Tài liệu Thực nghiệm amon hóa nước thải nhà máy chế biến tôm.

Thực nghiệm amon hóa nước thải nhà máy chế biến tôm Năm: 2009-2010 TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA MÔI TRƢỜNG & TNTN BỘ MÔN KHOA HỌC MÔI TRƢỜNG  NGUYỄN THỊ GÁI THỰC NGHIỆM AMON HÓA NƢỚC THẢI NHÀ MÁY CHẾ BIẾN TÔM LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH KHOA HỌC MÔI TRƢỜNG Cán bộ hướng dẫn: LÊ ANH KHA Cần Thơ, 2010 1 Thực nghiệm amon hóa nước thải nhà máy chế biến tôm Năm: 2009-2010 LỜI CẢM ƠN  Luận văn tốt nghiệp là một thử thách đối với tôi vì nó đánh dấu một bƣớc ngoặc trƣớc khi tốt nghiệp. Sau khoảng thời gian khá dài để thực hiện đề tài của mình tôi đã nhận đƣợc sự giúp đỡ rất nhiều từ mọi ngƣời. Giờ đây sau khi hoàn thành, tôi xin đƣợc gởi lời cảm ơn chân thành đến quý thầy cô bộ môn Khoa Học Môi Trƣờng – Khoa Môi Trƣờng và Tài Nguyên Thiên Nhiên đã truyền dạy vốn kiến thức quý báu, những kinh nghiệm thực tế để từ đó tạo cơ hội cho tôi thực tập tốt và thực hiện đề tài của mình. Đặc biệt tôi xin gởi lời cảm ơn đến thầy Lê Anh Kha đã tận tình giúp đỡ, chỉ dạy tôi trong quá trình thực hiện luận văn. Tôi cũng chân thành cảm ơn các bạn lớp Khoa Học Môi Trƣờng – K32 đã giúp đỡ và bổ sung những kiến thức cho đề tài luận văn của tôi. Kế đến cho con xin gởi lời cảm ơn cha mẹ, những ngƣời đã ủng hộ về vật chất và tinh thần cho con trong suốt quá trình học tập và làm đề tài. Cuối cùng tôi xin gởi lời chúc sức khỏe đến tất cả mọi ngƣời, chúc mọi ngƣời luôn hạnh phúc và thành công trong công việc cũng nhƣ trong cuộc sống. Trong quá trình hoàn thành đề tài mặc dù đã có nhiều cố gắng nhƣng cũng không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận đƣợc sự đóng góp ý kiến cũng nhƣ bổ sung của quý thầy cô bộ môn để đề tài đƣợc hoàn thiện hơn. Tôi xin chân thành cảm ơn ! 2 Thực nghiệm amon hóa nước thải nhà máy chế biến tôm Năm: 2009-2010 TÓM LƢỢC Đề tài thực hiện nhằm thực nghiệm amon hóa nƣớc thải nhà máy chế biến tôm. Đồng thời xác định hiệu suất chuyển hóa đạm hữu cơ thành amon. Đề tài nghiên cứu nhằm mục đích làm cơ sở cho các nghiên cứu xứ lý đạm trong nƣớc thải bằng vật liệu tự chế trong tƣơng lai. Đề tài đƣợc tiến hành từ 29/12/2009 đến 30/4/2010 tại Bộ Môn Khoa Học Môi Trƣờng – Khoa Môi Trƣờng và TNTN. Tiến hành với hai thí nghiệm: - Thí nghiệm 1 Đƣợc bố trí với 3 nghiệm thức: Nghiệm thức 1: Không có vật liệu bám dính. Nghiệm thức 2: Có vật liệu bám dính. Nghiệm thức 3: Vừa có vật liệu bám dính, vừa có sự khuấy đảo. - Thí nghiệm 2 Chọn một nghiệm thức đạt hiệu suất cao nhất trong thí nghiệm 1 để bố trí cho thí nghiệm 2. Kết quả cho thấy: Các chỉ tiêu nhiệt độ, pH, độ đục, độ dẫn điện, COD, DO phù hợp cho quá trình amon hóa, tổng đạm ít dao động, hàm lƣợng P-PO43- và N-NH4+ tăng cao. Hiệu suất chuyển hóa đạm hữu cơ thành amon đạt trên 91% 3 Thực nghiệm amon hóa nước thải nhà máy chế biến tôm Năm: 2009-2010 MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN............................................................................................................................ 1 TÓM LƢỢC .............................................................................................................................. 