Luận văn thạc sĩ hus phân lập tuyển chọn và đặc tính chủng vi khuẩn có khả năng chịu nhiệt chịu ph và sinh tổng hợp cellulase để xử lý nước thải nhà máy giấy

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu hus phân lập tuyển chọn và đặc tính chủng vi khuẩn có khả năng chịu nhiệt chịu ph và sinh tổng hợp, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện

• Tác giả: Vũ Thị Dinh
• Người hướng dẫn: PGS. Trần Liên Hà
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Vi sinh vật học
• Đề tài: Phân lập, tuyển chọn và đặc tính chủng vi khuẩn có khả năng chịu nhiệt, chịu pH và sinh tổng hợp cellulase để xử lý nước thải nhà máy giấy
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tình hình phát triển của ngành sản xuất giấy và bột giấy
• 1.1.1. Sự phát triển của công nghiệp giấy trên thế giới
• 1.1.2. Sự phát triển của ngành giấy ở Việt Nam
• 1.2. Công nghệ sản xuất giấy - bột giấy và đặc tính của nước thải
• 1.2.1. Công nghệ sản xuất bột giấy và đặc tính của nước thải
• 1.2.1.1. Công nghệ bột hóa học
• 1.2.2. Công nghệ sản xuất giấy (xeo giấy) và đặc tính nước thải
• 1.2.3. Công nghệ xử lý nước thải nhà máy giấy
• 1.2.4. Các giải pháp công nghệ vi sinh ứng dụng xử lý nước thải
• 1.2.4.1. Phương pháp yếm khí
• 1.2.4.1.1. Nguyên tắc chung xử lý yếm khí
• 1.2.4.1.2. Quá trình công nghệ xử lý yếm khí
• 1.2.4.1.3. Các yếu tố chính ảnh hưởng tới hiệu suất công nghệ xử lý yếm khí
• 1.2.4.2. Phương pháp xử lý sinh học hiếu khí
• 1.2.4.2.1. Nguyên tắc xử lý hiếu khí
• 1.2.4.2.2. Quy trình công nghệ xử lý hiếu khí
• 1.2.4.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình xử lý hiếu khí
• 1.2.4.3. Vi sinh vật phân giải cellulose
• 1.2.4.4. Đặc điểm của loài Bacillus trong ứng dụng xử lý nước thải
• 1.2.4.5. Chế phẩm vi sinh trong công nghệ xử lý nước thải
• 2. CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Đối tượng nghiên cứu
• 2.2. Thiết bị, dụng cụ và hóa chất
• 2.2.1. Thiết bị và dụng cụ
• 2.2.2. Hóa chất và môi trường
• 2.3. Phương pháp nghiên cứu
• 2.3.1. Phương phân tích xác định các thông số chất lượng nước thải
• 2.3.2. Hàm lượng các chất rắn lơ lửng
• 2.3.3. Chỉ số thể tích bùn
• 2.3.4. Phương pháp phân lập các chủng vi khuẩn
• 2.3.5. Phương pháp tuyển chọn chủng có hoạt tính cellulase
• 2.3.6. Định danh vi khuẩn
• 2.3.6.1. Phương pháp định danh dựa trên đặc tính sinh lý, sinh hóa
• 2.3.6.2. Định danh bằng phương pháp sinh học phân tử
• 2.3.7. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của chủng
• 2.3.7.1. Chuẩn bị giống
• 2.3.7.2. Các yếu tố khảo sát
• 2.3.7.3. Phương pháp xác định mật độ vi khuẩn
• 2.3.8. Phương pháp tạo chế phẩm
• 2.3.9. Thử nghiệm khả năng xử lý nước thải nhà máy giấy
• 2.3.9.1. Thử nghiệm khả năng xử lý nước thải nhà máy giấy quy mô 250 ml
• 2.3.9.2. Thử nghiệm khả năng xử lý nước thải nhà máy giấy ở quy mô 5 l
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Khảo sát chỉ tiêu về chất lượng nước thải nhà máy giấy
• 3.2. Phân lập chủng vi khuẩn có hoạt tính cellulase
• 3.2.1. Tuyển chọn chủng vi khuẩn có hoạt tính cellulase cao
• 3.2.1.1. Tuyển chọn dựa trên phương pháp cấy chấm điểm
• 3.2.1.2. Tuyển chọn dựa trên phương pháp đục lỗ thạch
• 3.2.1.3. Tuyển chọn dựa trên phương pháp xác định hoạt tính enzyme cellulase
• 3.3. Định tên chủng vi khuẩn tuyển chọn
• 3.3.1. Đặc tính hình thái và sinh lý – sinh hóa của chủng TD
• 3.3.2. Định danh sinh học phân tử
• 3.3.3. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới sự sinh trưởng của chủng
• 3.3.3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự sinh trưởng của chủng
• 3.3.3.2. Ảnh hưởng của tốc độ lắc đến sự sinh trưởng của chủng
• 3.3.3.3. Ảnh hưởng của pH ban đầu đến sự sinh trưởng của chủng
• 3.3.3.4. Ảnh hưởng của hàm lượng pepton đến sự sinh trưởng của chủng
• 3.3.3.5. Ảnh hưởng của tỷ lệ cấp giống đến sự sinh trưởng của chủng
• 3.3.4. Chế phẩm BioTD
• 3.3.5. Thử nghiệm khả năng xử lý nước thải của chủng B
• 3.3.5.1. Thử nghiệm xử lý quy mô 250 ml
• 3.3.5.2. Thử nghiệm xử lý nước thải quy mô bình 5 l
• 3.3.6. Tốc độ lắng của bùn sau xử lý
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC BẢNG
• PHỤ LỤC HÌNH

