Chương 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG Tinh bột khoai mì là loại tinh bột được chiết xuất từ các củ khoai mì, một trong những loại cây lấy củ được trồng ở hơn 100 quốc gia trong vùng khí hậu nhiệt đới và cận nhiệt đới. Ở Việt Nam, khoai mì đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế xã hội và là cây lượng thực thứ 2 sau cây lúa (Kim và cộng sự, 2003). Các số liệu thống kê trong năm 2000 cho thấy Việt Nam có 234.900 ha diện tích trồng mì với năng suất trung bình là 8,67 tấn/ha/năm và đứng thứ 16 trên thế giới. Tuy nhiên, đến năm 2008, Việt Nam có tổng diện tích thu hoạch khoai mì là 557.400 nghìn ha, năng suất bình quân 16,85 tấn/ha và đứng thứ 10 trên thế giới với sản lượng đạt 9,3 triệu tấn 1.
Ngày nay, ở Việt Nam, khoai mì được sử dụng rất phổ biến như nguồn nguyên liệu thô để sản xuất tinh bột khoai mì, cả quy mô hộ gia đình và quy mô lớn. Sự gia tăng về nhu cầu sử dụng tinh bột khoai mì trên thị trường trong và ngoài nước làm nguyên liệu sản xuất cho ngành công nghiệp chế biến thực phẩm và các ngành công nghiệp khác đã dẫn đến sự gia tăng có quy luật về việc đầu tư các cơ sở sản xuất tinh bột quy mô lớn hay quy mô hộ gia đình (IFPRI, 1998 and Goletti và cộng sự, 2001). Ngành công nghiệp chế biến tinh bột mì được xem là một trong những ngành công nghiệp sản xuất thực phẩm lớn nhất ở Việt Nam (Hiền và cộng sự, 1999). Khoảng năm 2002, các cơ sở chế biến tinh bột đã tạo ra khoảng 500.000 tấn tinh bột từ khoảng 1,6 triệu tấn củ mì tươi (Vina Econet, 2003) 2.
Theo dự đoán, trong những 1 http://orientbiofuels.php?option=com_content&view=article&id=67:tng-quan-v-cay- sn&catid=48:tng-quan-v-cay-sn&Itemid=68&lang=vi, ngày 07/06/2012.vn/Econet/English/VE0901005. 2 năm tới sản xuất tinh bột khoai mì ở Việt Nam sẽ gia tăng, khi một số cơ sở sản xuất mới được đi vào hoạt động 3. Sự phát triển của ngành công nghiệp chế biến tinh bột mì đã góp phần đáng kể cho sự phát triển nền kinh tế của đất nước và có thể sẽ gia tăng thêm trong tương lai. Tuy nhiên, sự phát triển nhanh chóng của ngành sản xuất tinh bột mì sẽ làm gia tăng các mối quan tâm về môi trường.
Trong quá trình sản xuất, nước thải phát sinh từ các công đoạn rửa củ và tách bột. Trung bình để sản xuất 1 tấn tinh bột mì sẽ làm phát sinh khoảng 10-15 m3 nước thải (Hiền và cộng sự, 1999; Mai, 2004). Loại nước thải này có nồng độ chất ô nhiễm rất cao: COD dao động trong khoảng 7.500 mg/L, BOD trong khoảng 6.000 mg/L, SS gần 500-6.800 mg/L và pH thấp (dao động trong khoảng 4,2 – 5,7), có thể gây ô nhiễm nặng cho các nguồn nước mặt nếu không được xử lý trước khi thải bỏ (Huynh Ngoc Phuong Mai, 2004). Hơn nữa, quá trình sản xuất còn tạo ra các chất không có khả năng sử dụng hay tái sử dụng như vỏ khoai mì, củ cứng và bã mì.
Các vấn đề môi trường nêu trên có thể sẽ gây ra những ảnh hưởng bất lợi đến sự phát triển của ngành công nghiệp này trong tương lai. Theo quy định của nước ta, tất cả các cơ sở sản xuất tinh bột mì đều phải xử lý nước thải để đáp ứng về yêu cầu chất lượng nước trước khi xả vào nguồn tiếp nhận. Quy định này bắt buộc các nhà sản xuất tinh bột mì phải xử lý nước thải đạt đến mức có thể chấp nhận được bằng các công nghệ hiện có. Tuy nhiên, các công nghệ xử lý nước thải hiện nay vẫn không thích hợp để đạt được tiêu chuẩn trong khu vực cũng như không thỏa mãn các yêu cầu về kinh tế.
