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).