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu vi khuẩn chịu nhiệt và pH trong sản xuất cellulase

Nghiên cứu về vi khuẩn chịu nhiệt và pH là một lĩnh vực quan trọng trong công nghệ sinh học, đặc biệt trong việc sản xuất cellulase để xử lý nước thải giấy. Việc tìm kiếm các chủng vi khuẩn có khả năng hoạt động hiệu quả trong điều kiện khắc nghiệt giúp nâng cao hiệu suất xử lý nước thải, giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

1.1. Tầm quan trọng của cellulase trong xử lý nước thải

Cellulase là enzyme có khả năng phân giải cellulose, một thành phần chính trong nước thải từ ngành sản xuất giấy. Việc sử dụng cellulase giúp giảm thiểu lượng chất thải và cải thiện chất lượng nước thải sau xử lý.

1.2. Đặc điểm của vi khuẩn chịu nhiệt và pH

Vi khuẩn chịu nhiệt và pH có khả năng sinh trưởng và phát triển trong môi trường khắc nghiệt, giúp duy trì hoạt động enzyme trong các điều kiện không thuận lợi. Điều này rất quan trọng trong việc xử lý nước thải từ nhà máy giấy.

II. Vấn đề ô nhiễm từ nước thải giấy và thách thức trong xử lý

Nước thải từ ngành sản xuất giấy chứa nhiều chất độc hại, bao gồm chất rắn lơ lửng, lignin và hóa chất tẩy trắng. Những chất này không chỉ gây ô nhiễm môi trường mà còn ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Việc xử lý nước thải hiệu quả là một thách thức lớn đối với các nhà máy giấy.

2.1. Thành phần và tính chất của nước thải giấy

Nước thải giấy thường chứa hàm lượng cao các chất hữu cơ và vô cơ, với chỉ số COD và BOD vượt mức cho phép. Điều này đòi hỏi các phương pháp xử lý hiệu quả để giảm thiểu ô nhiễm.

2.2. Thách thức trong việc xử lý nước thải

Các phương pháp xử lý hiện tại như vật lý, hóa học thường tốn kém và không hiệu quả. Do đó, cần phát triển các phương pháp sinh học sử dụng vi khuẩn để xử lý nước thải một cách hiệu quả hơn.

III. Phương pháp nghiên cứu vi khuẩn chịu nhiệt và pH

Nghiên cứu này sử dụng các phương pháp phân lập và tuyển chọn vi khuẩn có khả năng chịu nhiệt và pH cao. Các chủng vi khuẩn được đánh giá dựa trên khả năng sinh tổng hợp cellulase và hiệu quả xử lý nước thải.

3.1. Quy trình phân lập vi khuẩn

Quy trình phân lập bao gồm việc thu thập mẫu nước thải, nuôi cấy và xác định các chủng vi khuẩn có khả năng chịu nhiệt và pH cao. Các phương pháp như cấy chấm điểm và đục lỗ thạch được áp dụng để đánh giá hoạt tính cellulase.

3.2. Đánh giá hoạt tính cellulase của vi khuẩn

Hoạt tính cellulase của các chủng vi khuẩn được xác định thông qua các thử nghiệm enzyme, giúp lựa chọn được các chủng vi khuẩn có khả năng xử lý nước thải hiệu quả nhất.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy các chủng vi khuẩn phân lập có khả năng chịu nhiệt và pH cao, đồng thời có hoạt tính cellulase mạnh. Những chủng này có thể được ứng dụng trong xử lý nước thải từ nhà máy giấy, giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

4.1. Hiệu quả xử lý nước thải từ vi khuẩn

Các thử nghiệm cho thấy vi khuẩn có khả năng giảm đáng kể các chỉ số ô nhiễm trong nước thải, như COD và BOD, nhờ vào hoạt động của cellulase.

4.2. Ứng dụng thực tiễn trong ngành công nghiệp giấy

Việc ứng dụng các chủng vi khuẩn này trong xử lý nước thải không chỉ giúp cải thiện chất lượng nước mà còn tiết kiệm chi phí cho các nhà máy giấy.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu về vi khuẩn chịu nhiệt và pH để sản xuất cellulase mở ra hướng đi mới trong xử lý nước thải giấy. Việc phát triển các chế phẩm vi sinh vật có thể giúp cải thiện hiệu quả xử lý nước thải, đồng thời bảo vệ môi trường.

5.1. Tầm quan trọng của nghiên cứu trong bảo vệ môi trường

Nghiên cứu này không chỉ có ý nghĩa trong việc xử lý nước thải mà còn góp phần bảo vệ môi trường sống, giảm thiểu ô nhiễm từ ngành công nghiệp giấy.

