Tài liệu Nghiên cứu tạo chế phẩm vi sinh vật xử lý nƣớc thải chế biến tinh bột sắn

  • Số trang: 142 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 577 |
  • Lượt tải: 0
dangvantuan

Tham gia: 02/08/2015

Mô tả:

B NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN VIỆN KHOA HỌC NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM -------------- VŨ THÚY NGA NGHIÊN CỨU TẠO CHẾ PHẨM VI SINH VẬT XỬ LÝ NƢỚC THẢI CHẾ BIẾN TINH BỘT SẮN Chuyên ngành: Công nghệ sinh học Mã số: 62.42.02.01 LUẬN ÁN TIẾN SỸ NÔNG NGHIỆP NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. Phạm Văn Toản 2. PGS.TS. Nguyễn Văn Viết HÀ NỘI, 2016 MỤC LỤC Trang Lời cam đoan Lời cảm ơn Mục lục Danh mục chữ viết tắt Danh mục bảng Danh mục hình MỞ ĐẦU 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1.Tinh bột sắn và nƣớc thải chế biến tinh bột sắn 1.1.1.Tinh bột sắn và qui trình chế biến 1.1.2. Nƣớc thải chế biến tinh bột sắn 1.1.3. Ô nhiễm môi trƣờng do nƣớc thải chế biến tinh bột sắn 1.2. Xử lý nƣớc thải chế biến tinh bột sắn. 1.2.1. Phƣơng pháp xử lý sinh học trong điều kiện tự nhiên. 1.2.2. Phƣơng pháp xử lý sinh học trong điều kiện nhân tạo. 4 4 4 10 13 15 17 18 CHƢƠNG 2: VẬT LIỆU, N I DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Vật liệu 2.1.1. Các mẫu thu thập và chủng vi sinh vật 2.1.2. Hóa chất tinh khiết 2.1.3. Dung dịch và môi trƣờng nuôi cấy vi sinh vật 2.1.4. Thiết bị, dung cụ 2.2. Nội dung nghiên cứu 2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu 2.3.1. Phƣơng pháp lấy mẫu, xử lý mẫu 2.3.2. Phƣơng pháp xác định đặc điểm (tính chất) nƣớc thải CBTBS 2.3.3. Phƣơng pháp phân lập tuyển chọn vi sinh vật 2.3.4. Định danh vi sinh vật tuyển chọn 2.3.5. Nhân sinh khối vi sinh vật bằng kỹ thuật lên men chìm 2.3.6. Nhân sinh khối vi sinh vật trên giá thể rắn 2.3.7. Tạo chế phẩm và đánh giá chất lƣợng chế phẩm 40 40 40 40 40 40 41 41 41 41 47 52 53 55 56 2.3.8. Phƣơng pháp xử lý nƣớc thải chế biến tinh bột sắn bằng chế phẩm vi sinh vật (Xử lý gián đoạn) 56 2.3.9. Đánh giá hiệu quả xử lý nƣớc thải chế biến tinh bột sắn của chế phẩm vi sinh vật 57 2.3.10. Kiểm tra sự sống sót của vi sinh vật bằng kỹ thuật DGGE 58 2.3.11. Phƣơng pháp xử lý số liệu 61 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 62 3.1. Hiện trạng nƣớc thải nhà máy chế biến tinh bột sắn tỉnh Ninh Bình. 62 3.2. Phân lập tuyển chọn vi sinh vật xử lý nƣớc thải chế biến tinh bột sắn 66 3.2.1. Vi sinh vật chuyển hóa hợp chất Cacbon (tinh bột, xenlulo) 67 3.2.2. Vi sinh vật chuyển hóa hợp chất chứa Phospho 69 3.2.3. Vi sinh vật chuyển hóa Phosphat hữu cơ và đồng hóa Phospho 70 3.2.4. Định danh và xác định độ an toàn của các vi sinh vật nghiên cứu 73 3.3. Nghiên cứu sản xuất chế phẩm xử lý nƣớc thải chế biến tinh bột sắn 83 3.3.1. Khả năng tổ hợp các vi sinh vật nghiên cứu 83 3.3.2. Nhân sinh khối các vi sinh vật tuyển chọn bằng phƣơng pháp lên men chìm 85 3.3.3. Nhân sinh khối vi