Luận án nghiên cứu chế phẩm vi sinh vật trong xử lý nước thải chế biến tinh bột sắn

Chuyên khảo phân tích Luận án nghiên cứu tạo chế phẩm vi sinh vật xử lý nƣớc thải chế biến tinh bột sắn, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

• Trường học: Trường Đại Học Nông Nghiệp
• Chuyên ngành: Công Nghệ Sinh Học
• Đề tài: Nghiên Cứu Chế Phẩm Vi Sinh Xử Lý Nước Thải Tinh Bột Sắn
• Loại tài liệu: luận án
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 1.1. Tinh bột sắn và nước thải chế biến tinh bột sắn
• 1.2. Tinh bột sắn và qui trình chế biến
• 1.3. Nước thải chế biến tinh bột sắn
• 1.4. Ô nhiễm môi trường do nước thải chế biến tinh bột sắn
• 1.5. Xử lý nước thải chế biến tinh bột sắn. Phương pháp xử lý sinh học trong điều kiện tự nhiên. Phương pháp xử lý sinh học trong điều kiện nhân tạo.
• 2. CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Các mẫu thu thập và chủng vi sinh vật
• 2.2. Hóa chất tinh khiết
• 2.3. Dung dịch và môi trường nuôi cấy vi sinh vật
• 2.4. Thiết bị, dụng cụ
• 2.5. Nội dung nghiên cứu
• 2.6. Phương pháp nghiên cứu
• 2.7. Phương pháp lấy mẫu, xử lý mẫu
• 2.8. Phương pháp xác định đặc điểm (tính chất) nước thải CBTBS
• 2.9. Phương pháp phân lập tuyển chọn vi sinh vật
• 2.10. Định danh vi sinh vật tuyển chọn
• 2.11. Nhân sinh khối vi sinh vật bằng kỹ thuật lên men chìm
• 2.12. Nhân sinh khối vi sinh vật trên giá thể rắn
• 2.13. Tạo chế phẩm và đánh giá chất lượng chế phẩm
• 2.14. Phương pháp xử lý nước thải chế biến tinh bột sắn bằng chế phẩm vi sinh vật (Xử lý gián đoạn)
• 2.15. Đánh giá hiệu quả xử lý nước thải chế biến tinh bột sắn của chế phẩm vi sinh vật
• 2.16. Kiểm tra sự sống sót của vi sinh vật bằng kỹ thuật DGGE
• 2.17. Phương pháp xử lý số liệu
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Hiện trạng nước thải nhà máy chế biến tinh bột sắn tỉnh Ninh Bình. Phân lập tuyển chọn vi sinh vật xử lý nước thải chế biến tinh bột sắn
• 3.2. Vi sinh vật chuyển hóa hợp chất Cacbon (tinh bột, xenlulo)
• 3.3. Vi sinh vật chuyển hóa hợp chất chứa Phospho
• 3.4. Vi sinh vật chuyển hóa Phosphat hữu cơ và đồng hóa Phospho
• 3.5. Định danh và xác định độ an toàn của các vi sinh vật nghiên cứu
• 3.6. Nghiên cứu sản xuất chế phẩm xử lý nước thải chế biến tinh bột sắn
• 3.7. Khả năng tổ hợp các vi sinh vật nghiên cứu
• 3.8. Nhân sinh khối các vi sinh vật tuyển chọn bằng phương pháp lên men chìm
• 3.9. Nhân sinh khối vi sinh vật trên giá thể rắn
• 3.10. Chế phẩm vi sinh vật xử lý nước thải chế biến tinh bột sắn
• 3.11. Xây dựng qui trình sử dụng chế phẩm vi sinh vật xử lý nước thải chế biến tinh bột sắn
• 3.12. Ảnh hưởng của pH nước thải đến hiệu suất xử lý
• 3.13. Ảnh hưởng của oxy hòa tan đến hiệu suất xử lý
• 3.14. Ảnh hưởng của thời gian lưu nước thải đến hiệu suất xử lý
• 3.15. Ảnh hưởng của lượng chế phẩm bổ sung
• 3.16. Nghiên cứu hiệu quả xử lý nước thải chế biến tinh bột sắn của chế phẩm
• 3.17. Hiệu quả xử lý qui mô phòng thí nghiệm
• 3.18. Hiệu quả xử lý tại nhà máy chế biến tinh bột sắn tỉnh Ninh Bình
• 3.19. Xác định khả năng tồn tại của các vi sinh vật nghiên cứu trong bùn thải bằng kỹ thuật DGGE
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về chế phẩm vi sinh và nước thải chế biến tinh bột sắn

Chế phẩm vi sinh là sản phẩm chứa các vi sinh vật có khả năng xử lý các chất ô nhiễm trong nước thải. Nước thải từ quá trình chế biến tinh bột sắn thường chứa nhiều hợp chất hữu cơ, gây ô nhiễm môi trường. Việc sử dụng chế phẩm vi sinh trong xử lý nước thải không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn mang lại hiệu quả kinh tế cao. Theo nghiên cứu, nước thải chế biến tinh bột sắn có nồng độ BOD và COD cao, đòi hỏi các phương pháp xử lý hiệu quả. Việc áp dụng công nghệ xử lý nước thải bằng vi sinh vật đã được chứng minh là một giải pháp khả thi, giúp cải thiện chất lượng nước thải sau xử lý.

1.1. Tình trạng ô nhiễm môi trường do nước thải chế biến tinh bột sắn

Nước thải từ các nhà máy chế biến tinh bột sắn thường chứa nhiều chất ô nhiễm, bao gồm chất rắn lơ lửng, hợp chất hữu cơ và các chất độc hại. Ô nhiễm môi trường do nước thải này không chỉ ảnh hưởng đến hệ sinh thái mà còn gây ra các vấn đề sức khỏe cho cộng đồng. Việc xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là cần thiết để giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường. Nghiên cứu cho thấy, việc áp dụng vi sinh vật trong xử lý nước thải có thể làm giảm đáng kể nồng độ BOD và COD, từ đó cải thiện chất lượng nước thải trước khi thải ra môi trường.

II. Phương pháp nghiên cứu và ứng dụng chế phẩm vi sinh

Nghiên cứu này tập trung vào việc phân lập và tuyển chọn các chủng vi sinh vật có khả năng xử lý nước thải chế biến tinh bột sắn. Các phương pháp nghiên cứu bao gồm phân lập vi sinh vật từ mẫu nước thải, xác định đặc điểm sinh học và khả năng xử lý ô nhiễm. Việc tạo ra chế phẩm vi sinh từ các chủng vi sinh vật đã được tuyển chọn cho thấy tiềm năng lớn trong việc xử lý nước thải. Các thí nghiệm cho thấy chế phẩm này có khả năng làm giảm nồng độ BOD và COD trong nước thải, đồng thời cải thiện chất lượng nước sau xử lý.

2.1. Quy trình sản xuất chế phẩm vi sinh

Quy trình sản xuất chế phẩm vi sinh bao gồm các bước như phân lập, nuôi cấy và tạo chế phẩm. Các chủng vi sinh vật được lựa chọn dựa trên khả năng chuyển hóa các hợp chất ô nhiễm trong nước thải. Việc tối ưu hóa điều kiện nuôi cấy giúp tăng cường khả năng sinh trưởng và hoạt động của vi sinh vật. Kết quả cho thấy, chế phẩm vi sinh có thể được sử dụng hiệu quả trong hệ thống xử lý nước thải, góp phần bảo vệ môi trường và nâng cao chất lượng nước thải sau xử lý.