5.2. Hướng phát triển nghiên cứu trong tương lai

Cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các chủng vi khuẩn mới, cũng như tối ưu hóa quy trình sản xuất cellulase để nâng cao hiệu quả xử lý nước thải.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Theo số liệu thống kê từ Bộ Tài nguyên và Môi trường, hiện nay có khoảng 43,3% khu công nghiệp tại Việt Nam đã xây dựng hệ thống xử lý nước thải tập trung, tuy nhiên nhiều công trình vẫn vận hành chưa đạt hiệu quả mong muốn. Trong bức tranh chung đó, ngành công nghiệp sản xuất giấy và bột giấy là một trong những nguồn phát thải gây áp lực nặng nề nhất lên hệ sinh thái. Công nghệ sản xuất tại nhiều nhà máy trong nước tiêu tốn lượng nước khổng lồ từ 200 đến 500 m³ nước cho mỗi tấn giấy thành phẩm, xả ra môi trường dòng thải chứa hàm lượng ô nhiễm cực cao: chất rắn lơ lửng (TSS) dao động từ 2.000 đến 3.500 mg/L, nhu cầu oxy hóa học (COD) chạm mức 2.500 mg/L và nhu cầu oxy sinh học (BOD5) lên tới 1.900 - 2.000 mg/L.

Đặc tính nguy hại của nước thải ngành giấy bắt nguồn từ hàm lượng cellulose, lignin, phẩm màu, hóa chất tẩy trắng và phụ gia phân tán khó phân hủy sinh học, đi kèm nhiệt độ xả thải biến động mạnh từ 36°C đến 70°C cùng độ pH dao động phức tạp từ 5,0 đến 10,0. Các phương pháp xử lý cơ học và hóa lý truyền thống như keo tụ hay tuyển nổi đòi hỏi chi phí hóa chất rất lớn và tạo ra khối lượng bùn thải thứ cấp khó xử lý. Nhờ tỷ lệ BOD5/COD đạt mức ≥ 0,5, dòng thải này rất thích hợp cho xử lý sinh học.

Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Vi sinh vật học tập trung thực hiện mục tiêu phân lập, tuyển chọn và đánh giá đặc tính của chủng vi khuẩn bản địa có khả năng chịu nhiệt, chịu biến động pH và sinh tổng hợp enzyme cellulase hoạt tính cao, từ đó tạo chế phẩm sinh học ứng dụng xử lý nước thải nhà máy giấy. Phạm vi nghiên cứu được triển khai thực nghiệm trên các nguồn nước thải thu thập trực tiếp tại Nhà máy giấy An Hòa (tỉnh Tuyên Quang) và Cụm công nghiệp giấy Phú Lâm (tỉnh Bắc Ninh) trong năm 2017. Kết quả đề tài mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi mở ra hướng xử lý sinh học hiếu khí hiệu quả cao, giúp hạ thấp trên 75% hàm lượng COD, kiểm soát tối ưu chỉ số lắng của bùn và cắt giảm từ 30% đến 40% chi phí vận hành cho các nhà máy sản xuất giấy.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng của hai khung lý thuyết khoa học cốt lõi: lý thuyết chuyển hóa sinh học hiếu khí của vi sinh vật dị dưỡng và cơ chế xúc tác phân giải cơ chất của phức hệ enzyme cellulase ngoại bào. Trong quá trình sinh trưởng hiếu khí, các tế bào vi sinh vật sử dụng các hợp chất hữu cơ ô nhiễm có trong nước thải làm nguồn cung cấp carbon và năng lượng để tổng hợp tế bào mới, chuyển hóa chất thải thành CO2, H2O, NH3 và sinh khối dạng bùn hoạt tính.

Đối với dòng thải giàu cellulose từ công nghiệp giấy, quá trình phân hủy sinh học phụ thuộc chặt chẽ vào hoạt lực của hệ enzyme cellulase (bao gồm endoglucanase, exoglucanase và β-glucosidase). Hệ enzyme này thủy phân có chọn lọc các liên kết β-1,4-glycosidic trong mạch phân tử cellulose cao phân tử để tạo thành cellobiose và giải phóng đường tự do glucose. Mô hình nghiên cứu tích hợp thêm lý thuyết động thái bùn hoạt tính lơ lửng, tập trung vào khả năng tạo bông sinh học và chỉ số lắng thể tích bùn (Sludge Volume Index - SVI) của các chủng vi khuẩn hình que thuộc chi Bacillus. Bốn khái niệm chính được vận hành xuyên suốt đề tài bao gồm: vi sinh vật chịu nhiệt và chịu axit, hoạt tính enzyme cellulase ngoại bào, chỉ số ô nhiễm COD/TSS và chất mang vi sinh (kaolin carrier).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ 10 mẫu nước thải lấy tại các bể cân bằng, bể vi sinh và bể lắng của Nhà máy giấy An Hòa cùng Cụm công nghiệp giấy Phú Lâm. Phương pháp lấy mẫu phân tầng ngẫu nhiên được lựa chọn nhằm bảo đảm tính đại diện tuyệt đối cho cả hai chu trình công nghệ sản xuất bột giấy và xeo giấy. Cỡ mẫu phân lập ban đầu gồm 15 dòng vi khuẩn được làm giàu và sàng lọc qua môi trường tuyển chọn chứa cellulose làm nguồn carbon duy nhất.