2 MỤC LỤC ................................................................................................................................. 3 DANH SÁCH HÌNH ................................................................................................................ 5 DANH SÁCH BẢNG ............................................................................................................... 6 CHƢƠNG ………………………………………………………………....7 ……………………………………………………………………...7 : ……………………………………...8 1.2.1 Mục tiêu:…………………………………………………………………8 1.2.2 Nội dung nghiên cứu……………………………………………………..8 CHƢƠNG II: …………………………………………………... 9 ………………………….. 9 2.2 NƢỚC THẢI CHẾ BIẾN THỦY SẢN……………………………………………... 9 …………………………….11 2.4 TÁC ĐỘNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ LÝ HÓA LÊN SINH TRƢỞNG VÀ PHÁT TRIỂN CỦA VI SINH VẬT TRONG NƢỚC THẢI…………………………………..12 ………………………………………………………...13 2.5.1 Quá trình amon hóa .................................................................................. 14 2.5.2 Amonia (NH3) và amonium (NH4+) ......................................................... 20 2.6 QUÁ TRÌNH CHUYỂN HÓA LÂN TRONG MÔI TRƢỜNG NƢỚC…………..20 2.6.1 Sự chuyển hóa photpho nguồn hữu cơ: .................................................... 21 2.6.2 Sự chuyển hóa các hợp chất vô cơ chứa photpho .................................... 21 2.6.3 Sự giải phóng photpho trong điều kiện kỵ khí ......................................... 22 2.7 QUÁ TRÌNH LÊN MEN YẾM KHÍ……………………………………………….22 2.8 VẬT LIỆU BÁM DÍNH……………………………………………………………28 2.9 SỰ KHUẤY ĐẢO………………………………………………………………….28 2.10 CÁC CÔNG T 29 …………………30 30 30 3.3 PHƢƠNG 30 3.3.1 Bố trí thí nghiệm: ..................................................................................... 31 3.3.2 Mô tả thí nghiệm: ..................................................................................... 31 3.3.3 Nƣớc máy thích hợp khi chọn làm hệ để pha cho thí nghiệm: ................ 32 3.3.4 Phƣơng pháp thu, bảo quản và phân tích mẫu: ........................................ 32 3.3.5 Phƣơng pháp xử lý số liệu: ................................................................................... 32 CHƢƠNG IV: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN…………………………………………….33 4. 1 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM AMON HÓA NƢỚC ĐƢỢC PHA TỪ LÕNG TRẮNG TRỨNG:………………………………………………………………………33 4.1.1 Nhiệt độ…………………………………………………………………33 4 Thực nghiệm amon hóa nước thải nhà máy chế biến tôm Năm: 2009-2010 4.1.2 pH……………………………………………………………………..34 4.1.3 Độ đục………………………………………………………………...35 4.1.4 Độ dẫn điện…………………………………………………………...36 4.1.5 Chỉ số DO……………………………………………………………..37 4.1.6 Hàm lƣợng COD……………………………………………………...38 4.1.7 Hàm lƣợng tổng đạm…………………………………………………39 