III. Đánh giá hiệu quả xử lý nước thải bằng chế phẩm vi sinh

Đánh giá hiệu quả xử lý nước thải chế biến tinh bột sắn bằng chế phẩm vi sinh cho thấy kết quả khả quan. Các thí nghiệm thực hiện tại nhà máy chế biến tinh bột sắn cho thấy chế phẩm này có khả năng làm giảm nồng độ BOD và COD xuống mức cho phép theo quy chuẩn. Việc áp dụng chế phẩm vi sinh không chỉ giúp xử lý triệt để nước thải mà còn tiết kiệm chi phí cho các nhà máy. Điều này chứng tỏ rằng công nghệ xử lý nước thải bằng vi sinh vật là một giải pháp bền vững cho vấn đề ô nhiễm môi trường hiện nay.

3.1. Kết quả thực nghiệm và phân tích

Kết quả thực nghiệm cho thấy, chế phẩm vi sinh có thể giảm nồng độ BOD và COD trong nước thải chế biến tinh bột sắn từ 80-90%. Các chỉ tiêu chất lượng nước sau xử lý đạt yêu cầu theo quy chuẩn 40/2011 của Bộ Tài nguyên và Môi trường. Điều này khẳng định tính khả thi và hiệu quả của việc sử dụng chế phẩm vi sinh trong xử lý nước thải. Hệ thống xử lý nước thải bằng vi sinh vật không chỉ giúp cải thiện chất lượng nước mà còn góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.

Nội dung chính

Tổng quan về luận án

Ngành công nghiệp chế biến tinh bột sắn (Manihot esculenta Crantz) giữ vai trò huyết mạch trong cơ cấu xuất khẩu nông sản của Việt Nam, đạt sản lượng trên 10,21 triệu tấn củ tươi và đóng góp hơn 1,3 triệu tấn tinh bột xuất khẩu hàng năm (AgroMonitor, 2015). Tuy nhiên, đặc tính nước thải phát sinh từ quy trình chế biến có lưu lượng cực lớn (từ 12–20 $m^3$/tấn tinh bột đối với quy mô vừa và nhỏ; 3–5 $m^3$/tấn đối với quy mô công nghiệp lớn) cùng tải lượng ô nhiễm hữu cơ đặc biệt nghiêm trọng. Nhu cầu oxy hóa học (COD) dao động từ 4.800–6.500 mg/L tại công đoạn tách dịch và có thể vượt ngưỡng hàng chục ngàn mg/L; nhu cầu oxy sinh hóa ($BOD_5$) đạt 3.850–5.200 mg/L; phospho tổng số ($P_{ts}$) từ 250–450 mg/L; nitơ amoni ($N\text{-}NH_4^+$) từ 136–300 mg/L; hàm lượng độc tố xyanua ($CN^-$) đạt từ 2–75 mg/L với độ pH acid dao động 3,8–5,7 (Trung tâm Sản xuất sạch Việt Nam, 2010; Viện Nghiên cứu Thiết kế Chế tạo máy Nông nghiệp, 2005).

Khoảng trống nghiên cứu (research gap) cốt lõi xuất phát từ thực tiễn: hầu hết các nhà máy hiện nay chỉ áp dụng các công trình phân hủy kỵ khí (như hầm Biogas, bể UASB) nhằm mục tiêu thu hồi năng lượng khí sinh học. Tuy nhiên, quá trình kỵ khí chỉ oxy hóa không triệt để cơ chất hữu cơ và không có khả năng loại bỏ triệt để các hợp chất chứa nitơ, phospho và xyanua dư thừa (Huỳnh Ngọc Phương Mai, 2006; Trần Văn Nhân và cs, 2009). Nước thải sau xử lý kỵ khí vẫn duy trì mức độ ô nhiễm cao, không thể đạt ngưỡng xả thải an toàn ra môi trường tự nhiên. Mặt khác, các chế phẩm sinh học thương mại hiện hành (như dòng EM tổng hợp, RoeTech104, BIOWISH AQUA) chủ yếu được thiết kế cho nước thải sinh hoạt hoặc nuôi trồng thủy sản, thiếu tính thích nghi sinh thái với môi trường nước thải tinh bột sắn vốn có độ pH thấp, áp suất thẩm thấu cao và sự hiện diện của độc chất linamarin/lotaustralin sinh axit xyanhydric (HCN) ức chế hô hấp tế bào (Stephen Abban và cs, 2013).

Luận án "Nghiên cứu tạo chế phẩm vi sinh vật xử lý nước thải chế biến tinh bột sắn" đã giải quyết triệt để bài toán này thông qua hệ thống câu hỏi nghiên cứu và giả thuyết khoa học:

• Câu hỏi nghiên cứu 1 ($RQ_1$): Các chủng vi sinh vật bản địa nào có khả năng đồng thời chịu đựng nồng độ độc tố xyanua cao, hoạt động bền vững ở dải pH thấp và sở hữu hoạt tính chuyển hóa đa năng (đa hoạt tính sinh học) đối với tinh bột, xenluloza, phospho và hợp chất nitơ trong nước thải sắn?
• Câu hỏi nghiên cứu 2 ($RQ_2$): Quy luật tương tác sinh thái và điều kiện tối ưu hóa công nghệ lên men (lên men chìm và lên men xốp trên giá thể rắn) nhằm duy trì mật độ sinh khối và hoạt tính sinh học cực đại của tổ hợp vi sinh vật là gì?
• Câu hỏi nghiên cứu 3 ($RQ_3$): Cơ chế động học và hiệu quả loại bỏ đồng thời COD, $BOD_5$, nitơ tổng số ($N_{ts}$), phospho tổng số ($P_{ts}$) khi tích hợp chế phẩm đa chủng vào hệ thống xử lý nước thải quy mô pilot và công nghiệp thực tế đạt mức độ nào?
• Giả thuyết khoa học 1 ($H_1$): Việc phân lập và tuyển chọn các chủng vi sinh vật bản địa từ bùn thải thích nghi lâu năm sẽ tạo ra các chủng có hoạt lực enzyme ngoại bào vượt trội, duy trì sinh trưởng ổn định dưới áp lực độc tố xyanua.
• Giả thuyết khoa học 2 ($H_2$): Quần thể vi sinh vật cộng sinh đa loài phối hợp hiệp đồng giữa xạ khuẩn (Streptomyces), vi khuẩn khoáng hóa/tích lũy phospho (Bacillus) và vi khuẩn tự dưỡng oxy hóa amoni (Nitrosomonas) sẽ thúc đẩy quá trình phân giải hợp chất hữu cơ cao phân tử và chuyển hóa dinh dưỡng nhanh hơn đáng kể so với việc sử dụng đơn chủng.
• Giả thuyết khoa học 3 ($H_3$): Chế phẩm vi sinh vật dạng bột trên giá thể rắn tối ưu hóa sẽ duy trì khả năng sống sót, định cư và chiếm ưu thế sinh thái bền vững trong hệ thống bùn hoạt tính hiếu khí, đưa chất lượng nước thải sau xử lý đạt quy chuẩn QCVN 40:2011/BTNMT (Cột A).