Các phương pháp phân tích chất lượng nước và đặc tính vi sinh vật được chuẩn hóa chặt chẽ theo các quy chuẩn hiện hành:

• Hàm lượng COD được xác định bằng phương pháp phá mẫu với dung dịch kali dicromat (K2Cr2O7) tại 150°C trong 120 phút và chuẩn độ lượng dicromat dư bằng muối Mohr theo TCVN 6491:1999 để đảm bảo tính chuẩn xác.
• Chỉ số chất rắn lơ lửng (TSS) và chỉ số thể tích bùn SVI được đo bằng phương pháp sấy mẫu đến khối lượng không đổi ở 105°C và quan sát độ lắng trong ống đong 1.000 mL sau 30 phút.
• Hoạt tính enzyme cellulase được đánh giá sơ bộ qua tỷ lệ đường kính vòng phân giải trên đường kính khuẩn lạc (D/d) sau khi nhuộm dung dịch Lugol, sau đó định lượng chính xác nồng độ đường khử bằng phương pháp quang phổ so màu tại bước sóng OD540nm với thuốc thử Acid Dinitrosalicylic (DNS).
• Định danh vi khuẩn kết hợp phương pháp sinh hóa chuẩn thức với công nghệ sinh học phân tử hiện đại: chiết tách DNA tổng số, thực hiện phản ứng khuếch đại chuỗi PCR đoạn gen 16S rRNA bằng cặp mồi chuẩn 27F/1492R qua 35 chu kỳ nhiệt, giải trình tự Sanger và đối chiếu mức độ tương đồng trên ngân hàng gen NCBI qua công cụ BLAST.
• Quy trình thử nghiệm xử lý nước thải được tiến hành theo dòng thời gian liên tục từ 24 đến 120 giờ tại hai quy mô phòng thí nghiệm: quy mô bình tam giác 250 mL (khảo sát mật độ vi khuẩn 10³ - 10⁶ CFU/mL) và quy mô bình phản ứng 5 L (khảo sát tốc độ cấp khí từ 15 đến 40 L/phút).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã ghi nhận 4 phát hiện quan trọng có giá trị khoa học và ứng dụng thực tiễn cao:

• Tuyển chọn chủng vi khuẩn ưu việt: Từ các mẫu nước thải ban đầu, tác giả đã sàng lọc thành công chủng vi khuẩn ký hiệu TD có hoạt lực phân giải cellulose mạnh nhất với tỷ số vòng phân giải đạt D/d > 3,5. Kết quả phân tích sinh học phân tử trình tự gen 16S rRNA và kiểm tra sinh hóa xác định chủng này là Bacillus subtilis TD với độ tương đồng di truyền đạt 99% so với ngân hàng gen quốc tế.
• Khả năng thích ứng môi trường khắc nghiệt: Chủng Bacillus subtilis TD thể hiện sức sống vượt trội khi sinh trưởng tốt ở dải nhiệt độ rộng từ 30°C đến 50°C (cực đại tại 35°C - 40°C) và thích nghi trên dải pH từ 4,0 đến 10,0. Mật độ tế bào đạt trạng thái tối ưu ở mức 10⁹ CFU/mL sau 21 giờ nuôi cấy khi được bổ sung 1,0% peptone với tốc độ lắc 150 vòng/phút.
• Hiệu suất xử lý COD đột phá: Ở quy mô 250 mL với tỷ lệ cấp giống 5% (mật độ 10⁶ CFU/mL), chủng Bacillus subtilis TD giúp giảm hơn 65% hàm lượng COD sau 72 giờ. Tại quy mô 5 L khi sử dụng chế phẩm BioTD (chất mang cao lanh, mật độ 2,8 × 10⁹ CFU/g), hiệu suất khử COD đạt đỉnh 78,5% - 82,3% sau 96 giờ ở chế độ cấp khí 30 - 40 L/phút, cao hơn gấp 3,2 lần so với mẫu đối chứng không cấp khí chỉ đạt dưới 25%.
• Khả năng tạo bùn hoạt tính và độ lắng lý tưởng: Nước thải sau xử lý bằng chế phẩm BioTD tạo thành các khối bông bùn màu nâu đồng nhất với kích thước từ 3 đến 5 µm. Chỉ số thể tích bùn SVI đo được đạt mức 85 - 115 mL/g, nằm trọn vẹn trong khoảng giá trị tối ưu, giúp bùn lắng nhanh trong vòng 15 đến 30 phút và tách pha trong suốt.

Thảo luận kết quả

Khả năng phân hủy cơ chất mạnh mẽ của Bacillus subtilis TD được lý giải nhờ cơ chế tiết enzyme cellulase ngoại bào hoạt tính cao, nhanh chóng cắt đứt các đại phân tử cellulose và hemicellulose lơ lửng trong nước thải thành các phân tử đường đơn. Quá trình này cung cấp nguồn dinh dưỡng dễ hấp thu cho chính hệ vi sinh vật hiếu khí, thúc đẩy chu trình oxy hóa sinh hóa các hợp chất hữu cơ hòa tan diễn ra nhanh gấp nhiều lần.

Khi so sánh với các công bố khoa học trước đây, hiệu quả của chủng Bacillus subtilis TD hoàn toàn tương thích và thể hiện nhiều ưu điểm vượt trội. Chẳng hạn, một số nghiên cứu về xử lý nước thải tinh bột bằng các chủng B. methylotrophicus đạt mức giảm COD 94,3%, hay chế phẩm sinh học từ B. mucilaginosus của các tác giả nước ngoài giúp giảm 68,5% COD. Tuy nhiên, phần lớn các chủng trước đây chỉ hoạt động tốt ở nhiệt độ phòng (25°C - 30°C) và pH trung tính. Chủng Bacillus subtilis TD trong luận văn này chứng minh được ưu thế thích nghi tuyệt vời khi chịu được nhiệt độ lên đến 50°C và môi trường pH thấp đặc trưng của dịch thải sản xuất giấy.