4.1.8 Hàm lƣợng N-NH4+…………………………………………………...40 4.1.9 Hàm lƣợng P-PO43-…………………………………………………...41 4.1.10 Hiệu suất chuyển hóa đạm hữu cơ thành N-NH4+…….. ……………41 4.2 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM AMON HÓA NƢỚC THẢI NHÀ MÁY CHẾ BIẾN TÔM…………………………………………………………………………………….42 4.2.1 Nhiệt độ……………………………………………………………………………...42 4.2.2 pH……………………………………………………………………………………43 4.2.3 Độ dẫn điện………………………………………….................................................44 4.2.4 Độ đục……………………………………………………………….........................45 4.2.5 Chỉ số DO……………………………………………………………………………45 4.2.6 Hàm lƣợng COD…………………………………………………….........................46 4.2.7 Hàm lƣợng tổng đạm………………………………………………..........................47 4.2.8 Hàm lƣợng N-NH4 +………………………………………………………………….48 4.2.9 Hàm lƣợng P-PO43-………………………………………………………………….49 4.2.10 Hiệu suất chuyển hóa đạm hữu cơ thành N-NH4+ trong đợt 1……..........................50 4.2.11 Hiệu suất chuyển hóa đạm hữu cơ thành N-NH4+ trong đợt 2……………………..51 CHƢƠNG V : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ…………………………………………….52 5.1 KẾT LUẬN................................................................................................................52 5.1.1 Thí nghiệm với nƣớc pha từ lòng trắng trứng: ......................................... 52 5.1.2 Thí nghiệm với nƣớc thải nhà máy chế biến tôm: ................................... 52 5.2 KIẾN NGHỊ………………………………………………………………………...52 TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………………………53 PHỤ LỤC DANH SÁCH HÌNH Trang Hình 2.1: Chuỗi phân hủy protein thành nitơ phân tử ........................................... 9 Hình 2.2: Quá trình sử dụng các acid amin nguyên thể từ xác động vật và thực vật để tổng hợp ra protein của vi sinh vật ................................................... 17 Hình 2.3: Quá trình sử dụng năng lƣợng carbon và năng lƣợng từ sự phân 5 Thực nghiệm amon hóa nước thải nhà máy chế biến tôm Năm: 2009-2010 giải các acid amin. ................................................................................................... 18 Hình 2.4: Sự phát triển các nhóm VSV lên men methane. ..................................... 23 Hình 2.5: Cơ chế tạo methane từ chất hữu cơ. ....................................................... 25 Hình 2.6: Ba giai đoạn của quá trình phân hủy yếm khí. ....................................... 26 Hình 2.7: Khối bê tông trƣớc khi tạo màng vi sinh yếm khí .................................. 28 Hình 2.8: Khối bê tông sau khi tạo màng vi sinh yếm khí ..................................... 28 Hình 3.1: Sơ đồ bố trí thí nghiệm 1 ........................................................................ 31 Hình 4.1.1: Sự biến động của nhiệt độ giữa đầu vào và đầu ra của các nghiệm thức trong thí nghiệm nƣớc pha từ lòng trắng trứng ................................ 33 Hình 4.1.2: Sự biến động của pH giữa đầu vào và đầu ra của các nghiệm thức trong thí nghiệm nƣớc pha từ lòng trắng trứng ....................................................... 