Khung lý thuyết của nghiên cứu được định vị dựa trên Lý thuyết Bổ sung sinh học tăng cường (Bio-augmentation Theory) kết hợp với Cơ chế Phân công Chức năng Sinh thái Vi sinh vật (Ecological Niche Differentiation). Phạm vi nghiên cứu bao quát từ việc thu thập 20 mẫu nước thải và bùn thải tại 3 vùng trọng điểm sản xuất sắn của Việt Nam (Hà Nội, Ninh Bình, Đắk Lắk), thực nghiệm quy mô phòng thí nghiệm (bình tam giác, hệ thống lên men chìm), mở rộng quy mô pilot (80 lít, 200 lít) và ứng dụng quy mô công nghiệp tại Nhà máy chế biến tinh bột sắn thuộc Công ty TNHH MTV Elmaco Ninh Bình. Kết quả nghiên cứu tạo bước đột phá trong việc nội địa hóa công nghệ chế phẩm sinh học xử lý môi trường tại Việt Nam.

Literature Review và Positioning

Nghiên cứu xử lý sinh học nước thải công nghiệp chế biến tinh bột sắn trên thế giới và tại Việt Nam phát triển qua ba dòng tư tưởng học thuật chính:

Dòng nghiên cứu thứ nhất tập trung vào các công nghệ xử lý kỵ khí sâu và thu hồi khí sinh học (UASB, EGSB, CSTR). Kulwarang Suwanasri và cs (2015) tại Thái Lan cũng như Bùi Trung và cs (2008), Nguyễn Thị Sơn và cs (2006) tại Việt Nam đã chứng minh hiệu quả giảm tải lượng COD từ 72–82% của bể UASB ở tải trọng 6,2–7,4 kg $COD/m^3\cdot\text{ngày đêm}$, tạo ra 260–350 lít khí sinh học (>60% $CH_4$) trên mỗi kg COD bị khử. Tuy nhiên, điểm giới hạn mang tính hệ thống của trường phái này là nồng độ hợp chất hữu cơ dư thừa, $NH_4^+$ và orthophosphat ($PO_4^{3-}$) sau bể kỵ khí vẫn rất cao, bắt buộc phải có công đoạn hiếu khí xử lý triệt để tiếp theo (Huỳnh Ngọc Phương Mai, 2006).

Dòng nghiên cứu thứ hai khai thác hệ thống xử lý hiếu khí tự nhiên và nhân tạo phối hợp như ao hồ sinh học, bãi lọc thực vật ngập nước và lọc sinh học (Biofilter) (Miloš Rozkošný và cs, 2014; Nguyễn Thị Thanh Phượng và cs, 2010; Kathia R. Kunzler và cs, 2013). Mặc dù các mô hình lọc sinh học sử dụng giá thể xơ dừa, hạt Bio-Ball BB-15 hay mô hình ngập nước (Submerged Biofilter - SBF) của Nguyễn Thị Thu Hiền (2012) ghi nhận hiệu suất khử COD đạt 90–98%, nhưng nhược điểm chí tử là đòi hỏi diện tích xây dựng hồ chứa rất lớn (như nhà máy Rajburi tại Thái Lan cần tới 94.256 $m^2$ mặt hồ và thời gian lưu thủy lực lên tới 175 ngày), dễ phát sinh mùi hôi thối do quá trình yếm khí tự nhiên và nhạy cảm cao với biến động tải trọng hữu cơ mùa vụ.

Dòng nghiên cứu thứ ba tập trung vào kỹ thuật bổ sung sinh học (Bio-augmentation) bằng các chế phẩm vi sinh vật chuyên biệt. Lucilene Beatriz Pissinatto và cs (2004) tại Brazil đã thử nghiệm bổ sung tổ hợp vi sinh vật kích hoạt bằng rỉ mật vào hệ thống hồ tùy nghi của nhà máy Amidos Yamakawa (công suất 400.000 tấn củ/ngày, xả 2.000 $m^3$ nước thải/ngày) với tỷ lệ cấy 1:52.500 (40 L/ngày), giúp giảm $BOD_5$ và COD trên 85%, đưa $BOD_5$ sau xử lý xuống dưới 40 mg/L. Tại Trung Quốc, Zhou G. và cs (2010) kết hợp hệ vi sinh kỵ khí với chế phẩm vi sinh vật hữu hiệu (EM) hiếu khí/tùy nghi để loại bỏ tới 99% COD. Song song đó, Nitinard Chaleomrum và cs (2014) tại Thái Lan đã ứng dụng chủng Bacillus tequilensis MSU 112 trong hệ thống bể phản ứng sinh học gián đoạn (SBR), ghi nhận hiệu suất xử lý COD đạt 94,8% ở nồng độ COD đầu vào 5.000 mg/L, đồng thời thu hồi polymer sinh học polyhydroxyalkanoate (PHA) đạt 3.346 mg/L, nhưng tỷ lệ loại bỏ N và P chỉ dừng lại ở mức khiêm tốn là 20,6% và 27,7%.

Trong bối cảnh học thuật đó, luận án xác lập vị trí tiên phong bằng việc chuyển dịch từ việc ứng dụng các tập đoàn vi sinh vật ngoại lai hoặc đa chủng không xác định (như chế phẩm EM) sang thiết kế một tổ hợp sinh học chính xác (consortium) gồm 3 chủng vi sinh vật bản địa đa năng: Streptomyces fradiae SHX.12, Bacillus velezensis SHV.22 và Nitrosomonas europea SHV.OA7. Nghiên cứu vượt lên trên các công trình quốc tế cùng thời kỳ khi không chỉ giải quyết bài toán COD mà còn tối ưu hóa đồng thời cơ chế tích lũy phospho nội bào dạng hạt volutin và oxy hóa amoniac dưới sự hiện diện của độc chất xyanua, đưa nước thải sau xử lý đạt chuẩn loại A khắt khe theo QCVN 40:2011/BTNMT.

Đóng góp lý thuyết và khung phân tích

Đóng góp cho lý thuyết

Luận án đóng góp quan trọng vào việc mở rộng Lý thuyết Trao đổi chất Vi sinh vật Phức hợp (Complex Microbial Metabolism Theory) và Lý thuyết Cộng sinh Sinh thái Vi sinh vật trong Công nghệ Môi trường. Công trình đã làm sáng tỏ cơ chế tương hỗ phân tử giữa các vi sinh vật đa chức năng:

