiễm môi trường cần phải được xử lý trước khi thải ra môi trường. 9 Thành phần và tính chất nước thải của việc nuôi trồng và chế biến thủy sản, với thành phần chất hữu cơ chủ yếu là protein. Để cho chúng ta thấy được tác động của nó tới môi trường và ảnh hưởng tới đời sống của chúng ta như thế nào. 9 Thành phần chủ yếu của nước thải nuôi trồng và chế biến thủy sản là protein. Đề tài này cho chúng ta biết được các đặc điểm về cấu tạo, cấu trúc, vai trò và tính chất của protein và đặc biệt là cơ chế phân hủy của nó để từ đó có những phương pháp để xử lý. Các chất có trong phân tử protein sau khi được phân hủy sẽ lại đi vào chu trình sinh địa hóa. 9 Trong cơ chế phân hủy này cần phải có các tác nhân để phá vỡ các liên kết của các liên kết của cơ chất này,tác nhân đó là các enzyme. Nghiên cứu này cũng cho thấy ta thấy được enzyme để phân hủy protein là các enzyme protease. 9 Cho chúng ta biết được cấu tạo, chức năng sinh học của enzyme protease và cơ chế phân hủy protein. Với những hiểu biết về enzyme này chúng ta có thể ứng dụng vào việc xử lý chất thải có hàm lượng chất hữu cơ mà thành phân chủ yếu là protein như nước thải nuôi trồng và chế biến thủy sản. 9 Trong các phương pháp xử lý: lý hóa và sinh học thì phương pháp xử lý sinh học có hiệu quả cao hơn so với các phương pháp khác. Trong phương pháp xử lý sinh học: xử lý bằng phương pháp sinh học trong điều kiện tự nhiên hay GVHD: Th.S. Trịnh Thị Lan Anh SVTH: Nguyễn Duy Trình 64 nhân tạo thì quần thể vi sinh vật có vai trò rất quan trọng trong quá trình xử lý nước thải với số lượng và thành phần phong phú. Trong đề tài này cho chúng ta biết được một số vi sinh vật có khả năng tiết enzyme protease phân hủy protein trong nước thải, đặc biệt là nước thải nuôi trồng và chế biến thủy sản. Đồng thời biết được các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của chúng. 9 Với những hiểu biết về các chủng vi sinh vật, chúng ta có thể áp dụng vào các công trình xử lý nước thải thủy sản. Để có thể xử lý tốt hơn, triệt để hơn trước khi thải ra môi trường. 6.2. Kiến nghị 9 Chủ cơ sở phải có biện pháp thu gom nước thải và xử lý tại hệ thống xử lý nước thải của cơ sở hoặc của các khu công nghiệp, khu chế biến thủy sản tập trung, bảo đảm nước thải trước khi thải ra môi trường tối thiểu phải đạt các chỉ tiêu quy định theo tiêu chuẩn môi trường bắt buộc áp dụng, quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải chế biến thủy sản. Hệ thống thu gom và xử lý nước thải của cơ sở phải bảo đảm không làm ô nhiễm đất, nước ngầm, nước ao hồ và sông ngòi xung quanh. 9 Hạn chế sử dụng hóa chất, giảm bớt ô nhiễm trong quá trình sản xuất. 9 Trong công nghệ xử lý nước thải thủy sản, cần phải lựa chọn phương pháp xử lý cho phù hợp. Cần lựa chọn phương pháp sinh học vì phương pháp này cho hiệu quả xử lý cao và ít tốn kém hơn các phương pháp khác. 9 Cần phân lập và tạo ra các chủng vi sinh vật mới có thể phân hủy cơ chất này. 9 Cần bổ sung thêm các chủng vi sinh vật vào các công trình xử lý nhằm tăng hiệu quả xử lý 9 Tạo mọi điều kiện thích hợp cho hoạt động sống của vi sinh vật. GVHD: Th.S. Trịnh Thị Lan Anh SVTH: Nguyễn Duy Trình 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Tài liệu tham khảo tiếng Việt [1]. Bộ Thủy Sản. Cơ sở khoa học hình thành hệ thống quan trắc Môi trường để cảnh báo Môi trường và dự báo của các thủy vực nước lợ, ngọt miền Bắc Việt Nam. [2]. Bộ Tài Nguyên và Môi trường. Hiện trạng Môi trường Việt Nam, 2003 [3]. Bộ Thủy Sản. Tuyển tập báo cáo Khoa học về nuôi trồng thủy sản, 2003 [4]. Hoàng Huệ (1996). Xử lý nước thải. Nhà Xuất Bản Xây Dựng. [5]. Lương Đức Phẩm (1996). Công nghệ xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học Nhà Xuất Bản Giáo Dục. [6]. Nguyễn Đức Lượng (chủ biên) (2004). Công Nghệ EnZym. Nhà Xuất Bản Đại Học Quốc Gia thành phố Hồ Chí Minh. [7]. Thông tin khoa học – kinh tế thủy sản. Số 5/2003. [8]. Trần Xuân Ngạch (2007). Công nghệ enzym. Trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng. [9]. Vũ Ngọc Bội (2004). Luận án tiến sĩ sinh học: “Nghiên cứu quá trình thủy phân protein cá bằng enzyme protease Đại Học Quốc Gia TP.Hồ Chí Minh Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên. [10]. Nguyễn Lân Dũng (2001). Vi sinh vật học. Nhà Xuất Bản Giáo Dục. 2. Tài liệu tham khảo tiếng Anh [11]. Chuntapa, B.; Powtongsook, S. and Menasveta, P. 2003, Water quality control using Spirulina platensis ins shrimp culture tanks, Aquaculture 220, 355 – 366. [12]. Fao Fisheries Technical Paper – 355 Food and Agriculture Oranization of the United Nations: Wastewater treatment in the fishery industry. 3. Tài liệu Internet [13]. [14]. [15]. [16].