34 Hình 4.1.3: Sự biến động của độ đục giữa đầu vào và đầu ra của các nghiệm thức trong thí nghiệm nƣớc pha từ lòng trắng trứng ................................. 35 Hình 4.1.4: Sự biến động của độ dẫn điện giữa đầu vào và đầu ra của các nghiệm thức trong thí nghiệm nƣớc pha từ lòng trắng trứng .................................. 36 Hình 4.1.5: Sự biến động của chỉ số DO giữa đầu vào và đầu ra của các nghiệm thức trong thí nghiệm nƣớc pha từ lòng trắng trứng ................................. 37 Hình 4.1.6: Sự biến động của hàm lƣợng COD giữa đầu vào và đầu ra của các nghiệm thức trong thí nghiệm nƣớc pha từ lòng trắng trứng .................................. 38 Hình 4.1.7: Sự biến động của tổng đạm giữa đầu vào và đầu ra của các nghiệm thức trong thí nghiệm nƣớc pha từ lòng trắng trứng .................................. 39 Hình 4.1.8: Sự biến động của N-NH4+ giữa đầu vào và đầu ra của các nghiệm thức trong thí nghiệm nƣớc pha từ lòng trắng trứng ....................................... 40 Hình 4.1.9: Sự biến động của P-PO43- giữa đầu vào và đầu ra của các nghiệm thức trong thí nghiệm nƣớc pha từ lòng trắng trứng ................................. 41 Hình 4.1.10 : Hiệu suất chuyển hóa các hợp chất hữu cơ chứa đạm thành N-NH4+ ở các nghiệm thức trong thí nghiệm nƣớc pha từ lòng trắng trứng ........ 41 Hình 4.2.1: Sự biến động của nhiệt độ theo thời gian trong hai đợt thí nghiệm với nƣớc thải nhà máy chế biến tôm ..................................................... 42 Hình 4.2.2: Sự biến động của pH theo thời gian trong hai đợt thí nghiệm với nƣớc thải nhà máy chế biến tôm........................................................... 43 6 Thực nghiệm amon hóa nước thải nhà máy chế biến tôm Năm: 2009-2010 Hình 4.2.3: Sự biến động của độ dẫn điện theo thời gian trong hai đợt thí nghiệm với nƣớc thải nhà máy chế biến tôm ..................................................... 44 Hình 4.2.4: Sự biến động của độ đục theo thời gian trong hai đợt thí nghiệm với nƣớc thải nhà máy chế biến tôm .................................................... 45 Hình 4.2.5: Sự biến động của chỉ số COD theo thời gian trong hai đợt thí nghiệm với nƣớc thải nhà máy chế biến tôm ..................................................... 46 Hình 4.2.6 : Sự biến động của tổng đạm theo thời gian trong hai đợt thí nghiệm với nƣớc thải nhà máy chế biến tôm ..................................................... 47 Hình 4.2.7: Sự biến động của hàm lƣợng N-NH4+ theo thời gian trong hai đợt thí nghiệm với nƣớc thải nhà máy chế biến tôm ............................................... 48 Hình 4.2.8: Sự biến động của hàm lƣợng P-PO43- theo thời gian trong hai đợt thí nghiệm với nƣớc thải nhà máy chế biến tôm ............................................... 49 Hình 4.2.9: Hiệu suất chuyển hóa đạm hữu cơ thành N-NH4+ theo thời gian trong thí nghiệm với nƣớc thải nhà máy chế biến tôm ở đợt 1 ................ 