Dữ liệu thực nghiệm của nghiên cứu có thể được trực quan hóa rất rõ ràng thông qua hai dạng đồ thị chuẩn: đồ thị đường biểu diễn động học suy giảm COD theo thời gian ở các mức sục khí khác nhau (0, 15, 30, 40 L/phút) và bảng đối sánh chỉ số lắng thể tích bùn SVI theo từng giai đoạn xử lý. Các biểu đồ này minh chứng rõ nét rằng việc duy trì nồng độ oxy hòa tan thích hợp kết hợp với mật độ vi khuẩn 10⁵ CFU/mL là điều kiện tiên quyết để tối đa hóa hiệu quả phân hủy sinh học.

Đề xuất và khuyến nghị

• Sản xuất quy mô lớn chế phẩm BioTD dạng bột: Đơn vị sản xuất cần chuẩn hóa quy trình phối trộn sinh khối Bacillus subtilis TD với chất mang cao lanh đã sấy tiệt trùng theo tỷ lệ 1:2, sấy tầng sôi ở dải nhiệt 45°C - 50°C để duy trì độ ẩm sản phẩm dưới 10% và mật độ tế bào sống đạt ≥ 10⁹ CFU/g trong thời gian bảo quản tối thiểu 6 tháng.
• Tối ưu hóa hệ thống sục khí tại bể hiếu khí: Ban quản lý vận hành trạm xử lý cần điều chỉnh hệ thống phân phối khí tại bể Aerotank nhằm duy trì lưu lượng khí tương đương 30 - 40 L/phút cho mỗi đơn vị thể tích thử nghiệm, bảo đảm nồng độ oxy hòa tan (DO) đạt từ 2,0 đến 4,0 mg/L để kích thích tối đa quá trình phân giải hữu cơ.
• Áp dụng thử nghiệm mô hình pilot tại các nhà máy giấy: Các doanh nghiệp sản xuất giấy bao bì và bột giấy cần triển khai thử nghiệm bổ sung chế phẩm BioTD với liều lượng 0,1 - 0,2 g/m³ nước thải đầu vào, duy trì thời gian lưu nước từ 72 đến 96 giờ theo lộ trình 6 tháng để đánh giá độ ổn định thực tế.
• Kiểm soát thông số môi trường đầu vào nghiêm ngặt: Bộ phận kỹ thuật nhà máy phải thiết lập hệ thống giám sát tự động để kiểm soát nhiệt độ dòng thải trước khi vào bể sinh học luôn ở mức dưới 50°C và độ pH nằm trong dải 6,0 - 8,0, tạo điều kiện thuận lợi nhất cho vi khuẩn hoạt động và bảo đảm nước thải sau xử lý đạt chuẩn QCVN 12-MT:2015/BTNMT cột A.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Kỹ sư môi trường và chuyên viên vận hành hệ thống xử lý nước thải công nghiệp: Tiếp cận thông số kỹ thuật chi tiết về tỷ lệ cấp giống, chế độ cấp khí và phương pháp kiểm soát chỉ số bùn SVI để cải tạo trạm xử lý nước thải nhà máy giấy đang bị quá tải ô nhiễm hữu cơ.
• Học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Vi sinh vật học, Công nghệ Sinh học: Khai thác phương pháp luận chuẩn xác về quy trình phân lập vi khuẩn chịu nhiệt, phương pháp định lượng enzyme cellulase bằng thuốc thử DNS và kỹ thuật định danh sinh học phân tử qua đoạn gen 16S rRNA.
• Doanh nghiệp sản xuất chế phẩm sinh học môi trường: Ứng dụng quy trình công nghệ tạo chế phẩm vi sinh trên chất mang cao lanh để thương mại hóa các dòng sản phẩm xử lý nước thải giàu chất xơ và cellulose.
• Cơ quan quản lý tài nguyên môi trường và tổ chức tư vấn công nghệ: Sử dụng dữ liệu thực nghiệm để xây dựng các giải pháp kỹ thuật thân thiện với môi trường, phục vụ công tác thẩm định và ban hành hướng dẫn kỹ thuật kiểm soát ô nhiễm ngành sản xuất bột giấy.

Câu hỏi thường gặp

Chủng vi khuẩn Bacillus subtilis TD có những ưu điểm gì vượt trội so với các chủng vi sinh vật khác?
Chủng vi khuẩn bản địa này sở hữu khả năng sinh tổng hợp enzyme cellulase ngoại bào mạnh, đồng thời chịu được môi trường nhiệt độ cao lên tới 50°C và dải pH rộng từ 4,0 đến 10,0. Nhờ đó, vi khuẩn phát triển tốt trong dòng nước thải khắc nghiệt của ngành giấy mà không bị sốc tải hay ức chế sinh trưởng.

Chất mang cao lanh đóng vai trò gì trong việc tạo chế phẩm sinh học BioTD?
Chất mang cao lanh có diện tích bề mặt lớn, độ trơ hóa học cao, độ bền nhiệt tốt và khả năng bám dính tế bào tuyệt vời. Việc phối trộn cao lanh theo tỷ lệ 1:2 giúp bảo vệ bào tử Bacillus subtilis TD, duy trì mật độ vi khuẩn sống đạt trên 10⁹ CFU/g và độ ẩm dưới 10% khi bảo quản dài ngày.

