Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, ngành công nghiệp chế biến thực phẩm nói chung và chế biến thủy hải sản nói riêng tại Việt Nam đạt tốc độ tăng trưởng nhanh, đóng góp đáng kể vào kim ngạch xuất khẩu và giải quyết việc làm cho người lao động, đặc biệt tại khu vực Đồng bằng sông Cửu Long. Tuy nhiên, hoạt động chế biến thủy sản tiêu thụ một lượng nước rất lớn trong các công đoạn sơ chế, rửa, chế biến và vệ sinh nhà xưởng, kéo theo sự phát sinh dòng thải ô nhiễm có tải lượng hữu cơ cao, giàu chất dinh dưỡng (nitơ, photpho) và chứa nhiều thành phần sinh mùi hôi thối. Nếu không được thu gom và xử lý đạt quy chuẩn trước khi xả thải, nguồn nước thải này sẽ làm suy thoái nghiêm trọng chất lượng nguồn tiếp nhận, hủy hoại hệ sinh thái thủy sinh và tác động tiêu cực đến sức khỏe cộng đồng. Xuất phát từ thực tế đó, đề tài khóa luận được hình thành nhằm khảo sát hiện trạng phát sinh và tìm kiếm giải pháp ứng dụng công nghệ sinh học để nâng cao hiệu quả xử lý nước thải ngành chế biến thủy sản.
Mục tiêu nghiên cứu chính của khóa luận là xác định khả năng xử lý nước thải chế biến thủy sản bằng biện pháp sinh học. Để hiện thực hóa mục tiêu này, nhiệm vụ nghiên cứu được phân chia thành 6 nội dung cụ thể:
- Tổng quan về ngành chế biến thủy sản và đặc trưng nước thải thủy sản.
- Tổng quan về các phương pháp xử lý nước thải thủy sản hiện nay.
- Ứng dụng công nghệ sinh học trong xử lý nước thải thủy sản.
- Xử lý nitơ trong nước thải thủy sản.
- Sự cố công trình xử lý nước thải chế biến thủy sản và biện pháp khắc phục sự cố.
- Kết luận và kiến nghị.
Đối tượng nghiên cứu của đề tài tập trung vào đặc tính dòng thải phát sinh từ các quy trình chế biến thủy sản (chế biến cá phi lê, thủy sản đông lạnh, đồ khô) và hệ sinh vật tham gia vào các quá trình chuyển hóa chất ô nhiễm. Về phạm vi không gian, đề tài khảo sát tại một số nhà máy chế biến thủy sản và trạm xử lý nước thải tập trung trên địa bàn Thành phố Hồ Chí Minh cùng các tỉnh Tây Nam Bộ (tiêu biểu như Đồng Tháp, An Giang, Bến Tre, Kiên Giang, Cà Mau). Về dữ liệu thời gian, khóa luận tổng hợp các chuỗi số liệu thống kê sản xuất, hiện trạng ô nhiễm và nghiên cứu thực nghiệm trong giai đoạn từ năm 2003 đến năm 2010. Khóa luận mang ý nghĩa khoa học trong việc hệ thống hóa cơ sở động học sinh thái vi sinh để tối ưu hóa công nghệ sinh học, đồng thời có ý nghĩa kinh tế thông qua việc đề xuất giải pháp tiết kiệm chi phí đầu tư và vận hành công trình xử lý.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Khung lý thuyết của khóa luận dựa trên nguyên lý xử lý chất ô nhiễm bằng các quá trình sinh học (hiếu khí, thiếu khí và kị khí). Tác giả vận dụng lý thuyết động học sinh trưởng của vi sinh vật theo mô hình Monod, biểu diễn mối quan hệ giữa tốc độ sinh trưởng riêng ($\mu$), tốc độ sinh trưởng cực đại ($\mu_{\max}$), nồng độ cơ chất ($S$) và hằng số bán bão hòa ($K_s$):
$$\mu = \mu_{\max} \frac{S}{K_s + S}$$
Song song với quá trình tổng hợp sinh khối mới, tác giả đưa vào mô hình phương trình suy giảm sinh khối do hô hấp nội bào thông qua hệ số phân hủy nội bào ($K_d$). Ảnh hưởng của yếu tố nhiệt độ đến tốc độ phản ứng sinh hóa được xác định qua phương trình thực nghiệm $K_T = K_{20} \cdot \theta^{(T - 20)}$ với hệ số nhiệt $\theta = 1{,}047$. Yêu cầu cân bằng dinh dưỡng cho vi sinh vật hiếu khí được xác lập theo tỷ lệ chuẩn $\text{BOD}_5 : \text{N} : \text{P} = 100 : 5 : 1$ (hoặc $\text{COD} : \text{N} : \text{P} = 150 : 5 : 1$), duy trì trong dải pH tối ưu từ 6,5 đến 8,5. Về mặt pháp lý và kỹ thuật, các chỉ tiêu xả thải được đối chiếu trực tiếp với Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5945-2005 (Nước thải công nghiệp – Tiêu chuẩn thải, áp dụng đối với nguồn tiếp nhận loại B) và tiêu chuẩn tiếng ồn khu vực sản xuất (ngưỡng giới hạn 75 dB).