sinh vật trên giá thể rắn 99 3.3.4. Chế phẩm vi sinh vật xử lý nƣớc thải chế biến tinh bột sắn 101 3.4. Xây dựng qui trình sử dụng gchế phẩm vi sinh vật xử lý nƣớc thải chế biến tinh bột sắn 104 3.4.1. Ảnh hƣởng của pH nƣớc thải đến hiệu suất xử lý 106 3.4.2. Ảnh hƣởng của oxy hòa tan đến hiệu suất xử lý 107 3.4.3. Ảnh hƣởng của thời gian lƣu nƣớc thải đến hiệu suất xử lý 108 3.4.4. Ảnh hƣởng của lƣợng chế phẩm bổ sung 109 3.5. Nghiên cứu hiệu quả xử lý nƣớc thải chế biến tinh bột sắn của chế phẩm 112 3.5.1. Hiệu quả xử lý qui mô phòng thí nghiệm 112 3.5.2. Hiệu quả xử lý tại nhà máy chế biến tinh bột sắn tỉnh Ninh Bình 113 3.5.3. Xác định khả năng tồn tại của các vi sinh vật nghiên cứu trong bùn thải bằng kỹ thuật DGGE 114 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 117 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 119 TÀI LIỆU THAM KHẢO 120 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ADN Axit Deoxyribonucleic Anammox Anaerobic ammonium oxidizers AOB Ammonia-Oxidizing-Bacteria (vi khuẩn oxi hóa ammonium) ARN Axit Ribonucleic BOD Biochemical Oxygien Demand (Nhu cầu oxy sinh hóa) BTNMT Bộ Tài nguyên Môi trƣờng CBTBS Chế biến tinh bột sắn CFU Colony Forming Unit (đơn vị hình thành khuẩn lạc) COD Chemical Oxygien Demand (Nhu cầu oxy hóa học) CIRAT Centre International Research Agriculture and Development (Trung tâm hợp tác nghiên cứu phát triển nông nghiệp) cs Cộng sự DGGE Denaturing Gradient Gel Electrophoresis (điện di biến tính) DNS 3,5 axit dinitrosalicylic CMC Cacboxymethyl xenluloza DO Dissolved oxygien (oxy hòa tan) ĐC Đối chứng FAO Food and Agriculture Organization (tổ chức Lƣơng thực và Nông nghiệp Liên Hợp Quốc) ISP International Streptomyces Project (Chƣơng trình xạ khuẩn Quốc tế) MPN Most Probable Number (số khả hữu) Nts Nitơ tổng số NA Nutrient agar NB Nutrient broth OD Optical Density (mật độ quang) Pts Phospho tổng số PCR Polymerase Chain Reaction (phản ứng chuỗi trùng hợp) PTNT Phát triển nông thôn QCVN Quy chuẩn Việt Nam rADN Ribosomal axit Deoxyribonucleic rARN Ribosomal axit Ribonucleic SBR Sequencing Batch Reactor (Bể hiếu khí gián đoạn) SS Suspended Solid (Chất rắn lơ lủng) TBS Tinh bột sắn TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TNHH MTV Trách nhiệm hữu hạn Một thành viên TNMT Tài nguyên môi trƣờng TSA Tripticase Soya Agar TSS Total suspended solids (tổng chất rắn lơ lửng) TTSA Thailand tapioca starch Organization (Hiệp hội tinh bột sắn Thái L Lan) v/p vòng/phút v/v Volum/volum (Thể tích/thể tích) VSV Vi sinh vật w/v Weight/volum (Khối lƣợng/thể tích) DANH MỤC BẢNG TT bảng Tên bảng 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 3.1 Sản xuất sắn ở một số địa phƣơng của Việt Nam năm 2014 Lƣợng tinh bột sắn xuất khẩu của Việt Nam theo thị trƣờng năm 2015 Thành phần tính chất nƣớc thải từ sản xuất tinh bột sắn Chất lƣợng nƣớc thải từ sản xuất tinh bột sắn (chƣa xử lý) Thành phần nƣớc thải