Hiệu suất khử COD của chế phẩm BioTD đạt được là bao nhiêu trong điều kiện thực nghiệm?
Ở quy mô bình phản ứng 5 L với chế độ sục khí tối ưu 30 - 40 L/phút, chế phẩm BioTD giúp giảm từ 78,5% đến 82,3% hàm lượng COD sau 96 giờ xử lý. Kết quả này vượt trội hoàn toàn so với mức giảm dưới 25% của mẫu đối chứng không có sục khí.

Chỉ số thể tích bùn SVI đạt từ 85 đến 115 mL/g có ý nghĩa thực tế như thế nào?
Chỉ số SVI nằm trong khoảng 80 - 120 mL/g là ngưỡng lý tưởng nhất của quá trình xử lý sinh học hiếu khí. Giá trị này chứng tỏ bùn hoạt tính tạo bởi Bacillus subtilis TD có khả năng kết bông bền vững, lắng nhanh trong vòng 15 - 30 phút và không gây hiện tượng bùn trôi nổi làm đục nguồn nước đầu ra.

Khi ứng dụng chế phẩm này vào nhà máy giấy thực tế có cần bổ sung thêm hóa chất dinh dưỡng không?
Nước thải nhà máy giấy có tỷ lệ BOD5/COD ≥ 0,5 nên hệ vi sinh vật có thể tận dụng tốt nguồn carbon sẵn có. Tuy nhiên, để đạt tốc độ sinh trưởng cực đại trong giai đoạn đầu, hệ thống chỉ cần bổ sung một lượng nhỏ nguồn nitơ hữu cơ (như 0,5% - 1,0% peptone hoặc phân urê) mà không đòi hỏi các hóa chất đắt tiền.

Kết luận

• Tuyển chọn và định danh thành công chủng vi khuẩn bản địa Bacillus subtilis TD có hoạt tính cellulase cao, sinh trưởng bền bỉ tại nhiệt độ lên đến 50°C và dải pH từ 4,0 đến 10,0.
• Xác lập đầy đủ các thông số sinh trưởng tối ưu của chủng vi khuẩn tại nhiệt độ 35°C - 40°C, pH 6,0 - 7,0 và nồng độ peptone bổ sung 1,0%.
• Hoàn thiện quy trình công nghệ sản xuất chế phẩm sinh học BioTD dạng bột trên chất mang cao lanh với mật độ tế bào đạt ngưỡng 2,8 × 10⁹ CFU/g.
• Khẳng định hiệu suất xử lý nước thải nhà máy giấy vượt bậc với tỷ lệ khử COD đạt trên 80% cùng chỉ số thể tích bùn SVI đạt mức tối ưu 85 - 115 mL/g.
• Đóng góp giải pháp công nghệ sinh học xanh, mở ra lộ trình triển khai thử nghiệm pilot quy mô công nghiệp trong giai đoạn tới nhằm nâng cao hiệu quả bảo vệ môi trường cho ngành giấy Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Theo số liệu của Bộ Tài nguyên và Môi trƣờng, 43,3 % khu công nghiệp Việt Nam có công trình xử lý nƣớc thải tập trung, tuy nhiên thực tế trong số này, nhiều công trình hoạt động chƣa đạt hiệu quả cao. Nƣớc thải của ngành sản xuất giấy là một trong những nguồn gây ô nhiễm môi trƣờng nghiêm trọng. Nƣớc thải nhà máy giấy chứa chất rắn lơ lửng, bột giấy, lignin, hóa chất tẩy trắng, chất phụ gia và các chất hữu cơ hòa tan là những hợp chất có độc tính sinh thái cao, có nguy cơ gây ung thƣ, rất khó phân hủy trong môi trƣờng. Các chỉ số về chất lƣợng nƣớc thải công nghiệp sản xuất giấy cao hơn giới hạn cho phép rất nhiều, cụ thể: Trong giai đoạn sản xuất bột giấy, hàm lƣợng TSS: 2000 mg/l, COD: 2500 mg/l, BOD5:1900 mg/l, pH: 6,4 – 7,5; trong giai đoạn xeo giấy hàm lƣợng TSS: 3500 mg/l, COD: 2500 mg/l, BOD5:2000 mg/l, pH: 7,5 – 9 [27,29].

Hiện nay, có nhiều phƣơng pháp xử lý nƣớc thải nhƣ: phƣơng pháp vật lý, phƣơng pháp cơ học, phƣơng pháp hóa học, tuy nhiên, các phƣơng pháp này có chi phí cao và chƣa xử lý triệt để nguồn ô nhiễm. Xử lý sinh học là phƣơng pháp có nhiều ƣu điểm, do thân thiện với môi trƣờng và khắc phục đƣợc các hạn chế của phƣơng pháp khác[29]. Nƣớc thải nhà máy giấy có tỷ lệ BOD5/COD ≥ 0,5, thích hợp để xử lý sinh học. Đặc tính của nƣớc thải nhà máy giấy là môi trƣờng nghèo dinh dƣỡng chứa nhiều cellulose, nhiệt độ cao - biến động từ 36oC lên tới 70oC, pH thấp và nằm trong dải từ 5 – 10.