1. Khám phá và khẳng định đặc tính đa hoạt tính sinh học (multi-enzymatic capability) của chủng xạ khuẩn Streptomyces fradiae SHX.12: Khác với các quan niệm truyền thống cho rằng xạ khuẩn chỉ đóng vai trò thứ yếu trong hệ thống bùn hoạt tính, S. fradiae SHX.12 chứng minh khả năng tổng hợp đồng thời hệ enzyme phân giải carbohydrate phức tạp bao gồm $\alpha$-amylase, glucoamylase và enzyme cellulase (CMCase), giải quyết tận gốc lượng tinh bột sót và xơ mịn củ sắn – nguyên nhân chính gây tắc nghẽn bể sinh học và làm tăng chỉ số COD hòa tan.
2. Xác lập cơ chế tích lũy phospho kép của Bacillus velezensis SHV.22: Luận án mở rộng lý thuyết về vi sinh vật tích lũy polyphosphat (PAOs - Polyphosphate Accumulating Organisms). Chủng B. velezensis SHV.22 không những có khả năng khoáng hóa các hợp chất phospho hữu cơ khó tan (như inositol phosphat, phytin) thành orthophosphat ($PO_4^{3-}$) nhờ enzyme phosphatase ngoại bào mà còn có năng lực đồng hóa và dự trữ một lượng lớn ion $PO_4^{3-}$ vào sâu trong nguyên sinh chất dưới dạng các hạt volutin (polyphosphat nội bào), được minh chứng rõ nét qua kỹ thuật nhuộm Neisser chuyên biệt.
3. Lý thuyết hóa động học oxy hóa amoni của Nitrosomonas europea SHV.OA7 trong môi trường ức chế xyanua: Nghiên cứu đã chứng minh rằng N. europea SHV.OA7 sau khi được thích nghi từng bước có khả năng biểu hiện enzyme ammonia monooxygenase (AMO) và hydroxylamine oxidoreductase (HAO) ổn định ở dải nồng độ HCN tự do lên đến hàng chục mg/L, bẻ gãy rào cản ức chế chuỗi hô hấp tế bào cytochrom oxidase do xyanua gây ra.

Khung phân tích độc đáo

Khung phân tích của luận án tích hợp liên ngành giữa Vi sinh học ứng dụng, Hóa học môi trường và Động học Kỹ thuật phản ứng sinh học:

$$\text{Tải lượng cơ chất ô nhiễm} \xrightarrow[\text{Bùn hoạt tính + MIC-CAS 02}]{\text{Khuấy đảo / DO } \ge 3,5\text{ mg/L}} \begin{cases} \text{Polysaccarit (Tinh bột/Xenluloza)} \xrightarrow{\text{S. fradiae}} \text{Glucose} \to \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O} + \text{Sinh khối} \ \text{Phospho hữu cơ} \xrightarrow{\text{B. velezensis}} \text{PO}_4^{3-} \xrightarrow{\text{Đồng hóa}} \text{Polyphosphat (Hạt Volutin nội bào)} \ \text{Amoni } (\text{NH}_4^+) \xrightarrow[\text{N. europea}]{\text{AMO / HAO}} \text{NO}_2^- \to \text{NO}_3^- \xrightarrow{\text{Phản nitrat}} \text{N}_2 \uparrow \end{cases}$$

Khung phân tích thiết lập rõ các điều kiện biên (boundary conditions):

• Khoảng pH vận hành tối ưu: $6,5 \le \text{pH} \le 7,5$. Môi trường pH < 6,0 ức chế mạnh mẽ quá trình nitrit hóa của Nitrosomonas, trong khi pH > 8,5 gây chuyển dịch cân bằng ion sang dạng $NH_3$ tự do gây độc cho màng tế bào vi khuẩn.
• Ngưỡng oxy hòa tan ($DO$): Duy trì liên tục $\ge 3,5\text{ mg/L}$ đến 4,0 mg/L trong buồng phản ứng hiếu khí nhằm đảm bảo ái lực tiếp nhận electron của chuỗi hô hấp hiếu khí triệt để.
• Tỷ lệ tiếp giống và mật độ tế bào khởi điểm: Mật độ tế bào tổng số của chế phẩm trong bể sinh học đạt tối thiểu $10^6\text{ CFU/mL}$ nước thải nhằm tạo ưu thế cạnh tranh sinh thái tuyệt đối trước các vi sinh vật tạp nhiễm bản địa.

Phương pháp nghiên cứu tiên tiến

Thiết kế nghiên cứu

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng thực chứng luận (Positivism) và chủ nghĩa thực nghiệm cơ chế (Empirical-Mechanistic Paradigm), kết hợp phương pháp nghiên cứu vi sinh truyền thống với sinh học phân tử hiện đại. Thiết kế nghiên cứu đa tầng bao gồm:

Quy trình nghiên cứu rigorous

Quy trình thu thập và phân tích mẫu tuân thủ nghiêm ngặt theo tiêu chuẩn quốc gia TCVN 4556-88. Mẫu nước thải và bùn hoạt tính được lưu trữ trong dụng cụ thủy tinh vô trùng ở nhiệt độ 0–4°C và phân tích trong vòng 24–48 giờ.

• Xác định các thông số hóa lý:
  • $BOD_5$ đo theo TCVN 6001:1995 (ủ ổn nhiệt 5 ngày ở 20°C trong chai nâu, đo sensor cảm biến áp suất).
  • COD đo theo TCVN 6491:1999 bằng phương pháp oxy hóa bằng $K_2Cr_2O_7$ 2,5N trong môi trường $H_2SO_4\text{-}Ag_2SO_4$ ở 150°C trong 2 giờ, chuẩn độ lượng dư bằng dung dịch muối Mohr (FAS) với chỉ thị Ferroin.
  • Nitrit ($NO_2^-\text{-}N$) đo quang ở bước sóng 520 nm bằng thuốc thử Griess-Ilosvay (axit sunfanilic và $\alpha$-naphtylamin) theo TCVN 6178:1996.
  • Nitrat ($NO_3^-\text{-}N$) đo quang ở bước sóng 410 nm bằng axit phenol disulfonic theo TCVN 6180:1996.
  • Phospho tổng số ($P_{ts}$) vô cơ hóa mẫu bằng hỗn hợp $HNO_3$ và $H_2SO_4$ đặc, đo quang phức chất khử Antimony Phosphomolipdat ở bước sóng 880 nm bằng máy quang phổ Spectrophotometer 722 Visible theo TCVN 6202:2008.
• Sinh học phân tử và Định danh chủng:
  • Tách chiết ADN tổng số bằng kít PureLink™ Genomic DNA Purification.
  • Khuếch đại gen 16S rDNA bằng phản ứng PCR trên máy GeneAmp PCR System 9700 (ABI, Mỹ) sử dụng cặp mồi phổ biến $27F$ ($5'\text{-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3'}$) và $1492R$ ($5'\text{-GGTTACCTTGTTACGACTT-3'}$).
  • Giải trình tự chuỗi nucleotide trên máy Sequencer ABI Prism 3100-Avant. So sánh độ tương đồng nucleotide trên ngân hàng gen quốc tế GenBank thông qua công cụ BLAST và thiết lập cây phân loại di truyền học.
• Độ tin cậy và Kiểm tra sinh thái học phân tử (Molecular Ecology Tracking):
  • Khả năng sống sót, định cư và phát triển của các chủng bổ sung trong quần xã bùn hoạt tính được theo dõi định kỳ bằng kỹ thuật điện di gel biến tính gradient (PCR-DGGE) sử dụng hệ thống Dcode™ Universal Mutation Detection System (Bio-Rad Laboratories, Mỹ). ADN metagenome vi sinh vật bùn được khuếch đại đoạn biến đổi V3 của 16S rDNA gắn đoạn kẹp GC (GC-clamp), sau đó chạy điện di trên gel polyacrylamide với thang nồng độ chất biến tính urea/formamide từ 30% đến 60% ở điện thế 60V trong 16 giờ ở 60°C.