Những hạn chế có thể kể đến đối với các công nghệ này bao gồm: (1) hầu hết các công trình xử lý nước thải không thể đáp ứng một cách hiệu quả do thành phần nước thải dao động rất lớn trong ngày, theo mùa trong năm hoặc trong một thời gian dài; (2) một công trình xử lý chỉ hoạt động hiệu quả ở một khoảng thời gian nào đó trong năm và phần thời gian còn lại là 3 Trích Tran Thi My Dieu, 2003, Greening Food Processing Industry in Vietnam:Putting Industrial Ecology to Work, Wageningen University. 3 hoạt động không hiệu quả; (3) nhu cầu sử dụng năng lượng cho các hệ thống xử lý nước thải rất cao, không phù hợp với các khu vực sử dụng năng lượng tính theo đầu người; (4) yêu cầu vận hành và bảo trì hệ thống cao, thêm vào đó lượng bùn phát sinh lớn nên không đem lại hiệu quả kinh tế cho nhiều vùng; (5) không tái sinh được nguồn dinh dưỡng sẵn có trong nước thải; và (6) chi phí xử lý nước thải cao làm ảnh hưởng đến lợi nhuận thu được từ quá trình sản xuất. Bên cạnh những công nghệ xử lý sinh học tải trọng cao đang được áp dụng rộng rãi, các công nghệ sinh học lợi dụng đặc điểm của hệ sinh thái tự nhiên cũng là một giải pháp hứa hẹn để xử lý phần chất hữu cơ, N, P còn lại của các công trình xử lý trước đó đồng thời tạo ra những sản p hẩm có ích khác. Việc thiết lập và vận hành hệ thống sử dụng các loại tảo biển có giá trị dinh dưỡng cao để xử lý hay tái sử dụng nguồn carbon (C), các thành phần dinh dưỡng (gồm nitơ (N) và photpho (P)) sẵn có trong nước thải tạo thành nguồn sinh khối có giá trị sử dụng cao là giải pháp được lựa chọn để nghiên cứu trong đề tài này.
Có rất nhiều nghiên cứu đã được thực hiện sử dụng các loại tảo biển trong xử lý nước thải. Theo Laliberté và cộng sự (1994); De La Noüe và cộng sự (1992), Lincoln và Earle (1990), Oswald (1988a, 1988b; 1991), nuôi tảo trong hồ oxy hóa tải trọng cao (high-rate oxidation pond – HROP) để khử nitơ và photpho đồng thời sản xuất ra sinh khối tảo có thể là một giải pháp đáng quan tâm đối với công nghệ xử lý nước thải bậc III theo phương pháp truyền thống. Tảo phát triển nhiều nhất trong nước của hồ oxy hóa tải trọng cao thường là Chlorella, Ankistrodesmus và Scenedesmus. Tuy nhiên, các loại tảo này rất khó tách ra khỏi nước nên tốn chi phí để thu hoạch cũng như xử l ý triệt để (Mohn, 1988).