Do đó, chúng tôi tiến hành thực hiện đề tài “Phân lập, tuyển chọn và đặc tính chủng vi khuẩn có khả năng chịu nhiệt, chịu pH và sinh tổng hợp cellulase để xử lý nước thải nhà máy giấy”. Mục tiêu của đề tài: - Phân lập và tuyển chọn đƣợc chủng vi khuẩn có khả năng chịu nhiệt độ cao, chịu axit và có hoạt tính cellulase cao; - Xác định đƣợc ảnh hƣởng một số yếu tố đến sự sinh trƣởng của chủng vi khuẩn phân lập đƣợc; - Tạo đƣợc chế phẩm xử lý nƣớc thải nhà máy giấy; VŨ THỊ DINH 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌCTRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Thử nghiệm ứng dụng vi khuẩn trong xử lý nƣớc thải nhà máy giấy. Đồi tƣợng và phạm vi nghiên cứu: - Nƣớc thải của nhà máy giấy An Hòa và cụm công nghiệp giấy Phú Lâm. - Vi khuẩn có khả năng xử lý nƣớc thải nhà máy giấy, sinh trƣởng trong điều kiện nhiệt độ cao, pH thấp.

- Thử nghiệm xử lý nƣớc thải nhà máy giấy quy mô phòng thí nghiệm (quy mô 250 ml và 5 l). Nội dung nghiên cứu: - Khảo sát một số chỉ tiêu về chất lƣợng nƣớc thải nhà máy giấy. - Phân lập, tuyên chọn chủng vi khuẩn bản địa có hoạt tính phân hủy cellulose cao, có khả năng sinh trƣởng trong môi trƣờng nhiệt độ cao và pH thấp. Định tên chủng vi khuẩn sinh tổng hợp cellulase.

- Khảo các yếu tố ảnh hƣởng đến sự sinh trƣởng của chủngBacillus subtilis TD. - Tạo chế phẩm vi sinh vật xử lý nƣớc thải nhà máy giấy và khảo sát quá trình bảo quản chế phẩm. - Nghiên cứu quá trình xử lý nƣớc thải nhà máy giấy quy mô phòng thí nghiệm (250 ml và 5 l). VŨ THỊ DINH 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌCTRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Chƣơng 1 - TỔNG QUAN 1.

Tình hình phát triển của ngành sản xuất giấy và bột giấy 1. Sự phát triển của công nghiệp giấy trên thế giới Giấy đƣợc ngƣời Ai Cập làm ra từ sợi dây của cây papyrus từ thời cổ đại, vào năm 3500 trƣớc Công nguyên. Đến năm 105 sau Công nguyên, ngƣời Trung Quốc đã có bƣớc đột phá mới trong công nghệ sản xuất giấy và đƣợc coi là nguồn gốc của ngành giấy, chất lƣợng giấy thời này có thể so sánh với giấy thủ công ngày nay. Qua thời gian, ngành sản xuất giấy không ngừng phát triển, từ sản xuất thủ công ban đầu bằng cách kết những cây cỏ với nhau thành tấm, đến quy mô công nghiệp với công nghệ tiên tiến, tự động hóa trong các khâu sản xuất.

Nhu cầu tiêu thụ giấy trên thế giới ngày càng tăng: Năm 2013, mức tiêu thụ giấy bình quân đầu ngƣời ở Nhật Bản đạt khoảng 130 kg/ngƣời[19]. Trong đó, nhu cầu giấy bao bì và đóng gói chiếm tỷ lệ lớn nhất với 39% tổng sản lƣợng năm 1961 và 54% trong năm 2013[33]. Để đáp ứng mức nhu cầu trên, sản lƣợng giấy không ngừng tăng qua các năm, năm 1961 sản lƣợng giấy và bột giấy thế giới khoảng hơn 70 triệu tấn, đến năm 2013 đạt khoảng 397,6 triệu tấn. Trong đó, tổng sản lƣợng giấy của bốn nƣớc Trung Quốc, Mỹ, Nhật Bản và Đức chiếm hơn một nửa, khoảng 56%[33].

Ngoài 4 cƣờng quốc giấy trên, các quốc gia kháccũng không ngừng đẩy mạnh đầu tƣ phát triển ngành giấy nhƣ: nhà máy Andritz của Anh với sản lƣợng 220.000 tấn/năm, nhà máy Metsa Group của Phần Lan với sản lƣợng 1,3 triệu tấn/năm[3]. Song song với quá trình phát triển, lƣợng nƣớc thải ngành giấy thải ra môi trƣờng đã và đang là mối nguy của cả xã hội. Tuy nhiên với thiết bị công nghệ hiện đại, chu trình sản xuất tuần hoàn khép kín, các nhà máy sản xuất giấy và bột giấy của các nƣớc phát triển trên thế giới đã giảm lƣợng nƣớccung cấp cho quá trình sản xuất và lƣợng nƣớc thải thải ra môi trƣờng tới mức tối đa: Lƣợng nƣớc cung cấp cho quá trình sản xuấtkhoảng 7 - 15 m3 nƣớc/1 tấn giấy và bột giấy; Hóa chất sử dụng trong giai đoạn nấu bột và nƣớc trắng sinh ra trong quá trình xeo giấy đƣợc tuần hoàn sử dụng lại [9]. VŨ THỊ DINH 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌCTRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN 1.