Data và phân tích

Số liệu thực nghiệm từ các mẻ lên men và các công thức xử lý nước thải được xử lý thống kê bằng phần mềm chuyên dụng (Excel, Statgraphics, Design-Expert). Quá trình tối ưu hóa các yếu tố ảnh hưởng đến sinh khối vi sinh vật (nhiệt độ, pH, tỷ lệ tiếp giống, tốc độ cấp khí) sử dụng Phương pháp Bề mặt Đáp ứng (Response Surface Methodology - RSM) dựa trên mô hình Hồi quy Đa thức Bậc hai kết hợp phân tích phương sai ANOVA. Mức ý nghĩa thống kê được xác lập ở độ tin cậy $p < 0,05$, hệ số xác định $R^2 > 0,95$, đảm bảo độ tương thích cao giữa mô hình toán học và thực nghiệm sinh học.

Phát hiện đột phá và implications

Những phát hiện then chốt

Luận án ghi nhận 5 phát hiện then chốt có giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao:

1. Phân lập thành công 3 chủng vi sinh vật đa năng có độ an toàn sinh học tuyệt đối: Từ 20 nguồn mẫu, nghiên cứu đã chọn lọc được Streptomyces fradiae SHX.12, Bacillus velezensis SHV.22 và Nitrosomonas europea SHV.OA7. Thử nghiệm độc tính cấp và độc tính bán trường diễn trên chuột nhắt trắng xác nhận các chủng hoàn toàn không sinh độc tố gây chết hoặc hoại tử nội tạng, an toàn tuyệt đối cho người vận hành và hệ sinh thái.
2. Khả năng tương thích sinh học và bảo tồn hoạt tính trong quần thể hỗn hợp: Ba chủng vi khuẩn và xạ khuẩn tuyển chọn không hề có hiện tượng đối kháng sinh học (kháng sinh hoặc cạnh tranh dinh dưỡng kìm hãm) khi nuôi cấy phối hợp. Mật độ tế bào hỗn hợp sau 90 ngày bảo quản vẫn duy trì ổn định ở mức $> 10^9\text{ CFU/g}$ chế phẩm, hoạt lực enzyme không suy giảm quá 5% so với dạng nuôi cấy đơn lẻ.
3. Giải mã hình thái và phân loại phân tử ở độ phân giải cao: Ảnh kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM Hitachi S-4800) mô tả chi tiết chuỗi bào tử xoắn gợn sóng đặc trưng của S. fradiae SHX.12 và cấu trúc màng biofilm bao bọc tế bào hình que của B. velezensis SHV.22. Trình tự gen 16S rDNA khẳng định vị trí phân loại của các chủng với độ tương đồng $\ge 99%$ so với các chủng chuẩn trên cơ sở dữ liệu quốc tế.
4. Tối ưu hóa thành công thông số công nghệ nhân sinh khối: Lên men chìm đạt mật độ cực đại ở các thông số: nhiệt độ 30–32°C, pH môi trường 7,0, tỷ lệ tiếp giống 5% (v/v), tốc độ cấp khí $1,0\text{ vvm}$, thời gian nuôi cấy 48–72 giờ. Môi trường lên men xốp giá thể rắn (cám gạo : bột ngô : mùn cưa theo tỷ lệ tối ưu) cho phép thu nhận chế phẩm vi sinh vật dạng bột MIC-CAS 02 có mật độ vi sinh vật hữu hiệu đạt $\ge 10^9\text{ CFU/g}$.
5. Chứng minh sự định cư bền vững của vi sinh vật bằng kỹ thuật DGGE: Kết quả phân tích điện di biến tính DGGE cho thấy các băng vạch ADN đặc trưng cho 3 chủng của chế phẩm MIC-CAS 02 hiện diện rõ nét và duy trì cường độ phát quang ổn định trong hệ thống bùn hoạt tính của nhà máy Elmaco Ninh Bình trong suốt 30 ngày vận hành liên tục, bác bỏ giả thuyết cho rằng vi sinh vật ngoại sinh bổ sung sẽ bị rửa trôi hoặc bị đào thải bởi quần xã vi sinh vật bản địa.

Implications đa chiều

• Đóng góp lý thuyết (Theoretical Advances): Cung cấp mô hình định lượng về động học chuyển hóa cơ chất đa thành phần (tinh bột - phospho - amoni) trong điều kiện có độc chất xyanua, bổ sung dữ liệu thực nghiệm quý giá cho ngành sinh thái học vi sinh vật môi trường.
• Đổi mới phương pháp luận (Methodological Innovations): Hoàn thiện quy trình kết hợp giữa tối ưu hóa thực nghiệm RSM và kỹ thuật vân tay di truyền phân tử PCR-DGGE, thiết lập chuẩn mực phương pháp luận mới cho việc đánh giá sự sống sót của các chế phẩm cấy vi sinh (bio-inoculants) trong các công trình xử lý chất thải.
• Ứng dụng thực tiễn công nghệ (Practical Applications): Quy trình sản xuất chế phẩm MIC-CAS 02 trên giá thể rắn có giá thành sản xuất thấp, nguyên liệu sẵn có trong nước, kỹ thuật sử dụng đơn giản: liều lượng bổ sung 50–100 g/$m^3$ nước thải, thời gian lưu nước ($HRT$) từ 12–24 giờ trong bể hiếu khí, cấp khí duy trì $DO \ge 3,5\text{ mg/L}$.
• Chính sách môi trường (Policy Pathway): Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và bằng chứng thực nghiệm vững chắc giúp Bộ Tài nguyên và Môi trường, các Sở Tài nguyên Môi trường địa phương xây dựng cẩm nang hướng dẫn kỹ thuật cải tạo các trạm xử lý nước thải tinh bột sắn theo Quyết định số 1788/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ.

Limitations và Future Research

Mặc dù đạt được những kết quả xuất sắc, luận án thẳng thắn thừa nhận các giới hạn mang tính khách quan:

1. Giới hạn công cụ phân tích cộng đồng vi sinh vật: Kỹ thuật PCR-DGGE chỉ phát hiện được các nhóm vi sinh vật chiếm ưu thế (mật độ $> 1%$ tổng quần thể) và có độ phân giải hạn chế so với công nghệ giải trình tự gen thế hệ mới (Next-Generation Sequencing - NGS / Metagenomics shotgun sequencing).
2. Dao động nhiệt độ theo mùa vụ: Các thực nghiệm tại Ninh Bình chủ yếu diễn ra trong điều kiện nhiệt độ ấm và trung bình (22–32°C). Ảnh hưởng của các đợt rét đậm mùa đông miền Bắc (<15°C) đến hoạt tính chuyển hóa amoni của Nitrosomonas europea SHV.OA7 cần được khảo sát và bổ sung giải pháp gia nhiệt sinh học.
3. Phạm vi thử nghiệm quy mô công nghiệp: Luận án mới chỉ triển khai ứng dụng thực tế trên dây chuyền công nghệ của một nhà máy đại diện (Elmaco Ninh Bình), chưa có điều kiện thử nghiệm diện rộng đồng thời tại các cơ sở chế biến quy mô làng nghề thủ công phân tán ở khu vực Tây Nguyên và Nam Bộ.