Phương pháp thực hiện được tác giả triển khai kết hợp giữa nghiên cứu lý luận và khảo sát thực tế:
- Phương pháp luận và phân tích tài liệu: Thu thập, tổng hợp và kế thừa dữ liệu từ giáo trình, bài báo khoa học, niên giám thống kê và các nghiên cứu chuyên khảo về đặc tính lý, hóa, sinh của nước thải thủy sản.
- Phương pháp khảo sát thực tế: Trực tiếp tham quan, khảo sát quy trình công nghệ và dây chuyền xử lý nước thải tại một số cơ sở thực tế, tiêu biểu là Trạm xử lý nước thải tập trung Khu công nghiệp Bình Chiểu (Thành phố Hồ Chí Minh).
- Nguồn số liệu thứ cấp: Dữ liệu phân tích thành phần ô nhiễm và hiện trạng công nghệ được trích xuất từ báo cáo của Viện Kỹ thuật Nhiệt đới và Bảo vệ Môi trường (năm 2007), Hiệp hội Chế biến và Xuất khẩu Thủy sản Việt Nam (VASEP, 2004), Niên giám Thống kê Việt Nam (năm 2004), số liệu quy hoạch của Bộ Thủy sản (năm 2010) và tài liệu chuyên khảo của PGS. TS. Lương Đức Phẩm.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Mở đầu
Chương này trình bày tính cấp thiết của đề tài trong bối cảnh công nghiệp hóa gắn liền với áp lực suy thoái môi trường. Tác giả nhấn mạnh đặc trưng của nước thải chế biến thủy sản là lưu lượng phát sinh lớn, tải lượng chất hữu cơ cao và nhiều hợp chất sinh mùi hôi tanh, đòi hỏi phải có biện pháp xử lý cuối đường ống thích hợp. Khóa luận xác lập mục tiêu trọng tâm là đánh giá và ứng dụng biện pháp sinh học, vạch rõ 6 nội dung nhiệm vụ nghiên cứu, phương pháp tiếp cận qua khảo sát thực tế tại KCN Bình Chiểu và xác định phạm vi nghiên cứu tại TP. Hồ Chí Minh cùng khu vực Tây Nam Bộ.
Chương 2: Tổng quan về ngành chế biến thủy sản
Nội dung chương tập trung làm rõ hiện trạng phát triển, các dây chuyền sản xuất thực tế và các nguồn ô nhiễm môi trường phát sinh từ ngành chế biến thủy sản.
Hiện trạng phát triển ngành tại các tỉnh phía Nam:
Theo số liệu quy hoạch của Bộ Thủy sản năm 2010, Việt Nam có khoảng 1.000 ha mặt nước chuyên nuôi trồng thủy sản, 544.000 ha ruộng trũng và 56.000 ha ao hồ. Tại các tỉnh Tây Nam Bộ như Đồng Tháp, An Giang, Bến Tre, trên 45% dân số sống bằng nghề nuôi trồng và đánh bắt thủy sản. Quy mô chế biến tại một số tỉnh trọng điểm năm 2003 được tổng hợp qua bảng số liệu sau:
| Tỉnh |
Số lượng cơ sở chế biến chính |
Sản phẩm chủ lực |
Kết quả sản xuất năm 2003 |
| Cà Mau |
10 cơ sở đông lạnh quy mô lớn, nhiều cơ sở đồ khô |
Thủy sản đông lạnh, hàng khô, nước mắm |
Giá trị 4.480,5 tỷ đồng; sản lượng 101.013 tấn |
| Kiên Giang |
15 cơ sở đông lạnh quy mô lớn, nhiều cơ sở đồ khô |
Thủy sản đông lạnh, hàng khô, nước mắm |
Giá trị 3.091,0 tỷ đồng; sản lượng 122.000 tấn |
| Trà Vinh |
10 cơ sở đông lạnh quy mô lớn, nhiều cơ sở khác |
Thủy sản đông lạnh, hàng khô, nước mắm |
Giá trị 1.388,5 tỷ đồng; sản lượng 63.896 tấn |
| Đồng Tháp |