50 Hình 4.2.10: Hiệu suất chuyển hóa đạm hữu cơ thành N-NH4+ theo thời gian trong thí nghiệm với nƣớc thải nhà máy chế biến tôm ở đợt 2 ................ 51 DANH SÁCH BẢNG Bảng 2.1: Thành phần nƣớc thải của nhà máy chế biến thủy sản ........................... 10 Bảng 3.1: Nồng độ các chỉ tiêu đo trong nƣớc máy ............................................... 30 7 Thực nghiệm amon hóa nước thải nhà máy chế biến tôm Năm: 2009-2010 CHƢƠNG I Nền kinh tế thị trƣờng là động lực thúc đẩy sự phát triển của mọi ngành kinh tế, trong đó có ngành chế biến lƣơng thực, thực phẩm tạo ra các sản phẩm có giá trị phục vụ cho nhu cầu tiêu dùng trong nƣớc cũng nhƣ xuất khẩu. Tuy nhiên ngành này cũng tạo ra một lƣợng lớn chất thải rắn, khí, lỏng…là một trong những nguyên nhân gây ra ô nhiễm môi trƣờng chung. Cùng với ngành công nghiệp chế biến lƣơng thực, thực phẩm thì ngành chế biến thủy sản cũng trong tình trạng đó. Do đặc điểm công nghệ của ngành, ngành chế biến thủy sản đã sử dụng khá nhiều nƣớc trong quá trình chế biến. Vì vậy, ngành đã thải ra lƣợng nƣớc thải khá lớn. Vấn đề ô nhiễm nƣớc do các nhà máy chế biến thủy sản thải trực tiếp ra môi trƣờng đang là mối quan tâm hàng đầu của các nhà quản lý môi trƣờng. Nƣớc bị nhiễm bẩn sẽ ảnh hƣởng đến con ngƣời và sự sống của các loài thủy sinh cũng nhƣ các loài động, thực vật sống xung quanh vùng. Vũ Nam, 2005). Theo Lƣơng Đức - - Thông qua quá trình amon hóa, các hợp chất nitơ hữu cơ đƣợc chuyển hóa thành dạng NH4+ hoặc NH3 làm giảm hàm lƣợng nitơ hữu cơ có trong nƣớc thải. Thật vậy theo nghiên cứu của Podeszwaj về quá trình tăng NH4+ trong nƣớc hàm ủ tự hoại, thí nghiệm kết thúc trong 20 ngày, ở nhiệt độ 30 0C, kết quả cho thấy ở 3 đến 5 ngày đầu thì NH4+ tăng nhanh, rồi giảm dần, sau đó đạt trạng thái ổn định. (Antonte van leeuwenhoek, 2009 Jun: 96(1):79-87, Epub 2009 Apr 7). nên “ a tôm” đƣợc thực hiện. 8 Thực nghiệm amon hóa nước thải nhà máy chế biến tôm Năm: 2009-2010 : 1.2.1 Mục tiêu: quá trình amon hóa. 1.2.2 Nội dung nghiên cứu: - Thúc đẩy quá trình amon hóa bằng các yếu tố kỹ thuật để hệ thống đạt hiệu suất cao 9 Thực nghiệm amon hóa nước thải nhà máy chế biến tôm Năm: 2009-2010 CHƢƠNG II phân h Lƣơng Đức 2002). NH4+, NH3 Protein NO2- NO3Nitrobacter Nitrosomonas NO3- NO2- NO N2O N2 Hình 2.1: Chuỗi phân hủy protein thành nitơ phân tử (Nguồn: Lương Đức Phẩm, 2002) n Nguyễn Văn Cũng theo Nguyễn Văn . - itơ hữu cơ . 2 ) 3 . 2.2 NƢỚC THẢI CHẾ BIẾN THỦY SẢN Theo trang wed của cục môi trƣờng Việt Nam số ra ngày 10/11/2007 thì: nƣớc thải của một số xí nghiệp chế biến thủy sản gồm: nƣớc sản xuất, nƣớc thải vệ sinh công nghiệp và nƣớc thải sinh hoạt. 10 Thực nghiệm amon hóa nước thải nhà máy chế biến tôm Năm: 2009-2010 Nƣớc thải sản xuất là loại nƣớc thải để rửa tôm hoặc cá trong sản xuất. Theo số liệu thống kê đánh giá thì lƣu lƣợng nƣớc này sử dụng thải ra từ 30-70m3 /tấn thành phẩm tùy theo công nghệ và loại sản phẩm mà nhà máy sản xuất ra. Nƣớc thải vệ sinh công nghiệp