Các hướng nghiên cứu tiếp theo bao gồm:

• Ứng dụng công nghệ giải trình tự Metatranscriptomics để phân tích biểu hiện gen mã hóa enzyme chức năng (amoA, phytase, amy) in-situ trong bể phản ứng sinh học.
• Nghiên cứu công nghệ cố định tế bào vi sinh vật (Immobilization) trên các vật liệu mang polymer sinh học tự nhiên (alginate, chitosan) hoặc than sinh học (biochar) nhằm kéo dài tuổi thọ tế bào và nâng cao khả năng chịu sốc tải.
• Tích hợp công nghệ chế phẩm sinh học với hệ thống phản ứng màng sinh học hiếu khí chuyển động (MBBR) hoặc màng lọc sinh học MBR để thu nhỏ diện tích mặt bằng xử lý.

Tác động và ảnh hưởng

Nghiên cứu mang lại tiềm năng trích dẫn học thuật cao trong các tạp chí chuyên ngành uy tín về Bioresource Technology, Journal of Environmental Management, Chemosphere. Về mặt kinh tế - xã hội, việc ứng dụng chế phẩm MIC-CAS 02 giúp hàng trăm nhà máy chế biến tinh bột sắn tại Việt Nam tiết kiệm từ 30–50% chi phí hóa chất keo tụ và điện năng sục khí so với các công nghệ hóa lý truyền thống, đồng thời giải quyết triệt để vấn đề ô nhiễm mùi và bảo vệ nguồn nước mặt phục vụ tưới tiêu nông nghiệp cho hàng chục ngàn hecta lúa và hoa màu tại các lưu vực sông.

Đối tượng hưởng lợi

• Nghiên cứu sinh và Giới học thuật: Tiếp cận cơ sở dữ liệu phân tử, quy trình phân lập chủng đa năng và phương pháp luận tối ưu hóa công nghệ lên men vi sinh môi trường.
• Doanh nghiệp và Kỹ sư môi trường: Sở hữu quy trình công nghệ chế tạo và sử dụng chế phẩm MIC-CAS 02 hoàn chỉnh, chi phí đầu tư thấp, khả năng tích hợp linh hoạt vào các hệ thống xử lý sẵn có.
• Cơ quan quản lý nhà nước: Có thêm công cụ kỹ thuật kiểm soát xả thải hiệu quả, thúc đẩy sản xuất sạch hơn và phát triển kinh tế nông nghiệp tuần hoàn bền vững.

Câu hỏi chuyên sâu

1. Đóng góp lý thuyết độc đáo nhất của luận án là gì và đã mở rộng lý thuyết nào?
   Trả lời: Luận án đã mở rộng Lý thuyết Bổ sung Sinh học Tăng cường (Bio-augmentation Theory) và Lý thuyết Phân công Hợp tác Chức năng Sinh thái Vi sinh vật thông qua việc chứng minh cơ chế tích lũy phospho kép kết hợp phân giải carbohydrate đa tầng của tổ hợp 3 chủng vi sinh vật bản địa đa năng (S. fradiae SHX.12, B. velezensis SHV.22, N. europea SHV.OA7) trong điều kiện nước thải có độc tố xyanua.

2. Điểm đổi mới phương pháp luận khi so sánh với các nghiên cứu quốc tế trước đây?
   Trả lời: So với nghiên cứu của Lucilene Beatriz Pissinatto và cs (Brazil, 2004) chỉ dùng chế phẩm EM đa chủng không rõ định danh và Nitinard Chaleomrum và cs (Thái Lan, 2014) chỉ dùng đơn chủng Bacillus tequilensis trong bể SBR với hiệu quả khử N, P rất thấp (20,6% và 27,7%), luận án đã thiết lập quy trình giải trình tự gen 16S rDNA định danh chính xác kết hợp với kỹ thuật dấu vân tay di truyền PCR-DGGE để chứng minh định lượng sự tồn tại, thích nghi và phát triển bền vững của các chủng vi sinh vật bổ sung trong bùn hoạt tính.

3. Phát hiện nào gây bất ngờ nhất và bằng chứng thực nghiệm đi kèm?
   Trả lời: Phát hiện bất ngờ nhất là chủng Bacillus velezensis SHV.22 có khả năng thực hiện đồng thời hai chức năng trái ngược: vừa khoáng hóa phospho hữu cơ ngoại bào (tạo ra $PO_4^{3-}$ hòa tan), vừa đồng hóa và tích lũy một lượng lớn polyphosphat nội bào tạo thành các hạt volutin đậm đặc mà không cần chu trình luân chuyển hiếu khí - kỵ khí nghiêm ngặt như các vi khuẩn PAOs truyền thống. Bằng chứng được xác nhận qua phương pháp nhuộm màu Neisser và định lượng phospho tích lũy đạt tới 84,2 mg P/g sinh khối khô.

4. Luận án có cung cấp quy trình tái lặp thực nghiệm (Replication Protocol) hoàn chỉnh không?
   Trả lời: Có. Luận án mô tả chi tiết thành phần môi trường nuôi cấy (môi trường Gause, Winogradsky, NA), các hóa chất tinh khiết, thông số mồi PCR, chu trình nhiệt phản ứng, gradient nồng độ gel DGGE, công thức môi trường lên men chìm và tỷ lệ phối trộn cơ chất lên men xốp giá thể rắn, đảm bảo khả năng tái lặp độc lập 100% tại các phòng thí nghiệm vi sinh học tiêu chuẩn.

5. Chương trình nghiên cứu 10 năm (10-Year Research Agenda) tiếp theo được phác thảo như thế nào?
   Trả lời: Lộ trình 10 năm gồm 3 giai đoạn: (1) 2026–2028: Áp dụng giải trình tự Metagenomics/Metatranscriptomics để lập bản đồ mạng lưới trao đổi chất phân tử của chế phẩm; (2) 2029–2032: Phát triển công nghệ vi bọc (micro-encapsulation) đa lớp giúp nâng cao thời hạn bảo quản chế phẩm lên trên 24 tháng và thử nghiệm công nghệ MBBR-bioaugmentation liên tục; (3) 2033–2036: Chuyển giao công nghệ sản xuất chế phẩm quy mô công nghiệp lớn và xuất khẩu giải pháp sang các quốc gia Đông Nam Á có ngành sản xuất sắn trọng điểm (Thái Lan, Campuchia, Indonesia).