4 cơ sở đông lạnh, đồ khô (quy mô >2.000 tấn/năm) |
Thủy sản đông lạnh, hàng khô, nước mắm |
Giá trị 522,1 tỷ đồng; sản lượng 18.901 tấn |
| Bến Tre |
10 cơ sở đông lạnh quy mô lớn, nhiều cơ sở đồ khô |
Thủy sản đông lạnh, hàng khô, nước mắm |
Giá trị 1.247,7 tỷ đồng; sản lượng 26.950 tấn |
| Sóc Trăng |
7 cơ sở đông lạnh, đồ khô (2.000 - 20.000 tấn/năm) |
Thủy sản đông lạnh, hàng khô, đồ hộp |
Giá trị 1.362,6 tỷ đồng; sản lượng 28.570 tấn |
| An Giang |
9 cơ sở đông lạnh, đồ khô (50 - 300 tấn/ngày) |
Thủy sản đông lạnh, hàng khô, đồ hộp |
Giá trị 1.535,5 tỷ đồng; sản lượng 67.473 tấn |
Dây chuyền sản xuất và nguồn phát sinh dòng thải:
Khóa luận khảo sát 4 quy trình sản xuất thực tế nhằm định vị chính xác vị trí phát sinh chất thải:
- Công ty Seapimex (sản xuất đồ khô): Nước thải phát sinh từ công đoạn sơ chế (chải sạch cát, chặt đầu, lặt dè, bỏ sống) có thông số $\text{COD} = 100 - 800\text{ mg/L}$, $\text{SS} = 30 - 100\text{ mg/L}$, $\text{N}_{\text{tc}} = 17 - 31\text{ mg/L}$.
- Công ty Hùng Vương Sa Đéc: Nước thải phát sinh chủ yếu từ các khâu rửa. Lượng nước rửa lần 1 chiếm khoảng $40\text{ m}^3 / 100\text{ tấn cá}$; khâu sơ chế sử dụng lượng nước bằng 1/3 lần 1; khâu rửa lần 2 phát sinh lượng nước thải lớn nhất, đạt $58 - 60\text{ m}^3 / 100\text{ tấn cá}$.
- Công ty Vĩnh Hoàn: Dây chuyền gồm các bước Tiếp nhận nguyên liệu $\rightarrow$ Rửa 1 $\rightarrow$ Cân phân cỡ $\rightarrow$ Đánh vẩy, bỏ nội tạng $\rightarrow$ Rửa 2 $\rightarrow$ Cân phân cỡ $\rightarrow$ Rửa 3 $\rightarrow$ Ngâm $\rightarrow$ Rửa 4 $\rightarrow$ Vô khay $\rightarrow$ Cấp đông. Trong đó, khâu đánh vẩy và bỏ nội tạng phát sinh cặn lơ lửng và chất khó phân hủy; khâu rửa 2 phát sinh nhiều nước thải hữu cơ và vi khuẩn gây bệnh nhất; khâu ngâm sinh ra tải lượng ô nhiễm lớn dù dùng ít nước. Nước thải chung có $\text{COD} = 1.600 - 2.300\text{ mg/L}$, $\text{BOD} = 1.200 - 1.800\text{ mg/L}$, nitơ tổng $50 - 120\text{ mg/L}$, $\text{SS} = 200 - 1.000\text{ mg/L}$.
- Công ty TNHH Thủy sản ANGST-TRƯỜNG VINH: Công đoạn lóc thịt sinh ra phế phẩm rắn (máu, da, vảy, ruột, xương), còn công đoạn rửa 2 tạo ra tải lượng ô nhiễm cao nhất chứa protein, lipid, hydrocacbon và vi sinh vật ký sinh.
Các vấn đề môi trường khác:
Bên cạnh nước thải, ngành chế biến thủy sản phát sinh khí độc và mùi hôi ($\text{Cl}_2$, $\text{NH}_3$, $\text{H}_2\text{S}$, trimetylamin, dimetylamin), rò rỉ dung môi làm lạnh ($\text{R12}$, $\text{R22}$, $\text{NH}_3$, $\text{CFCs}$), khí thải lò nấu chứa $\text{CO}_2$, $\text{CO}$, $\text{SO}_x$, $\text{NO}_2$ và bụi than. Hơi chlorine khuếch tán từ nước khử trùng nồng độ $20 - 200\text{ ppm}$. Chất thải rắn gồm đầu, vỏ, nội tạng và bùn thải sinh học. Tiếng ồn vận hành thiết bị phải kiểm soát theo ngưỡng $75\text{ dB}$.