là loại nƣớc dùng để vệ sinh tay chân công nhân trƣớc khi vào ca sản xuất, nƣớc dùng để rửa dụng cụ chế biến, thiết bị, máy móc và sàn nhà phân xƣởng mỗi ngày... Nƣớc thải sinh hoạt từ hoạt động sinh hoạt của cán bộ, công nhân viên trong các xí nghiệp. Đây cũng là lƣợng nƣớc thải đáng kể vì trong xí nghiệp chế biến thủy sản thƣờng có số lƣợng công nhân khá đông, do đó nhu cầu nƣớc cho các hoạt động sinh hoạt là khá lớn. Theo thống kê tại các xí nghiệp chế biến thủy sản đông lạnh có tổng cộng lƣu lƣợng thải trung bình khoảng từ 300 đến 500m3 ngày đêm (Vũ Nam, 2005). Theo Trần Văn Thoại (2005), khảo sát tình hình nƣớc thải của công ty chế biến thủy sản xuất khẩu Kiên Giang. Nƣớc thải thủy sản có thể chia thành ba nguồn khác nhau: nƣớc thải sản xuất, nƣớc thải vệ sinh công nghiệp và nƣớc thải sinh hoạt. Trong đó nƣớc thải sản xuất có mức độ ô nhiễm cao hơn cả. Nƣớc thải của phân xƣởng chế biến thủy sản có hàm lƣợng COD dao động trong khoảng từ 1600 – 3300 mg/l, hàm lƣợng BOD 5 dao động từ 1200 - 2800mg/l. Trong nƣớc thƣờng có vụn thủy sản và các vụn này dễ lắng hàm lƣợng chất rắn lơ lửng dao động từ 2001000 mg/l. Nƣớc thải thủy sản cũng bị ô nhiễm chất dinh dƣỡng với hàm lƣợng nitơ khá cao từ 100 - 350mg/l. Ngoài ra, trong nƣớc thải của các nhà máy chế biến thủy sản có chứa các thành phần hữu cơ mà khi bị phân hủy sẽ tạo ra các sản phẩm trung gian của sự phân hủy các acid béo không bảo hòa, tạo mùi khó chịu và đặc trƣng, gây ảnh hƣởng trực tiếp đến sức khỏe của ngƣời dân. Giá trị các thông số ô nhiễm đặc trƣng của nƣớc thải chế biến thủy sản đƣợc tóm tắt qua bảng 2.1: Bảng 2.1: Thành phần nƣớc thải của nhà máy chế biến thủy sản Thành phần Hàm lƣợng Tiêu chuẩn phát thải TCVN 5945:2005, loại B Chất rắn lơ lửng 800 - 2000 100 mg/l COD 1600 - 3300 100 mg/l BOD5 1200 - 2800 50 mg/l Tổng nitơ 100 - 350 30 mg/l Phốt pho 30 - 70 6 mg/l 11 Đơn vị đo Thực nghiệm amon hóa nước thải nhà máy chế biến tôm Năm: 2009-2010 Nhƣ vậy, nƣớc thải từ các nhà máy chế biến thủy sản có các chỉ số ô nhiễm cao hơn rất nhiều so với tiêu chuẩn nƣớc thải công nghiệp loại B. Ngoài ra trong nƣớc thải còn chứa nhiều các chất vụn nhƣ gạch, đầu vở...và các thành phần hữu cơ, khi phân hủy nó tạo ra mùi rất khó chịu làm ô nhiễm về mặt cảnh quan và cũng không tránh khỏi ảnh hƣởng đến dân cƣ xung quanh nếu không có biện pháp xử lý. Số liệu điều tra của Bộ Thủy Sản năm 2002 cho thấy, ở một số nhà chế biến đông lạnh thƣờng có lƣợng nƣớc thải lớn so với các cơ sở chế biến hàng khô, nƣớc mấm đồ hộp bình quân khoảng 5000m3/ngày....Mức ô nhiễm của nƣớc thải từ các nhà máy chế biến tùy thuộc vào loại mặt hàng chủ yếu mà nhà máy đó sản xuất. ẢI 2.3 Trần Cẩm Vân, 2002). Lƣơng Đức . cơ nhƣ protein, acid amin. Khi cơ t + 3 (Lƣơng Đức 4 2002). - Các vi sinh vật có khả năng amon hóa bao gồm nhiều loài sinh bào tử hoặc không sinh bào tử, có khả năng sử dụng nhiều nguồn vật chất khác nhau. Ngoài ra còn nhiều loại xạ khuẩn và nấm khuẩn ty. Tuy vậy, những vi sinh