nhà máy chế biến tinh bột sắn Hiện trạng nƣớc nƣớc thải chế biến tinh bột sắn trƣớc và sau xử lý kỵ khí tại nhà máy của công ty TNHH MTV Elmaco Ninh Bình, năm 2012 Chất lƣợng nƣớc thải chế biến tinh bột sắn sau xử lý hiếu khí và tách lọc chất rắn lơ lửng tại nhà máy công ty TNHH MTV Elmaco Ninh Bình, năm 2012 Một số nhóm vi sinh vật có ích trong nƣớc thải chế biến tinh bột sắn tại nhà máy của công ty TNHH MTV Elmaco Ninh Bình, năm 2012 Khả năng chuyển hóa hợp chất cacbon của các vi sinh vật phân lập Hoạt độ enzym của các vi sinh vật phân lập Khả năng xử lý BOD5 và COD trong nƣớc thải chế biến tinh bột sắn của vi sinh vật phân lập Khả năng chuyển hóa amoni của vi sinh vật phân lập Khả năng xử lý Nts trong nƣớc thải CBTBS của vi sinh vật phân lập Khả năng chuyển hóa Phosphat hữu cơ của vi sinh vật phân lập Khả năng đồng hóa Phospho của vi sinh vật phân lập Khả năng xử lý Pts trong nƣớc thải CBTBS của vi sinh vật phân lập Hoạt tính sinh học của các vi sinh vật tuyển chọn Đặc điểm sinh học và sinh hóa của xạ khuẩn SHX.12 Khả năng sử dụng nguồn hydratcacbon của vi khuẩn SHV.22 Khả năng sử dụng nguồn hydratcacbon của chủng vi khuẩn SHV.OA7 Mức độ an toàn của các vi sinh vật nghiên cứu Khả năng tồn tại của vi sinh vật trong điều kiện đơn lẻ và tổ hợp Hoạt tính sinh học của vi sinh vật nghiên cứu trong điều kiện đơn lẻ và hỗn hợp sau 90 ngày bảo quản Sinh khối vi sinh vật nghiên cứu trong các môi trƣờng lên men Sinh khối vi sinh vật nghiên cứu ở các tỉ lệ tiếp giống khác nhau Sinh khối vi sinh vật nghiên cứu ở các tốc độ cấp khí khác nhau 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15 3.16 3.17 3.18 3.19 3.20 3.21 Trang 7 8 11 12 12 63 65 66 67 68 69 70 70 71 71 72 72 74 75 77 83 84 85 89 90 91 3.22 3.23 3.24 3.25 3.26 3.27 3.28 3.29 3.30 3.31 3.32 3.33 3.34 3.35 3.36 3.37 Miền khảo sát yếu tố điều kiện lên men thu sinh khối của các chủng vi sinh vật tuyển chọn Phân tích phƣơng sai Anova của mô hình đối với S.fradiae SHX.12 Phân tích phƣơng sai Anova của mô hình đối với B.velezensis SHV.22 Phân tích phƣơng sai Anova của mô hình đối với N.europea SHV.OA7 Kết quả tối ƣu các yếu tố lên men đối với chủng vi sinh vật nghiên cứu Điều kiện lên men thu sinh khối vi sinh vật Sinh khối vi sinh vật sau 5 ngày lên men xốp với chất mang khác nhau Sinh khối vi sinh vật sau 5 ngày lên men xốp ở các tỷ lệ tiếp giống Sinh khối các vi sinh vật nghiên cứu trên giá thể rắn Chất lƣợng chế phẩm MIC-CAS 02 Hiệu quả xử lý chất hữu cơ trong nƣớc thải của chế phẩm MIC-CAS 02 ở qui mô 80 lít Hiệu quả xử lý Nts, Pts của chế phẩm MIC-CAS 02 ở qui mô 80 lít Ảnh hƣởng của oxy hòa tan (DO) đến hiệu suất xử lý Kết quả phân tích chất lƣợng nƣớc sau xử lý qui mô 200 lít với chế phẩm MIC-CAS 02 Hiệu quả xử lý nƣớc thải nhà máy tinh bột sắn Elmaco Ninh Bình bằng chế phẩm MIC-CAS 02 Mật độ vi sinh vật hiếu khí tổng số trƣớc và sau sử dụng chế phẩm MIC-CAS 02 94 94 94 95 98 98 100 100 