Đặc tính và tải lượng ô nhiễm nước thải:
Nước thải thủy sản có $\text{pH} = 6{,}5 - 7{,}5$, $\text{BOD}_5 = 300 - 2.000\text{ mg/L}$ (điển hình $1.000\text{ mg/L}$), $\text{COD} = 500 - 3.000\text{ mg/L}$ (điển hình $1.500\text{ mg/L}$), $\text{SS} = 200 - 1.000\text{ mg/L}$ (điển hình $500\text{ mg/L}$), nitơ tổng $50 - 200\text{ mg/L}$ (điển hình $100\text{ mg/L}$), photpho tổng $10 - 100\text{ mg/L}$ (điển hình $30\text{ mg/L}$). Kết quả phân tích 70 mẫu nước thải tại Vũng Tàu cho thấy COD biến thiên rất mạnh, từ $283\text{ mg/L}$ đến $21.026\text{ mg/L}$.
Bảng số liệu ô nhiễm tại các nhà máy chế biến thủy sản đông lạnh (theo Viện Kỹ thuật Nhiệt đới và Bảo vệ Môi trường, 2007) được trình bày như sau:
| STT |
Cơ sở sản xuất |
Công suất (tấn sản phẩm/ngày) |
SS (mg/L) |
BOD5 (mg/L) |
COD (mg/L) |
N (mg/L) |
P (mg/L) |
| 1 |
Công ty XNK Thủy sản Việt Nam (SEAPRODEX) |
12 – 15 |
484 |
3.300 |
3.960 |
198 |
21 |
| 2 |
Công ty Chế biến Hàng xuất khẩu Q3 (EPCO) |
25 – 30 |
396 |
2.700 |
3.240 |
162 |
19 |
| 3 |
XNXK Thủy hải sản Seaspimex |
6 – 9 |
380 |
1.100 |
1.425 |
110 |
23 |
| 4 |
XN Đông lạnh Nhà Bè |
3,5 – 5 |
53 |
360 |
423 |
22 |
5 |
| 5 |
XN CBTSXK Cần Thơ |
3 – 6 |
200 |
682 |
900 |
30 |
8 |
| 6 |
Công ty XNKTS An Giang |
8 – 12 |
1.028 |
900 |
— |
40 |
10 |
| 7 |
Cty CBTSXK Nha Trang |
4 – 6 |
420 |
533 |
810 |
54 |
17 |
| 8 |
Cty Animex Đà Nẵng |
1 – 2 |
351 |
460 |
630 |
— |
— |
| 9 |
Xí nghiệp Đông lạnh Huế |
2 – 3 |
— |
428 |
717 |
— |
— |
| 10 |
Cty XNK TS Quảng Ninh |
4 – 6 |
— |
— |
1.347 |
189 |
47 |
So sánh với TCVN 5945-2005 loại B, nồng độ ô nhiễm vượt chuẩn nhiều lần: SS vượt 1 - 5 lần, $\text{BOD}_5$ vượt 3 - 18 lần, COD vượt 2 - 14 lần, nitơ tổng vượt đến 1,8 lần, photpho tổng vượt đến 4,2 lần, dầu mỡ động vật ($80 - 250\text{ mg/L}$) vượt đến 2,6 lần. Tỷ số $\text{BOD}_5/\text{COD}$ đạt từ 0,6 đến 0,7, chứng minh nước thải rất thuận lợi cho quá trình phân hủy sinh học.
Chương 3: Tổng quan về các phương pháp xử lý nước thải chế biến thủy sản
Chương này phân tích nguyên lý kỹ thuật của 3 nhóm phương pháp xử lý:
Phương pháp cơ học: Đóng vai trò xử lý sơ bộ nhằm loại bỏ tạp chất không tan, tránh tắc nghẽn bơm và đường ống.
- Song chắn rác: Loại thô có khoảng cách khe $30 - 200\text{ mm}$, loại trung bình $5 - 25\text{ mm}$, tiết diện thanh tròn ($d = 8 - 10\text{ mm}$) hoặc chữ nhật ($10 \times 60\text{ mm}$), đặt nghiêng góc $45^\circ - 90^\circ$ hoặc $60^\circ - 90^\circ$. Rác hữu cơ thô được chuyển sang máy nghiền đưa về bể mêtan.
- Lưới lọc: Dùng loại tang trống để giữ cặn mịn kích thước $< 5\text{ mm}$.
- Bể lắng cát: Tách hạt vô cơ không tan nhằm bảo vệ bể phân hủy bùn; phổ biến nhất là bể lắng cát ngang.
- Bể lắng đứng và lắng ngang: Chia thành lắng đợt 1 (trước xử lý sinh học) và lắng đợt 2 (thu hồi bùn sinh học sau xử lý hiếu khí).