Với hồ oxy hóa tải trọng cao được thiết kế tối ưu chỉ có thể thu hồi được hơn 200 kg tảo/ha/ngày (Mohn, 1988). Vì vậy, để có thể thu hồi được sinh khối tảo và tái sử dụng cho các mục đích khác nhau, Spirulina là loại tảo được nghiên cứu nhiều nhất vì có nhiều ưu điểm hơn các loại tảo khác như (1) có dạng sợi và khả năng kết thành các bông sinh học làm cho việc thu hoạch dễ dàng hơn so với các loại vi tảo khác (Mohn, 1988); (2) dưới các 4 điều kiện thích hợp, hàm lượng protein của Spirulina đạt đến 60-70% tính theo khối lượng khô (Ciferri, 1983); (3) giá trị dinh dưỡng của Spirulina được công nhận như nguồn thức ăn cho con người và động vật (Jassby, 1988; Kay, 1991; Becker, 1994; Shubert, 1988); (4) có chứa nhiều hợp chất sinh hóa có thể được chiết xuất để nâng cao giá trị của sinh khối (Belay và cộng sự , 1993); (5) phát triển tốt trong môi trường kiềm và (6) một số loài trong nhóm này có khả năng chống lại được độc tính của amonia ở giá trị pH cao (Belkin and Boussiba, 1991). Nhiều nghiên cứu khác về xử lý nước thải có sử dụng Spirulina cũng đã được công bố như (1) nghiên cứu Kosaric và cộng sự (1974) về khả năng phát triển của Spirulina trong nước thải sinh hoạt. (2) Saxena và cộng sự (1983) đã nuôi trồng Sprulina trong nước thải sinh hoạt chưa xử lý nếu bổ sung thêm 10mg NaHCO3/ L và 1 gNaNO3/L, hiệu suất sinh khối thu được sau 12 ngày khoảng 9 g tảo/m2.ngày và tái sử dụng sinh khối tảo để làm thức ăn cho gia cầm; (3) một số nghiên cứu khác như nghiên cứu của Fox (1987 và 1988) về sự phát triển của Spirulina trong nước sau xử lý kỵ khí chất thải của con người; nghiên cứu của Siew-Moi (1987) về khả năng phát triển của S.
platensis trong nước thải sau xử lý kỵ khí của nhà máy dầu cọ, với thời gian lưu nước 5 ngày, sản lượng tảo cực đại là 33.8 g khối lượng khô/m2.ngày và nước thải sau xử lý có chất lượng đủ tốt để tuần hoàn tại cho mục đích sử dụng của nhà máy; nghiên cứu của Tanticharoen và cộng sự (1993) về ứng dụng Spirulina trong hồ ổn định nước thải tinh bột mì sau xử lý bậc hai và thu hồi sinh khối để tái sử dụng làm thức ăn cho tôm cá. Spirulina có rất nhiều ứng dụng cho con người, có thể sử dụng như nguồn thực phẩm bổ sung cho gia súc, gia cầm, trong nuôi trồng thủy sản và nhiều mục đích khác (có thể xem mục 2. Để khắc phục những tồn tại trong việc tái sử dụng các nguồn dinh dưỡng sẵn có trong nước thải, việc lựa chọn một giống tảo phù hợp cho công nghệ xử lý đơn giản và giá thành thấp, sinh khối tạo thành có khả năng thu hồi và tái sử dụng, các điều kiện vận hành cần được xác định cụ thể và đó cũng là nội dung chính của đề tài 5 “Nghiên cứu đánh giá kh ả năng nuôi tảo Spirulina bằng nước thải sản xuất tinhh bột mì” 1.2 MỤC ĐÍCH VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1.1 Mục đích nghiên cứu Đề tài nghiên cứu đư ợc thực hiện nhằm k hảo sát, đánh giá sự phát triển của tảo Spirulina trong môi trường nước thải sản xuất tinh bột mì ở các điều kiện ảnh hưởng khác nhau về tải trọng chất hữu cơ, quá trình xử lý sơ bộ nước thải, độ kiềm, tốc độ khuấy trộn và cường độ chiếu sáng.2 Phạm vi nghiên cứu Đề tài chỉ được thực hiện với nước thải sản xuất tinh bột chưa được xử lý, được lấy từ khâu tách bột. Các mô hình nghiên cứu được thiết lập với quy mô phòng thí nghiệm, sử dụng tảo Spirulina platensis làm vi sinh vật nuôi cấy trong các mô hình.3 Nội dung nghiên cứu Để đạt được mục đích đặt ra của đề tài , những nội dung sau đây đã được nghiên cứu: - Nhân giống tảo Spirulina platensis trong môi trường chuẩn Zarrouk.
+ Nhân giống tảo Spirulina trong môi trường Zarrouk trong điều kiện chiếu sáng liên tục 24 giờ trong ngày; + Nhân giống tảo Spirulina trong môi trường Zarrouk trong điều kiện chiếu sáng gián đoạn 12 giờ trong ngày.