101 103 104 105 107 112 113 116 TT hình 1.1 1.2 1.3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15 3.16 3.17 3.18 3.19 3.20 3.21 3.22 3.23 DANH MỤC HÌNH Tên hình Các nƣớc sản xuất sắn trên thế giới năm 2014 Sản lƣợng sắn trên thế giới từ 2001-2014 Cấu trúc phân tử tinh bột Sơ đồ hệ thống xử lý nƣớc thải chế biến tinh bột sắn tại nhà máy của công ty TNHH MTV Elmaco Ninh Bình Khuẩn lạc và bào tử chuỗi của chủng xạ khuẩn SHX.12 Hình dạng khuẩn lạc và tế bào của vi khuẩn SHV.22 Đặc điểm sinh hóa và tế bào của vi khuẩn SHV.OA7 Vị trí phân loại của chủng SHX.12 với các loài có quan hệ họ hàng gần dựa vào trình tự 16S rADN Vị trí phân loại của chủng SHV.22 với các loài có quan hệ họ hàng gần dựa vào trình tự 16S rADN Vị trí phân loại của chủng SHV.OA7 với các loài có quan hệ họ hàng gần dựa vào trình tự 16S rADN Mật độ vi sinh vật nhân sinh khối ở các nhiệt độ khác nhau Mật độ vi sinh vật ở điều kiện pH môi trƣờng khác nhau Mật độ vi sinh vật nghiên cứu sau thời gian nhân sinh khối khác nhau Mật độ vi sinh vật với các tỉ lệ tiếp giống khác nhau Mật độ vi sinh vật nhân sinh khối ở tốc độ cấp khí khác nhau Ảnh hƣởng của các yếu tố lên men đến mật độ tế bào vi sinh vật Bề mặt đáp ứng của mật độ tế bào chủng xạ khuẩn S.fradiae SHX.12 Bề mặt đáp ứng của mật độ tế bào chủng B.velezensis SHV.22 Bề mặt đáp ứng của mật độ tế bào chủng N.europea SHV.OA7 Mức độ đáp ứng sự mong đợi đối với các chủng vi sinh vật nghiên cứu Sơ đồ tạo chế phẩm vi sinh vật xử lý nƣớc thải chế biến tinh bột sắn Ảnh hƣởng của thời gian lƣu nƣớc đến hiệu suất xử lý Ảnh hƣởng của lƣợng chế phẩm bổ sung đến hiệu quả xử lý COD Sơ đồ qui trình sử dụng chế phẩm vi sinh vật xử lý nƣớc thải biogas của cơ sở CBTBS Sản phẩm PCR-DGGE gien 16S rADN của vi sinh vật trong các mẫu bùn và chủng đơn Điện di biến tính (DGGE) gien 16S rADN của vi sinh vật trong các mẫu bùn và chủng đơn Trang 4 5 26 62 73 75 76 79 70 81 86 87 88 90 91 96 97 97 97 98 102 108 109 110 114 115 1 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 1.1.Tinh bột sắn và nƣớc thải chế biến tinh bột sắn 1.1.1.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 1.1). Hình 1.1. 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 1.1). 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 1.2). 5 Nguồn:FAO,2015 Hình 1.2. 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). Ở Ấn Độ, sản xuất tinh bột sắn tập trung chủ yếu ở bang Kerala và Tamil Nadu, cung cấp hơn 80% nhu cầu cả nƣớc. Mặc dù Ấn Độ là một trong 10 quốc gia sản xuất sắn lớn nhất thế giới, mỗi năm sản xuất khoảng 9 triệu tấn sắn, song với dân số đông, nhu cầu tiêu dùng lớn, nên nƣớc này hàng năm vẫn phải nhập khẩu tinh bột sắn và các sản phẩm khác từ sắn (Srinivas Tavva và cs, 2015). Trung Quốc, nƣớc sản xuất ethanol lớn thứ ba trên thế giới, sau Mỹ và Brazil. Vì không phải là quốc gia trồng nhiều sắn, để đáp ứng nhu cầu sử dụng tinh bột sắn ngày càng cao, trong