vật chỉ sử dụng riêng một loại protein thì không nhiều (Lƣơng Đức Phẩm, 2002). - Cũng theo Lƣơng Đức Phẩm (2002), các vi sinh vật này có khả năng tiết men phân giải protein vào môi trƣờng, thủy phân thành các amino acid. Khi đó, chúng sử dụng các amino acid này trong quá trình dị hóa và đồng hóa. Các sản phẩm đặc trƣng của quá trình phân giải protein là NH3 và H2S. - Quá trình phân giải protein có thể xảy ra trong các điều kiện hiếu khí và kỵ khí. Trong điều kiện hiếu khí, các hợp chất hữu cơ có chứa nitơ đƣợc phân giải bởi các loài trong giống Bacillus và Pseudomonas, các đại diện trong họ Enterobacteriaceae, các xạ khuẩn và nấm khuẩn ty. Trong đó, vai trò quan trọng 12 Thực nghiệm amon hóa nước thải nhà máy chế biến tôm Năm: 2009-2010 và chủ yếu nhất là giống Bacillus. Trong điều kiện kỵ khí thì các loài trong giống Clostridium tham gia quá trình chuyển hóa này. Còn trong điều kiện thông khí hạn chế, quá trình amon hóa đƣợc thực hiện bởi các loài vi khuẩn và trực khuẩn kỵ khí tùy nghi (Lƣơng Đức Phẩm, 2002). 2.4 TÁC ĐỘNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ LÝ HÓA LÊN SINH TRƢỞNG VÀ PHÁT TRIỂN CỦA VI SINH VẬT TRONG NƢỚC THẢI Theo Nguyễn Lân Dũng, Nguyễn Đình Quyến và Phạm Văn Ty (2001), sự sinh trƣởng và trao đổi chất của các vi sinh vật liên quan chặt chẽ với các điều kiện của môi trƣờng bên ngoài. Ảnh hƣởng của nhiệt độ: Hoạt động trao đổi chất của vi sinh vật có thể coi là kết quả của các phản ứng hóa học. Vì các phản ứng này phụ thuộc chặt chẽ vào nhiệt độ nên yếu tố nhiệt độ rõ ràng ảnh hƣởng sâu sắc đến các quá trình sống của vi sinh vật. Vi sinh vật thu nhiệt chủ yếu từ môi trƣờng bên ngoài, một phần cũng do cơ thể thải ra do kết quả của hoạt động trao đổi chất. Hầu hết tế bào sinh dƣỡng của vi sinh vật bị chết ở nhiệt độ cao, protein bị biến tính, một hoặc hàng loạt enzyme bị bất hoạt. Sự chết của vi khuẩn ở nhiệt độ cao cũng có thể còn là hậu quả của sự bất hoạt hóa ARN và sự phá hoại màng tế bào chất (nói chung, các acid nucleic ít mẫn cảm với nhiệt độ so với các enzyme). Nhiệt độ thấp có thể làm bất hoạt quá trình vận chuyển các chất hòa tan qua màng tế bào hoặc ảnh hƣởng đến việc hình thành và tiêu thụ ATP cần cho quá trình vận chuyển chủ động các chất dinh hƣỡng. Ảnh hƣởng của pH môi trƣờng: - pH của môi trƣờng có ý nghĩa quyết định đối với sinh trƣởng của nhiều vi sinh vật. Các ion H+ và OH- là hai ion hoạt động lớn nhất trong tất cả các ion. Cho nên việc xác định thích hợp ban đầu và việc duy trì pH cần thiết trong thời gian sinh trƣởng của tế bào là rất quan trọng (Nguyễn Lân Dũng, Nguyễn Đình Quyến và Phạm Văn Ty, 2001). - Các giá trị pH cần cho sinh trƣởng và sinh sản của vi sinh vật tƣơng ứng với các giá trị pH cần cho hoạt động của enzyme. Giới hạn pH hoạt động đối với vi sinh vật ở trong khoảng 4 đến 10. Đa số vi sinh vật sinh trƣởng tốt nhất ở pH trung tính (pH=7) (Nguyễn Lân Dũng, Nguyễn Đình Quyến và Phạm Văn Ty, 2001). - pH của môi trƣờng không những ảnh hƣởng