Sự phát triển của ngành giấy ở Việt Nam Ngành giấy là một trong những ngành đƣợc hình thành từ rất sớm tại Việt Nam, khoảng năm 284. Từ giai đoạn này đến đầu thế kỷ 20, giấy đƣợc làm bằng phƣơng pháp thủ công phục vụ cho việc ghi chép, làm tranh dân gian và vàng mã. Đến thế kỷ 20, có nhiều nhà máy giấy và bột giấy đƣợc thành lập với quy mô nhỏ (dƣới 20. Ngành công nghiệp sản xuất giấy và bột giấy ở Việt Nam đã có những bƣớc phát triển vƣợt bậc, sản lƣợng giấy tăng trung bình 11%/năm trong giai đoạn 2000- 2006, sản lƣợng giấy cả năm 2010 tăng gần 10% so với năm 2009, ƣớc đạt 1,85 triệu tấn[18].

Theo số liệu thống kê từ Tổng cục Hải quan (TCHQ) Việt Nam, 4 tháng đầu năm 2016, Việt Nam đã xuất khẩu 161,7 triệu USD giấy và sản phẩm từ giấy, tăng 7,1% so với cùng kỳ năm 2015. Giấy và sản phẩm từ giấy của Việt Nam có mặt tại 17 quốc gia trên thế giới, trong đó Hoa Kỳ là thị trƣờng chủ yếu, chiếm 24%, kế đến là Nhật Bản và Đài Loan chiếm 18%. và các thị trƣờng khác chiếm 23%[2]. 1: Cơ cấu thị trƣờng xuất khẩu giấy và sản phẩm giấy 4 tháng 2016[2] Quy mô sản xuất của ngành giấy Việt Nam còn nhỏ: 46% doanh nghiệp có công suất dƣới 1.000 tấn/năm, 42% công suất từ 1.000 tấn/năm và chỉ có 4 doanh nghiệp có công suất trên 50.

Công suất trung bình của Việt Nam VŨ THỊ DINH 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌCTRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN là 5.800 tấn giấy và 13.000 tấn bột giấy/năm, thấp hơn rất nhiều so với các nƣớc khác trên thế giới và trong khu vực[6]. Công nghệ sản xuất của ngành giấy Việt Nam nhìn chung còn rất lạc hậu. Hiện nay ở Việt Nam có 3 phƣơng pháp sản xuất bột giấy chính là: phƣơng pháp sử dụng hóa chất, phƣơng pháp cơ-lý, phƣơng pháp tái chế giấy loại, đây đều là các phƣơng pháp sử dụng nhiều hóa chất và năng lƣợng. Công nghệ sản xuất bột giấy lạc hậu và gây ô nhiễm môi trƣờng trầm trọng nhƣ: công nghệ bột sulfat tẩy trắng, công nghệ sản xuất bột theo phƣơng pháp hóa nhiệt cơ, và phƣơng pháp xút không thu hồi hóa chất, hoặc công nghệ sản xuất theo phƣơng pháp kiềm lạnh[6].

Để sản xuất 1 tấn giấy cần dùng từ 200 –500 m3 nƣớc[9]. Công nghệ sản xuất giấy - bột giấy và đặc tính của nƣớc thải Công nghệ sản xuất giấy gồm hai quá trình cơ bản: Sản xuất bột giấy từ nguyên liệu thô và sản xuất giấy từ bột giấy (xeo giấy)[11]. Công nghiệp giấy và bột giấy có thể coi nhƣ hai ngành độc lập, sản xuất bột và sản xuất giấy. Nguyên liệu chủ yếu để sản xuất bột giấy từ xơ sợi thực vật (tre và gỗ mềm) và giấy tái chế (giấy đã qua sử dụng, giấy phế liệu và các chất thải từ các xƣởng đóng sách[3].

Do quá trình sản xuất giấy và bột giấyvới các công nghệ hoàn toàn khác nhau nên nƣớc thải khác nhau về lƣu lƣợng và tính chất[18]. Công nghệ sản xuất bột giấy và đặc tính của nƣớc thải Quá trình sản xuất bột giấy là quá trình biến đổi các nguyên liệu gỗ hoặc phi gỗ thành xơ sợi, hay nói cách khác là phá vỡ các liên kết trong cấu trúc của nguyên liệu mà thành phần chính của nó là cellulose (40 – 45%), hemicellulose (20 – 30%), là các hợp chất cao phân tử (polyme), đƣợc bao bọc xung quanh bởi lignin (20 – 30%) và các chất trích ly (chất keo nhựa) (2 – 15%)[27].  Công nghệ bột hóa học Bản chất của công nghệ bột hóa: sử dụng hóa chất để hòa tan các thành phần không phải sợi cellulose trong nguyên liệu[18]. Các dăm gỗ đƣợc nấu với những dinh dịch hóa chất thích hợp ở nhiệt độ cao và áp suất cao với mục đích tách lignin ra khỏi gỗ, thu hồi cellulose và hemicellulose.

Quy trình làm giảm và phân hủy một VŨ THỊ DINH 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌCTRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN phần cellulose và hemicellulose, tuy nhiên có khả năng loại bỏ lignin khá triệt để và sản phẩm giấy có độ bền tƣơng đối cao [3]. Hai công nghệ bột hóa chính: Công nghệ Kraft: là công nghệ nấu bột bằng kiềm (hỗn hợp NaOH và Na2S) có chức năng hòa tan lignin và hemicellulose để giải phóng sợi cellulose. Nƣớc thải - dịch nấu chứa hóa chất nấu và các hợp chất tự nhiên có trong gỗ, nhiều nhất là lignin, chứa nhiều kiềm (pH cao) và có mùi đặc trƣng của các hợp chất lƣu huỳnh, chỉ số COD và độ màu (do lignin) rất cao.