năm 2014 Trung Quốc phải nhập khẩu 9,4 triệu tấn sắn lát và 1,9 triệu tấn tinh bột sắn (Jin Shu-ren, 2015). Công nghệ chế biến tinh bột sắn của Trung Quốc đƣợc đánh giá đạt trình độ phát triển cao với đặc điểm tẩy trắng không dùng SO2, hoặc chỉ sử dụng với số lƣợng không đáng kể. Năm 2014, Việt Nam đứng thứ bảy về sản lƣợng sắn trên thế giới (đạt 10,21 triệu tấn), năng suất đạt 18,5 tấn/ha (hình 1.1), nhƣng là nƣớc xuất khẩu tinh bột sắn đứng thứ hai trên thế giới sau Thái Lan. Sản xuất sắn là nguồn thu nhập quan trọng của các hộ dân nghèo do sắn dễ trồng, ít kén đất, ít vốn đầu tƣ, phù hợp sinh thái và điều kiện kinh tế nông hộ. Đến nay, cả nƣớc đã hình thành các vùng nguyên liệu sắn tập trung, trồng ở khắp các vùng từ miền núi phía Bắc tới miền Trung, Tây Nguyên và miền Đông Nam bộ với tổng diện tích đạt trên 500 ngàn ha (bảng 1.1). Thời gian gần đây, một số doanh nghiệp đã đầu tƣ sang cả Lào để mở rộng vùng nguyên liệu phục vụ cho công nghiệp chế biến tinh bột. 7 Năm 2014, địa phƣơng có sản lƣợng sắn cao nhất nƣớc là Tây Ninh đạt 1.603,4 nghìn tấn, thứ hai là Gia Lai đạt 1.114,2 nghìn tấn, thứ ba là Đăk Lắk với sản lƣợng sắn đạt 642,2 nghìn tấn và Kon Tum đứng thứ tƣ về sản lƣợng sắn đạt 566,2 nghìn tấn (bảng 1.1). Tây Ninh cũng có số lƣợng cơ sở chế biến sắn và tinh bột sắn cao nhất nƣớc, kim ngạch xuất khẩu chiếm khoảng 40% tổng kim ngạch xuất khẩu cả nƣớc. Bên cạnh đó, Tây Ninh luôn đi đầu về công nghệ, về thiết bị sản xuất tinh bột sắn. Năng suất sắn của Việt Nam hiện nay đứng trong nhóm 10 quốc gia năng suất cao trên thế giới. Số liệu trong bảng 1.1 cho thấy năm 2014 vùng thâm canh tốt nhƣ ở Tây Ninh đã cho năng suất 31,8 tấn/ha, nhƣng năng suất bình quân cả nƣớc mới chỉ đạt 18,5 tấn/ha, thấp hơn so với một số nƣớc trong khu vực (Ấn Độ đạt trên 35 tấn/ha, Thái Lan trên 22 tấn/ha). Bảng 1.1. Sản xuất sắn ở một số địa phƣơng của Việt Nam năm 2014 TT Tên địa phƣơng Diện tích Năng suất Sản lƣợng (1000 ha) (tấn/ha) (1000 tấn) 1 2 Tây Ninh Gia Lai 50,5 61,6 31,8 18,1 1.603,4 1.114,2 3 Ðăk Lăk 31,4 20,5 642,2 4 Kon Tum 37,6 15,1 566,2 5 Bình Thuận 32,7 15,9 519,3 6 Sơn La 30,5 12,2 371,3 7 Phú Yên 19,5 18,3 356,2 8 Ðăk Nông 19,1 16,2 308,7 9 Quảng Ngãi Cả nƣớc 19,0 18,6 352,7 553,1 18,5 10.225,3 Nguồn: Tổng cục thống kê, 2015 Thống kê của hải quan cửa khẩu Chi Ma, mỗi ngày khoảng 300-500 tấn tinh bột sắn đƣợc xuất khẩu sang Trung Quốc, năm 2013 xuất khẩu sắn và các sản phẩm từ sắn đạt 3,1 triệu tấn với kim ngạch 1,1 tỷ đô la Mỹ (Trung tâm Thông tin Phát triển Nông nghiệp Nông thôn, 2014). 