- Bể vớt dầu: Tách dầu mỡ động vật nổi lên mặt nước bằng tấm gạt hoặc máy hút, ngăn chặn nguy cơ bít tắc lỗ rỗng vật liệu lọc và phá hủy cấu trúc bùn hoạt tính trong bể Aerotank.
Phương pháp hóa lý:
- Trung hòa: Dùng dung dịch axit ($\text{HCl}$, $\text{H}_2\text{SO}_4$) hoặc kiềm, oxit kiềm ($\text{NaOH}$, $\text{CaO}$, $\text{Ca(OH)}_2$, $\text{CaCO}_3$, $\text{MgO}$, $\text{Mg(OH)}_2$) để đưa pH về ngưỡng tối ưu cho vi sinh vật.
- Keo tụ - đông tụ: Phá vỡ thế điện động của các hạt keo tích điện âm (hữu cơ, silic) hoặc dương (hydroxit kim loại). Hóa chất keo tụ thông dụng là phèn nhôm $\text{Al}_2(\text{SO}_4)_3 \cdot 18\text{H}_2\text{O}$ (tối ưu ở $\text{pH} = 5$) hoặc phèn sắt, kết hợp chất trợ đông tụ (tinh bột, dextrin, polyacrylamit nồng độ $1 - 5\text{ mg/L}$) nhằm tăng tốc độ lắng của bông keo.
- Tuyển nổi: Thổi bọt khí mịn dính bám hạt lơ lửng kém lắng và chất hoạt động bề mặt đưa lên mặt nước để tách bọt.
- Hấp phụ: Than hoạt tính, đất sét hoạt tính hoặc silicagen có khả năng khử $58 - 95%$ chất hữu cơ hòa tan, chất màu và mùi độc hại.
- Trao đổi ion: Sử dụng chất ionit tự nhiên (zeolit, đất sét) hoặc nhựa tổng hợp để tách kim loại nặng ($\text{Zn}$, $\text{Cu}$, $\text{Cr}$, $\text{Ni}$, $\text{Pb}$, $\text{Cd}$) và làm mềm nước ($\text{Ca}^{2+}$, $\text{Mg}^{2+}$).
Phương pháp sinh học:
Dựa trên hoạt động chuyển hóa cơ chất hữu cơ của vi sinh vật qua 5 pha sinh trưởng: pha tiềm phát (lag phase), pha tăng trưởng logarit (lũy tiến), pha chậm dần, pha ổn định và pha suy vong (hô hấp nội bào). Quá trình phân hủy chia thành 2 hình thức:
- Phân hủy hiếu khí: Vi khuẩn dị dưỡng oxy hóa chất hữu cơ tạo $\text{CO}_2$, $\text{H}_2\text{O}$ và tổng hợp tế bào mới ($\text{C}_5\text{H}_7\text{NO}_2$); vi khuẩn tự dưỡng (Nitrosomonas, Nitrobacter) oxy hóa amoni thành nitrit và nitrat. Nhiệt độ tối ưu đạt $25 - 30^\circ\text{C}$ (dải thích hợp $20 - 40^\circ\text{C}$). Quá trình ứng dụng qua bùn hoạt tính lơ lửng (bông bùn $2 - 150\text{ }\mu\text{m}$) hoặc màng sinh học bám dính trên giá thể sỏi cuội, cát, than (màng dày $1 - 2\text{ mm}$, hiệu suất giữ vi khuẩn đến $99%$).
- Phân hủy kị khí: Diễn ra qua 2 giai đoạn (thủy phân và tạo khí) với 2 pha đặc trưng là pha axit ($\text{pH} < 5$, tạo axit hữu cơ ngắn mạch) và pha kiềm ($\text{pH}$ tăng, chuyển hóa sản phẩm thành khí sinh học chứa $60 - 75%\text{ CH}_4$).
Chương 4: Ứng dụng công nghệ sinh học trong xử lý nước thải
Chương này đi sâu vào công nghệ bùn hoạt tính sinh trưởng lơ lửng hoạt động gián đoạn thông qua bể phản ứng sinh học theo mẻ SBR (Sequencing Batch Reactor) – giải pháp phù hợp với nước thải thủy sản giàu hữu cơ và nitơ.