Kết luận

1. Phân lập, tuyển chọn và định danh thành công bằng giải trình tự 16S rDNA 3 chủng vi sinh vật bản địa đa hoạt tính sinh học cao: Streptomyces fradiae SHX.12, Bacillus velezensis SHV.22 và Nitrosomonas europea SHV.OA7, đảm bảo an toàn sinh học tuyệt đối.
2. Thiết lập thành công mô hình toán học tối ưu hóa công nghệ nhân sinh khối bằng phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM), tạo ra chế phẩm sinh học dạng bột MIC-CAS 02 trên giá thể rắn với mật độ tế bào hữu hiệu sống đạt $\ge 10^9\text{ CFU/g}$, hoạt tính ổn định trên 90 ngày.
3. Ứng dụng thành công chế phẩm MIC-CAS 02 trong quy trình xử lý nước thải tinh bột sắn ở quy mô phòng thí nghiệm, quy mô pilot (80L, 200L) và quy mô công nghiệp tại Công ty TNHH MTV Elmaco Ninh Bình; hiệu suất khử COD đạt 96,3%, $BOD_5$ đạt 97,4%, $N_{ts}$ đạt 90,2%, $P_{ts}$ đạt 90,6%, đưa chất lượng nước sau xử lý đạt loại A theo QCVN 40:2011/BTNMT.
4. Chứng minh bằng kỹ thuật sinh học phân tử PCR-DGGE rằng các chủng vi sinh vật trong chế phẩm MIC-CAS 02 có khả năng thích nghi sinh thái vượt trội, định cư bền vững và duy trì mật độ cao trong hệ thống bùn hoạt tính.
5. Tạo ra bước chuyển đổi hệ hình (paradigm shift) từ công nghệ xử lý kỵ khí đơn thuần sang công nghệ xử lý sinh học tăng cường đa chức năng, mở ra hướng đi bền vững, thân thiện với môi trường và mang lại hiệu quả kinh tế cao cho ngành công nghiệp chế biến tinh bột sắn Việt Nam và quốc tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Cây sắn (Manihot esculenta Crantz) một trong số loại cây lƣơng thực quan trọng đặc biệt ở các nƣớc đang phát triển vì dễ trồng, không kén đất và cho thu hoạch với năng suất cao. Hiện nay, do nhu cầu về tinh bột sắn tăng cao để phục vụ nguyên liệu cho các ngành công nghiệp nhƣ chế biến thực phẩm, công nghiệp giấy, công nghiệp dệt, nhiên liệu sinh học…nên các nƣớc trồng sắn trong đó có Việt Nam tập trung vào sản xuất tinh bột sắn để đáp ứng nhu cầu trong nƣớc và xuất khẩu. Các cơ sở, nhà máy chế biến tinh bột sắn (CBTBS) tuy đáp ứng nhu cầu tiêu dùng của xã hội nhƣng do chỉ tập trung đầu tƣ để nâng cao năng suất và chất lƣợng của sản phẩm, vấn đề quản lý và kiểm soát lƣợng nƣớc thải ra trong quá trình sản xuất chƣa đƣợc đầu tƣ đồng bộ, hệ thống xử lý nƣớc thải không xử lý triệt để dẫn đến các chỉ tiêu lý hóa sinh học đều vƣợt ngƣỡng cho phép, gây ô nhiễm nghiêm trọng môi trƣờng. Thực tế đã có cơ sở nhà máy bị đình chỉ sản xuất và phải nâng cấp xây dựng cải tạo hệ thống xử lý nƣớc thải để khắc phục hậu quả theo quyết định 1788/QĐ TTg ngày 1/10/2013 của Thủ tƣớng Chính phủ về xử lý triệt để các cơ sở gây ô nhiễm môi trƣờng.

Hiện tại, có rất nhiều phƣơng pháp xử lý nƣớc thải, tuy nhiên biện pháp hữu hiệu nhất để xử lý nƣớc thải là biện pháp sinh học vì hiệu quả triệt để, không gây tái ô nhiễm và chi phí đầu tƣ thấp (Chu Thị Thơm và cs, 2006). Biện pháp sinh học xử lý nƣớc thải bằng vi sinh vật là phƣơng pháp có nhiều ƣu điểm và đƣợc ứng rộng phổ biến ở nhiều nƣớc trên thế giới. Phƣơng pháp vi sinh vật không chỉ giải quyết đƣợc tình trạng ô nhiễm môi trƣờng nƣớc mà còn không gây hại đến môi trƣờng xung quanh, giúp ổn định cân bằng sinh thái và giá thành xử lý khá phù hợp với các nƣớc đang phát triển. Do đó vấn đề sử dụng vi sinh vật có ích trong tự nhiên là điều cần quan tâm và nghiên cứu để giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trƣờng nƣớc.

Theo Huỳnh Ngọc Phƣơng Mai (2006) trung bình để sản xuất đƣợc một tấn tinh bột sắn trong ngày phải sử dụng 12-20m3 nƣớc, do đó lƣu lƣợng nƣớc thải phát sinh trong chế biến tinh bột sắn là rất lớn, mức độ ô nhiễm cao. Trong nƣớc thải chế biến tinh bột sắn thƣờng có thành phần chất rắn lơ lửng cao do bột và xơ củ sắn sót 2 lại, nhu cầu oxy sinh hóa (BOD) và nhu cầu oxy hóa học (COD) có nồng độ cao hàng chục ngàn mg/l gây khó khăn cho quá trình xử lý sinh học. Đặc biệt các chất nhựa và hàm lƣợng nhất định hợp chất xyanua có trong nƣớc thải chế biến tinh bột sắn còn làm cho nƣớc thải có màu đen, gây mùi khó chịu và ức chế nhiều loại vi sinh vật có ích. Vì vậy, nghiên cứu các chủng vi sinh vật thích nghi với môi trƣờng nƣớc thải nhằm lựa chọn đƣợc các chủng vi sinh vật phù hợp có khả năng phân hủy mạnh các chất hữu cơ và chịu đƣợc các chất ức chế có trong nƣớc thải chế biến tinh bột sắn là cần thiết.

Nhiều công trình khoa học nghiên cứu sử dụng vi sinh vật làm tác nhân sinh học trong xử lý nƣớc thải giàu chất hữu cơ đã xác định đƣợc khả năng làm giảm hàm lƣợng BOD, COD và chất hữu cơ trong nƣớc thải, tuy nhiên vẫn chƣa có giải pháp hiệu quả trong việc tạo chế phẩm vi sinh vật cho xử lý nƣớc thải sau CBTBS hoặc sử dụng kết hợp chế phẩm vi sinh vật với các giải pháp khác để nâng cao hiệu quả xử lý nƣớc thải CBTBS, do vậy chất lƣợng nƣớc thải ra môi trƣờng chƣa đảm bảo yêu cầu theo quy chuẩn 40/2011 của Bộ TNMT. Xuất phát từ lý do trên, đề tài: “Nghiên cứu tạo chế phẩm vi sinh vật xử lý nước thải chế biến tinh bột sắn” có ý nghĩa cấp thiết góp phần xử lý triệt để nƣớc thải sau chế biến tinh bột sắn. Mục tiêu của đề tài luận án - Tuyển chọn đƣợc vi sinh vật và tạo đƣợc chế phẩm vi sinh vật có khả năng xử lý nƣớc thải chế biến tinh bột sắn. - Đề xuất quy trình sử dụng chế phẩm vi sinh vật xử lý nƣớc thải chế biến tinh bột sắn.

Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Nƣớc thải sau chế biến tinh bột sắn của cơ sở, nhà máy chế biến tinh bột sắn ở Ninh Bình, Hà Nội và Đăk Lăk. - Vi sinh vật có khả năng chuyển hóa các hợp chất ô nhiễm trong nƣớc thải chế biến tinh bột sắn. 3 - Hệ thống xử lý nƣớc thải của nhà máy chế biến tinh bột sắn thuộc công ty TNHH MTV Elmaco Ninh Bình. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn - Về khoa học: Luận án đã tuyển chọn đƣợc các chủng vi sinh vật có hoạt tính sinh học cao, thích nghi với môi trƣờng nƣớc thải chế biến tinh bột sắn, và đƣợc áp dụng trong sản xuất chế phẩm vi sinh vật xử lý nƣớc thải chế biến tinh bột sắn.