8 Theo thống kê của Bộ Nông nghiệp và PTNT, trong quý I năm 2015, sản lƣợng xuất khẩu sắn và các sản phẩm từ sắn đạt giá trị 420 triệu USD, tăng 24 % về lƣợng và tăng 22,7 % về giá trị so với cùng kỳ năm 2014 (www.omard.gov.vn). Chỉ tính riêng về tinh bột sắn, lƣợng xuất khẩu cả năm 2015 đã đạt 1,3 triệu tấn (Bảng 1.2). Bảng 1.2. Lƣợng tinh bột sắn xuất khẩu của Việt Nam theo thị trƣờng năm 2015 (Đơn vị tính: tấn) Thị trƣờng Tháng 3 Tháng 4 Tháng 5 Tháng 6 Tháng 7 Trung quốc 243.930 161.820 118.581 108.106 121.781 1.148.256 Singapore 8.643 4.655 2.695 504 720 36.880 2,80 Philippines 6.856 5.014 4.786 4.047 4.537 32.587 2,48 Bangladesh 4.848 4.120 3.881 1.285 2.585 24.703 1,88 Malysia 2.354 4.518 1.967 3.063 1.925 19.608 1,49 Đài Loan 3.620 1.384 3.040 1.847 17.305 1,32 Ấn Độ 1.482 1.846 371 663 114 5.852 0,44 Indonesia 1.095 510 1.036 824 187 5.272 0,40 Nhật Bản 73 19 504 3.179 0,24 2.924 4.433 22.238 1,69 136.786 1.315.969 100 Khác Tổng cộng 2.678 4.252 275.670 188.119 1.689 138.045 123.281 Cả năm Tỉ lệ (%) 87,26 (Nguồn: AgroMonitor, 2015 ) Năm 2015, thị trƣờng xuất khẩu chính của Việt Nam là Trung Quốc, chiếm 87,26 % kim ngạch. Tiếp theo là Singapore chiếm 2,8 %; Đài Loan 1,32 % và một phần rất nhỏ bắt đầu đến đƣợc Nhật Bản (AgroMonitor, 2015). Theo Trung tâm Sản xuất sạch Việt Nam (2010), hiện tại trong cả nƣớc tồn tại ba quy mô sản xuất tinh bột sắn điển hình gồm qui mô nhỏ (hộ và liên hộ), qui mô vừa và qui mô lớn. Quy mô nhỏ (công suất 0,5-10 tấn tinh bột sản phẩm/ngày), chủ yếu công nghệ thủ công, thiết bị tự tạo hoặc do các cơ sở cơ khí địa phƣơng chế tạo. Hiệu suất thu hồi và chất lƣợng tinh bột sắn không cao. Qui mô vừa (công suất dƣới 50 tấn tinh bột sản phẩm/ngày), đa phần sử dụng thiết bị chế tạo trong nƣớc 9 nhƣng có khả năng hoạt động ổn định và chất lƣợng sản phẩm không thua kém các cơ sở nhập thiết bị của nƣớc ngoài. Qui mô lớn (công suất trên 50 tấn tinh bột sản phẩm/ngày), với công nghệ, thiết bị nhập từ Châu Âu, Trung Quốc, Thái Lan. Công nghệ tiên tiến, hiệu suất thu hồi sản phẩm và chất lƣợng sản phẩm cao hơn, lƣợng nƣớc sử dụng ít nƣớc. Trƣớc năm 1990, qui mô sản xuất tinh bột sắn ở Việt Nam phần lớn là các hộ gia đình nhỏ, ngoài một số đơn vị của nhà nƣớc có quy mô lớn hơn (Đặng Thanh Hà và cs, 1996; Đào Huy Chiên, 1997), chủ yếu sản xuất tinh bột khô và ƣớt phục vụ cho làm bánh mì, bánh ngọt, rƣợu và sản xuất bánh kẹo... Sau năm 1990, cùng với sự khởi động của thị trƣờng trong nƣớc, một số nhà máy chế biến tinh bột sắn quy mô lớn hiện đại đã đƣợc xây dựng tại phía Nam và phần lớn đƣợc liên doanh với công ty đa quốc gia của Nhật Bản, Hàn Quốc và Đài Loan nhƣ Vedan, Ajinomoto…(Henry và cs, 1995). Theo Nguyễn Văn Lạng (2015) chủ tịch hiệp hội sắn Việt Nam, hiện nay cả nƣớc có khoảng 100 nhà máy chế biến tinh bột sắn có quy mô công nghiệp. So với 5 năm trƣớc đã tăng gấp đôi về số lƣợng nhà máy và gấp 3 về công suất. Mỗi năm, các nhà máy này sản xuất đƣợc 1,8 đến 2 triệu tấn tinh bột sắn. Bên cạnh các nhà máy sản xuất tinh bột sắn, ở Việt Nam đang có 7 nhà máy sản xuất ethanol từ nguyên liệu sắn đƣợc xây dựng với tổng công suất thiết kế 502.000 tấn ethanol/năm. Từ vai trò là cây lƣơng thực, cây sắn đã và đang chuyển đổi nhanh chóng thành cây công nghiệp, cây nguyên liệu cho sản xuất nhiên