Cơ chế làm việc của bể SBR:
Một chu kỳ vận hành của hệ thống SBR diễn ra tuần tự qua các pha: Bơm nước thải vào $\rightarrow$ Sục khí phản ứng (tạo bùn hạt hiếu khí) $\rightarrow$ Lắng tĩnh $\rightarrow$ Hút xả nước trong. Trong pha hiếu khí, quá trình oxy hóa cơ chất, sinh tổng hợp sinh khối và nitrat hóa amoni diễn ra đồng thời:
$$2\text{NH}_4^+ + 3\text{O}_2 \xrightarrow{\text{Nitrosomonas}} 2\text{NO}_2^- + 4\text{H}^+ + 2\text{H}_2\text{O}$$
$$2\text{NO}_2^- + \text{O}_2 \xrightarrow{\text{Nitrobacter}} 2\text{NO}_3^-$$
Hệ sinh vật trong bể SBR:
Dựa trên tài liệu của PGS. TS. Lương Đức Phẩm, thành phần và chức năng của các nhóm vi khuẩn chủ đạo trong bể SBR được tổng hợp như sau:
| STT |
Vi khuẩn |
Chức năng chuyển hóa chính |
| 1 |
Pseudomonas |
Phân hủy hydratcacbon, protein, các chất hữu cơ và khử nitrat |
| 2 |
Arthrobacter |
Phân hủy hydratcacbon |
| 3 |
Bacillus |
Phân hủy hydratcacbon, protein |
| 4 |
Cytophaga |
Phân hủy polimer |
| 5 |
Zoogloea |
Tạo thành chất nhầy (polisaccarit), chất keo tụ tạo bông |
| 6 |
Acinetobacter |
Tích lũy poliphotphat, khử nitrat |
| 7 |
Nitrosomonas |
Nitrit hóa (chuyển hóa $\text{NH}_4^+$ thành $\text{NO}_2^-$) |
| 8 |
Nitrobacter |
Nitrat hóa (chuyển hóa $\text{NO}_2^-$ thành $\text{NO}_3^-$) |
| 9 |
Sphaerotilus |
Sinh nhiều tiêm mao, phân hủy các chất hữu cơ |
| 10 |
Alcaligenes |
Phân hủy protein, khử nitrat |
| 11 |
Flavobacterium |
Phân hủy protein |
| 12 |
Nitrococcus denitrificans |
Khử nitrat thành $\text{N}_2$ |
| 13 |
Thiobacillus denitrificans |
Khử nitrat |
| 14 |
Hyphomicrobium |
Khử nitrat |
| 15 |
Desulfovibrio |
Khử sunfat, khử nitrat |
Về mặt sinh thái học, quần xã sinh vật trong bể SBR phân thành 5 nhóm:
- Vi sinh vật tạo bọt khí và kết bông: Vi khuẩn Zoogloea ramigera, nấm và động vật nguyên sinh giúp kết dính hạt bùn.
- Vi sinh vật hoại sinh: Nhóm gram âm phân giải chất hữu cơ sơ cấp và thứ cấp (Bacillus, Pseudomonas, Micrococcus).
- Vi khuẩn nitrat hóa: Tự dưỡng gồm Nitrosomonas và Nitrobacter.
- Động vật ăn thịt: Động vật nguyên sinh (Protozoa) gồm khoảng 230 loài, chiếm khoảng $5%$ tổng sinh khối bùn hoạt tính, ăn vi khuẩn già và vi khuẩn tự do giúp nước trong.
- Sinh vật gây hại: Vi khuẩn dạng sợi (Sphaerotilus natans) và nấm phát triển quá mức gây hiện tượng khó lắng; vi khuẩn kỵ nước như Nocardia và Microthrix parvicella tích tụ tạo bọt khí bền vững trên bề mặt, gây thiếu oxy và cản trở lắng.
Kết quả và đóng góp
Khóa luận đã tổng hợp và lượng hóa chi tiết các thông số kỹ thuật cốt lõi của dòng thải ngành chế biến thủy sản:
- Xác lập dải biến thiên thông số nước thải: COD từ $500$ đến $3.000\text{ mg/L}$ (điển hình $1.500\text{ mg/L}$), $\text{BOD}_5$ từ $300$ đến $2.000\text{ mg/L}$ (điển hình $1.000\text{ mg/L}$), chất rắn lơ lửng SS từ $200$ đến $1.000\text{ mg/L}$ (điển hình $500\text{ mg/L}$), nitơ tổng từ $50$ đến $200\text{ mg/L}$ và photpho tổng từ $10$ đến $100\text{ mg/L}$.
- Xác định mức độ vượt chuẩn so với TCVN 5945-2005 (loại B): SS vượt 1 - 5 lần, $\text{BOD}_5$ vượt 3 - 18 lần, COD vượt 2 - 14 lần, nitơ tổng vượt đến 1,8 lần, photpho tổng vượt đến 4,2 lần, dầu mỡ động vật vượt đến 2,6 lần.
- Chứng minh khả năng ứng dụng công nghệ sinh học: Tỷ số $\text{BOD}_5/\text{COD}$ thực tế đạt $0{,}6 - 0{,}7$, phản ánh hàm lượng chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học chiếm ưu thế tuyệt đối.