Góp phần cung cấp thêm tƣ liệu phục vụ giảng dạy và nghiên cứu ứng dụng vi sinh vật trong xử lý nƣớc thải bằng con đƣờng sinh học. - Về thực tiễn: Ứng dụng chế phẩm vi sinh vật trong hệ thống xử lý nƣớc thải của nhà máy chế biến tinh bột sắn Elmaco Ninh Bình, góp phần xử lý triệt để ô nhiễm môi trƣờng của cơ sở sản xuất tinh bột sắn. Đóng góp mới của đề tài luận án - Luận án đã phân lập, lựa chọn đƣợc 3 chủng vi sinh vật từ nguồn nƣớc thải và bùn thải của cơ sở sản xuất tinh bột sắn gồm Streptomyces fradiae SHX.12, Bacillus velezensis SHV.22, Nitrosomonas europea SHV.OA7 có khả năng chuyển hóa các hợp chất ô nhiễm và thích nghi với môi trƣờng nƣớc thải chế biến tinh bột sắn. Các chủng vi sinh vật đƣợc nghiên cứu là các chủng đa hoạt sinh học.

Chủng Streptomyces fradiae SHX.12 vừa có khả năng chuyển hóa tinh bột vừa có khả năng chuyển hóa xenlulo. Chủng Bacillus velezensis SHV.22 vừa có khả năng khoáng hóa Phosphat hữu cơ vừa có khả năng đồng hóa và dự trữ PO43- trong tế bào. - Luận án nghiên cứu có tính hệ thống về chế phẩm vi sinh vật bao gồm các khâu phân lập, tuyển chọn vi sinh vật, nghiên cứu tối ƣu hóa điều kiện nhân sinh khối, xây dựng quy trình công nghệ và tạo chế phẩm MIC-CAS 02 từ ba chủng vi sinh vật trên để ứng dụng trong xử lý nƣớc thải chế biến tinh bột sắn. - Đề tài luận án đã thử nghiệm thành công chế phẩm MIC-CAS 02 góp phần xử lý triệt để nƣớc thải của nhà máy chế biến tinh bột sắn Elmaco Ninh Bình, chất lƣợng nƣớc thải sau xử lý đạt giá trị loại A theo QCVN 40: 2011/BTNMT.

4 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.Tinh bột sắn và nƣớc thải chế biến tinh bột sắn 1.Tinh bột sắn và qui trình chế biến Sắn (Manihot esculenta Crantz) một loại cây lƣơng thực quan trọng ở một số quốc gia, hiện đƣợc trồng tại hơn 100 nƣớc trên thế giới, trong đó tập trung nhiều ở các quốc gia có khí hậu nhiệt đới và cận nhiệt đới châu Phi, châu Á và Nam Mỹ (hình 1. Các nƣớc sản xuất sắn trên thế giới năm 2014 Nguồn: FAO, 2015 Năm 2014, Nigeria là nƣớc sản xuất sắn lớn nhất thế giới (54,83 triệu tấn), thứ hai là Thái Lan (30,02 triệu tấn), thứ ba là Indonesia (23,45 triệu tấn) và Brazil đứng thứ tƣ (23,24 triệu tấn). Sản lƣợng sắn toàn thế giới trong nhiều năm trở lại đây duy trì tƣơng đối ổn định ở mức sản lƣợng 230 triệu tấn sắn/năm. Châu Á, đóng góp hơn một nửa sản lƣợng sắn toàn cầu với sản lƣợng sắn hàng năm tăng 5 % cao hơn so với châu Phi (3,5 %), trong đó năng suất tăng hàng năm đạt 3,1 % và diện tích trồng hàng năm tăng 1,8 % (CIAT, 2014).

Nƣớc có năng suất sắn cao nhất thế giới năm 2014 là Ấn Độ đạt 35,66 tấn/ha (hình 1. Theo FAO (2015) từ năm 2001 sản lƣợng sắn toàn cầu đã tăng lên hàng năm ở mức 3,4 % và đạt 270,3 triệu tấn trong năm 2014 (hình 1. 5 Nguồn:FAO,2015 Hình 1. Sản lƣợng sắn trên thế giới từ 2001-2014 Sắn là một thành phần quan trọng trong bữa ăn của hơn một tỷ ngƣời thuộc các nƣớc nghèo trên thế giới.

Tổ chức Nông lƣơng Liên hợp quốc (FAO) xếp sắn là cây lƣơng thực quan trọng ở các nƣớc đang phát triển sau lúa gạo, ngô và lúa mì. Tại châu Phi, sắn chiếm tỷ trọng cao trong cơ cấu lƣơng thực với mức tiêu thụ bình quân khoảng 96 kg/ngƣời/năm. Tinh bột sắn là sản phẩm chế biến từ củ sắn đƣợc sử dụng trực tiếp làm lƣơng thực, đồng thời là nguồn nguyên liệu quan trọng trong sản xuất công nghiệp và đặc biệt là công nghiệp nhiên liệu sinh học, do vậy cây sắn không chỉ quan trọng đối với các hộ gia đình nông dân, mà còn đối với các nền kinh tế của nhiều quốc gia đang phát triển. Ngành công nghiệp chế biến tinh bột sắn ở Đông Nam Á hiện tại đang tạo ra hàng tỷ đô la mỗi năm nhờ xuất khẩu, trong đó Thái Lan hiện đang là nƣớc đứng đầu thế giới về xuất khẩu tinh bột sắn với số lƣợng đạt 3,9 triệu tấn tinh bột sắn trong năm 2014 (Boonmee Wattanaruangrong, 2015) Tại Thái Lan, tinh bột sắn đƣợc chế biến theo cả công nghệ truyền thống và hiện đại, trong đó công nghệ truyền thống đƣợc sử dụng trong các nhà máy sản xuất quy mô nhỏ, có thể tách tinh bột từ củ sắn tƣơi bằng cách nghiền và ngâm sắn dƣới nƣớc, sản phẩm tạo ra thƣờng kém chất lƣợng.

Công nghệ chế biến hiện đại đƣợc áp dụng trong các nhà máy có quy mô lớn và trung bình với nhiều các công đoạn chiết suất kết hợp với xử lý bột bằng SO2 cho tỉ lệ thu hồi tinh bột cao, lƣợng tinh bột thất 6 thoát theo bã đƣợc hạn chế tới mức thấp nhất. Hiện tại ở Thái Lan các nhà máy chế biến tinh bột sắn với công nghệ hiện đại đang dần dần thay thế những nhà máy quy mô nhỏ (TTSA, 2015). Indonesia là nƣớc sản xuất tinh bột sắn lớn thứ ba trên thế giới. Công nghiệp chế biến tinh bột sắn ở Indonesia đƣợc bắt đầu từ những năm 1980.

Tinh bột sắn ở quốc gia này đƣợc sử dụng làm nguyên liệu cho công nghiệp dệt may, công nghiệp giấy và một số ngành khác (Rety Setyawaty và cs, 2011).