liệu sinh học. Theo Trung tâm Sản xuất sạch Việt Nam (2010), các cơ sở sản xuất tinh bột sắn ở Việt Nam áp dụng các kỹ thuật, công nghệ chủ yếu sau: - Chế biến tinh bột sắn theo phương pháp thủ công: Tất cả các khâu trong quá trình chế biến sắn từ rửa, gọt vỏ, nạo, mài, lọc và rửa bột đều đƣợc tiến hành thủ công. Phƣơng pháp thủ công áp dụng ở qui mô hộ gia đình, cho năng suất thấp và chất lƣợng kém. Kỹ thuật sản xuất đơn giản và gián đoạn. - Chế biến tinh bột sắn theo phương pháp bán cơ giới: Ngoại trừ khâu rửa, gọt vỏ và tách tinh bột tiến hành thủ công. Quá trình nạo/mài đƣợc tiến hành bằng 10 máy mài. Bột nhão thu đƣợc qua sàng hệ thống gồm lọc thô, lọc mịn và lọc tinh. Quá trình lắng đƣợc tiến hành trong bể lắng hoặc bàn lắng (lắng trọng lực). Phƣơng pháp bán cơ giới áp dụng ở qui mô sản xuất nhỏ, chất lƣợng sản phẩm, hiệu suất thu hồi tinh bột thấp, lao động vất vả và khó đảm bảo vệ sinh công nghiệp. - Chế biến tinh bột sắn theo phương pháp hiện đại: Quá trình sản xuất đƣợc tự động hóa hoàn toàn, từ khi tiếp nhận củ đến khi sấy, hoàn thiện sản phẩm phải đƣợc tiến hành trong thời gian ngắn nhất có thể đƣợc, để giảm thiểu quá trình oxy hoá, biến đổi hàm lƣợng tinh bột sau thu hoạch và trong chế biến. Trong quá trình sản xuất tinh bột sắn sử dụng phƣơng pháp trích ly. Đây là phƣơng pháp sử dụng thiết bị ly tâm để thực hiện quá trình tách, phƣơng pháp này cho chất lƣợng sản phẩm cao, năng suất lớn, đảm bảo vệ sinh công nghiệp. Trƣớc đây ở Việt Nam, chế biến tinh bột sắn thủ công và bán thủ công đƣợc áp dụng ở hộ gia đình, cơ sở làng nghề với qui mô nhỏ chỉ vài tạ sắn/ngày. Trong vòng 15 năm qua, các hoạt động chế biến tinh bột tại các làng nghề đã đƣợc cơ giới hóa từ dây chuyền rửa củ, nghiền, tách bã, lọc… Năng suất tăng lên và quy mô lớn hơn do áp dụng cơ khí hóa (CIAT, 2011). Chế biến tinh bột sắn theo phƣơng pháp hiện đạị chủ yếu bằng công nghệ nhập từ nƣớc ngoài. Các nhà máy hiện nay chủ yếu đƣợc đầu tƣ từ 10-15 năm trƣớc, công nghệ và thiết bị chủ yếu của Trung Quốc, Thái lan. 1.1.2. Nƣớc thải chế biến tinh bột sắn Trong sản xuất tinh bột sắn phải sử dụng một lƣợng nƣớc lớn từ rửa nguyên liệu đến quá trình kết lắng và làm sạch tinh bột. Lƣợng nƣớc phục vụ cho sản xuất chủ yếu đƣợc khai thác từ nguồn nƣớc ngầm mức tiêu thụ khoảng 3,5-12,0 m3/tấn củ tƣơi ở qui mô nông hộ và 3-5 m3/tấn củ tƣơi tại các nhà máy qui mô lớn (Huỳnh Ngọc Phƣơng Mai, 2006). Trong tổng lƣợng nƣớc thải chế biến tinh bột sắn khoảng 10% phát sinh từ nƣớc rửa củ và 90% từ công đoạn ly tâm, lọc, khử…chiếm khoảng 80-90% lƣợng nƣớc tiêu thụ. Thành phần các loại nƣớc thải cụ thể nhƣ sau: - Nƣớc thải trong quá trình rửa củ, cắt vỏ có chứa bùn, đất, cát, mảnh vỏ, HCN tạo ra do phân hủy phazeolutanin trong vỏ thịt nhờ xúc tác của men xyanoaza… Nƣớc 11 sử dụng trong công đoạn rửa củ trƣớc khi lột vỏ để loại bỏ các chất bẩn bám trên bề mặt củ, không làm ảnh hƣởng màu của tinh bột. - Nƣớc