- Định mức phát sinh nước thải theo công đoạn: Khảo sát tại nhà máy thực tế xác định công đoạn rửa 1 phát sinh $40\text{ m}^3 / 100\text{ tấn cá}$, công đoạn rửa 2 phát sinh $58 - 60\text{ m}^3 / 100\text{ tấn cá}$.
- Hệ thống hóa giải pháp công nghệ: Khóa luận đề xuất dây chuyền kết hợp xử lý cơ học (song chắn rác, lắng cát, bẫy mỡ), xử lý hóa lý (keo tụ/tuyển nổi khi cần trợ lắng) và trọng tâm là công nghệ bùn hoạt tính phản ứng theo mẻ SBR nhằm xử lý đồng thời chất hữu cơ và nitơ trong cùng một công trình.
- Đóng góp khoa học và thực tiễn: Khóa luận cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm về ô nhiễm nước thải của 10 nhà máy chế biến thủy sản điển hình tại Việt Nam, đồng thời lập danh mục 15 chủng vi khuẩn chức năng và 5 nhóm sinh thái bùn hoạt tính, làm tài liệu tham khảo cho tính toán thiết kế kỹ thuật.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Khóa luận có một số hạn chế gắn liền với phạm vi tiếp cận của tác giả:
- Dữ liệu nghiên cứu chủ yếu dừng ở mức độ tổng quan tài liệu, kế thừa số liệu quan trắc sẵn có từ các viện nghiên cứu và khảo sát hiện trường một số trạm xử lý (như KCN Bình Chiểu), chưa có chuỗi số liệu vận hành mô hình thực nghiệm (pilot) tự thực hiện.
- Phần văn bản trích lục kết thúc ở đầu Chương 4, do đó các phân tích chuyên sâu về công nghệ xử lý nitơ nâng cao (khử nitrat hóa kị khí/thiếu khí), phương pháp dùng thực vật thủy sinh và giải pháp khắc phục các sự cố công trình cụ thể (được nêu trong đề cương nhiệm vụ ở Chương 1) chưa được thể hiện trọn vẹn trong tài liệu này.
Hướng nghiên cứu tiếp theo được xác định dựa trên phạm vi mở rộng của đề tài:
- Thiết lập mô hình phòng thí nghiệm hoặc pilot liên tục đối với bể SBR xử lý nước thải thủy sản nhằm xác định chính xác thời gian lưu nước, tuổi bùn và chu kỳ sục khí/lắng tối ưu cho từng loại nguyên liệu (tôm, cá tra, cá ba sa).
- Nghiên cứu các giải pháp kiểm soát sinh học đối với sự phát triển của vi khuẩn dạng sợi (Sphaerotilus natans) và vi khuẩn tạo bọt thừa (Nocardia, Microthrix parvicella) nhằm ổn định quá trình lắng của bùn hoạt tính.
Giá trị tham khảo
Bản khóa luận là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, học viên cao học và cán bộ kỹ thuật thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Môi trường, Quản lý Môi trường, Công nghệ Môi trường và Công nghệ Sinh học:
- Cung cấp số liệu định mức và tải lượng ô nhiễm thực tế: Các bảng thống kê nồng độ ô nhiễm tại 10 nhà máy chế biến thủy sản đông lạnh (Bảng 2.3) và định mức tiêu thụ nước theo công đoạn là cơ sở tin cậy phục vụ tính toán đồ án thiết kế trạm xử lý nước thải ngành thủy sản.
- Cung cấp cơ sở tính toán công nghệ sinh học: Hệ thống công thức động học Monod, thông số cân bằng dinh dưỡng ($\text{BOD}_5 : \text{N} : \text{P} = 100 : 5 : 1$), dải vận hành của song chắn rác, bể lắng cát, bể tách dầu mỡ giúp người làm thiết kế tra cứu nhanh thông số công nghệ.
- Tài liệu học tập chuyên ngành: Bảng phân loại chức năng của các loài vi khuẩn trong hệ thống bùn hoạt tính SBR (Bảng 4.1) là tài liệu tham khảo chất lượng cho môn học Vi sinh vật học môi trường và Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học.
Câu hỏi thường gặp
1. Tỷ số $\text{BOD}_5/\text{COD}$ của nước thải chế biến thủy sản trong khóa luận đạt bao nhiêu và có ý nghĩa gì đối với việc lựa chọn công nghệ xử lý?
Nước thải chế biến thủy sản có tỷ số $\text{BOD}_5/\text{COD}$ dao động trong khoảng từ 0,6 đến 0,7. Tỷ số này cao hơn nhiều so với ngưỡng 0,5, chứng minh phần lớn chất hữu cơ trong nước thải là các hợp chất dễ bị phân hủy sinh học (protein, mỡ, axit amin), khẳng định việc lựa chọn phương pháp sinh học làm công nghệ xử lý bậc hai cốt lõi là tối ưu và khả thi về mặt kỹ thuật.