thải trong quá trình nghiền củ, lọc thô có nhiều tinh bột, protein và khoáng chất tách ra trong quá trình nghiền thô. - Nƣớc thải trong quá trình tách dịch có nồng độ chất hữu cơ (BOD), chất rắn lơ lửng (SS) cao. Ngoài ra trong nƣớc thải này còn chứa các dịch bào có tanin, men và nhiều chất vi lƣợng có mặt trong củ sắn. Lƣu lƣợng nƣớc thải lớn có pH thấp, nồng độ chất hữu cơ, vô cơ cao, đặc biệt là các hợp chất chứa N, P... cùng với các chất chứa xyanua (CN-) có nguồn gốc từ vỏ sắn và lõi củ sắn là nguồn gây ô nhiễm chính đối với môi trƣờng, ảnh hƣởng xấu đến sức khỏe cộng đồng (Trung tâm Sản xuất sạch Việt Nam, 2010). Thành phần chính của nƣớc thải chế biến tinh bột sắn trong từng công đoạn của quá trình sản xuất đƣợc tổng hợp trong bảng 1.3 về mặt cảm quan nƣớc thải sản xuất tinh bột sắn có màu trắng, mùi chua và độ đục cao. Bảng 1.3. Thành phần tính chất nƣớc thải từ sản xuất tinh bột sắn Công đoạn sản xuất pH Cặn lơ lửng BOD5 COD Độ kiềm (mg/l) (mg/l) (mg/l) (mg/l) Rửa củ 6,5 995 1350 1687 122 Lọc thô 4,5 660 3850 4812 122 Lọc tinh 4,05 660 3850 4800 122 Hỗn hợp 6,1 1655 5200 6499 140 (Dương Đức Tiến, Trần Hiếu Nhuệ, Nguyễn Kim Thái, 1991) Thành phần nƣớc thải phụ thuộc vào quy mô sản xuất, trình độ công nghệ và hệ thống thiết bị xử lý nƣớc thải, qui trình vận hành và quan trắc môi trƣờng. Số liệu quan trắc của Trung tâm Sản xuất sạch Việt Nam (2010), đối với nƣớc thải từ sản xuất tinh bột sắn chƣa xử lý (bảng 1.4) cho thấy mức ô nhiễm rất cao, cần đƣợc xử lý nhằm đáp ứng tiêu chuẩn của môi trƣờng về nƣớc thải theo qui chuẩn Việt Nam. 12 Bảng 1.4. Chất lƣợng nƣớc thải từ sản xuất tinh bột sắn (chƣa xử lý) Qui mô nhỏ và Chỉ tiêu Đơn vị pH - vừa 4,0-5,6 BOD mg/l COD SS CN- QCVN 40:2011/BTNMT Cột A Cột B Qui mô lớn 3,8-5,7 6-9 5,5-9 7.400-11.000 6.200- 30 50 mg/l 13.000-17.800 100 150 mg/l mg/l 1.200-2.600 3,4-5,8 7.00023.000 330-4.100 41.000 19-36 50 100 (Nguồn: Trung tâm Sản xuất sạch Việt Nam, 2010) Ngoài thành phần chất hữu cơ BOD, COD trong nƣớc thải chế biến tinh bột sắn còn chứa các hợp chất chứa Nitơ, Phospho. Theo báo cáo của Viện Nghiên cứu Thiết kế Chế tạo máy Nông nghiệp (2005), hàm lƣợng các hợp chất chứa Nitơ và Phospho cao hơn rất nhiều so với tiêu chuẩn cho phép (bảng 1.5). Bảng 1.5. Thành phần nƣớc thải nhà máy chế biến tinh bột sắn Chỉ tiêu Đơn vị Giá trị pH BOD COD SS CNSO42- mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l 4,2-5,1 2.120-14.750 2.500-17.000 120-3.000 2-75 52-65 N-NH4 mg/l 136-300 QCVN 40:2011/BTNMT Cột A Cột B 6-9 5,5-9 30 50 100 150 50 100 - 10 N-NO2 mg/l 0,0-0,2 N-NO3 mg/l 0,5-0,8 Pts mg/l 250-450 4 6 (Nguồn: Báo cáo Dự án cấp nhà nước (KC.05.11-2005), Viện Nghiên cứu Thiết kế Chế tạo máy Nông nghiệp) Các thành phần hữu cơ nhƣ tinh bột, protein, xenluloza, pectin, đƣờng có trong nguyên liệu củ sắn tƣơi là nguyên nhân gây ô nhiễm cao cho các dòng nƣớc thải của nhà máy sản xuất tinh bột sắn.
- Xem thêm -