2. Công đoạn nào trong quy trình chế biến cá phi lê phát sinh lượng nước thải và chất thải lớn nhất?
Theo khảo sát tại Công ty Hùng Vương Sa Đéc và Công ty ANGST-TRƯỜNG VINH, công đoạn rửa lần 2 (sau sơ chế/lóc thịt chuẩn bị vào chế biến chính) là khâu sinh ra lượng nước thải lớn nhất, đạt từ $58\text{ m}^3$ đến $60\text{ m}^3$ cho mỗi 100 tấn cá nguyên liệu. Đây cũng là công đoạn mang tải lượng ô nhiễm cao nhất, chứa nhiều vụn thịt, máu cá, protein, lipid và vi khuẩn ký sinh hòa tan.
3. Mức độ vượt tiêu chuẩn TCVN 5945-2005 (loại B) của nước thải chế biến thủy sản được tác giả ghi nhận cụ thể như thế nào?
Khi so sánh với TCVN 5945-2005 loại B, nước thải chế biến thủy sản vượt quy chuẩn ở hầu hết các chỉ tiêu: hàm lượng cặn lơ lửng SS vượt từ 1 đến 5 lần, nhu cầu oxy sinh hóa $\text{BOD}5$ vượt từ 3 đến 18 lần, nhu cầu oxy hóa học COD vượt từ 2 đến 14 lần, tổng nitơ ($\text{N}{\text{ts}}$) vượt đến 1,8 lần, tổng photpho ($\text{P}_{\text{ts}}$) vượt đến 4,2 lần và dầu mỡ động vật vượt đến 2,6 lần.
4. Bể phản ứng theo mẻ SBR vận hành theo quy trình nào và các chủng vi khuẩn nào chịu trách nhiệm chính trong quá trình nitrat hóa?
Bể SBR hoạt động tuần tự và gián đoạn trong cùng một bể theo chu kỳ 4 pha: bơm nước thải vào $\rightarrow$ sục khí phản ứng $\rightarrow$ lắng tĩnh $\rightarrow$ hút nước trong ra. Quá trình chuyển hóa nitơ trong bể do nhóm vi khuẩn tự dưỡng thực hiện: loài Nitrosomonas oxy hóa amoni thành nitrit ($2\text{NH}_4^+ + 3\text{O}_2 \rightarrow 2\text{NO}_2^- + 4\text{H}^+ + 2\text{H}_2\text{O}$) và loài Nitrobacter tiếp tục oxy hóa nitrit thành nitrat ($2\text{NO}_2^- + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{NO}_3^-$).
5. Những sinh vật gây hại nào được tác giả cảnh báo trong hệ thống bùn hoạt tính lơ lửng và chúng gây ra sự cố gì?
Hai tác nhân sinh học gây hại chính được tác giả chỉ rõ là vi khuẩn dạng sợi (Sphaerotilus natans) và nhóm vi khuẩn có bề mặt tế bào không ưa nước (Nocardia, Microthrix parvicella). Khi phát triển quá mức, vi khuẩn dạng sợi làm bùn khó lắng và kết khối kém, trong khi Nocardia và Microthrix parvicella giữ lại các bọt khí nổi lên mặt nước tạo thành lớp bọt dày đặc, gây hiện tượng dư bọt và tạo vùng yếm khí cục bộ trong hệ thống hiếu khí.
Kết luận
Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Dương Hồng Thanh Tân đã hệ thống hóa bức tranh toàn cảnh về hiện trạng sản xuất, các dòng thải ô nhiễm và tính chất lý hóa đặc trưng của nước thải ngành chế biến thủy sản tại khu vực Nam Bộ. Trên cơ sở phân tích tỷ số $\text{BOD}_5/\text{COD}$ đạt $0{,}6 - 0{,}7$ cùng sự vượt chuẩn nghiêm trọng của các chỉ tiêu SS, BOD, COD, N và P so với TCVN 5945-2005 (loại B), tác giả khẳng định tính tất yếu của việc áp dụng giải pháp công nghệ sinh học. Công trình làm rõ động học quá trình phân hủy hiếu khí, kị khí và đi sâu phân tích hệ sinh vật cùng cơ chế làm việc của bể phản ứng theo mẻ SBR. Đây là tài liệu tổng quan có giá trị khoa học và thực tiễn cao, đóng vai trò nguồn tham khảo hữu ích cho công tác học tập, nghiên cứu và thiết kế hệ thống xử lý nước thải công nghiệp chế biến thủy sản.