mạnh mẽ đến sinh trƣởng, mà còn tác động sâu sắc đến các quá trình trao đổi chất. Màng tế bào chất của vi sinh vật tƣơng đối ít thấm đối với các ion H+ và OH-. Vì vậy, mặc dù pH của môi trƣờng bên ngoài dao động trong giới hạn rộng, nồng độ của hai ion nói trên trong tế bào nói chung vẫn ổn định. Ảnh hƣởng của pH môi trƣờng lên hoạt động của vi 13 Thực nghiệm amon hóa nước thải nhà máy chế biến tôm Năm: 2009-2010 sinh vật có thể là do kết quả tác động qua lại giữa ion H + và enzyme chứa trong màng tế bào chất và thành tế bào (Nguyễn Lân Dũng, Nguyễn Đình Quyến và Phạm Văn Ty, 2001). Giới hạn chung của pH đối với sự sinh trƣởng của vi sinh vật là từ 3 11 nhƣng tùy theo loại hình vi sinh vật khác nhau mà chúng có giới hạn pH khác nhau (bao gồm pH tối thiểu, pH tối thích hợp và pH tối đa) (Theo Nguyễn Lân Dũng, Nguyễn Đình Quyến và Phạm Văn Ty, 2001). + Vi sinh vật ƣa trung tính : Có độ pH từ 4,5 5; 6,5 7,4; 8 8,5. Chủ yếu là các vi sinh vật gây bệnh cho ngƣời và động vật. + Vi sinh vật ƣa kiềm: Có độ pH từ 6 6,5; 7,5 8,5; 9 9,5. Gồm các nhóm vi sinh vật nitrat, xạ khuẩn, tảo, vi khuẩn có định nitơ. + Vi sinh vật chịu kiềm: pH tối thích ≥ 9 nhƣ vi khuẩn Vibro cholera thích ứng ở pH = 9, một số loại thuộc giống Bacillus có thể sinh trƣởng ở pH = 11. + Vi sinh vật ƣa acid nhẹ: Có độ pH từ 6 6,5; 7,5 8,5; 9 9,5; 3 4,5; 5,5 6,5; 8 8,5. Chủ yếu là nhóm nấm men và nấm mốc. + Vi sinh vật ƣa acid: Có độ pH từ 2 4; 5 6; 6,5 7,0 Thuộc các vi khuẩn lên men nhƣ vi khuẩn lactic trong sữa chua, dƣa hay cà muối. + Vi sinh vật chịu acid: Có độ pH từ 1,2 2,8; 4 6 . Ảnh hƣởng của oxy đối với sinh vật kỵ khí: Vi sinh vật kỵ khí: là vi sinh vật không thể sinh trƣởng trong môi trƣờng có oxy; oxy là chất độc đối với chúng. Một số vi sinh vật bị chết khi tiếp xúc với oxy. Độc tính của oxy với vi sinh vật kỵ bắt buộc là do một số phần tử đƣợc sinh ra trong các phản ứng với oxy. Phản ứng dẫn đến sản sinh ra gốc superoxit (O2-) rất hoạt động. Bản thân gốc superoxit gây hƣ hại cho tế bào nhƣng nó lại tiếp tục các phản ứng chuyển hóa sinh ra H2O2 và OH-, gây phá hoại vách tế bào. Các vi sinh vật hiếu khí có sự tổng hợp các enzym catalaza và peroxidaza làm phân hủy H2O2, còn vi khuẩn kỵ khí thì không (Lƣơng Đức phẩm, 2002). Ảnh hƣởng của ánh sáng mặt trời: Theo Lƣơng Đức Phẩm (2002), trừ một số nhóm có khả năng quang hợp (vi khuẩn lƣu huỳnh, tảo,…) còn đa số vi sinh vật có thể bị ánh sáng mặt trời ức chế sinh trƣởng hoặc tiêu diệt. Tác dụng của ánh sáng do tia UV (2900 - 4000Å) trực tiếp tác động lên tế bào hoặc gián tiếp do tạo ra các chất độc loại peroxit trong môi trƣờng có chứa vi sinh vật. Sự tác động của ánh sáng bị giảm đi khi vi sinh vật có sắc tố, vỏ nhày và nha bà. 14 Thực nghiệm amon hóa nước thải nhà máy chế biến tôm Năm: 2009-2010 Nhu cầu oxy hóa học (COD) Theo Lƣơng Đức Phẩm (2002), chỉ số COD đƣợc dùng rộng rãi để đặc trƣng cho hàm lƣợng chất hữu cơ của nƣớc thải và sự ô nhiễm của nƣớc tự nhiên. Nhu cầu oxy hóa học là lƣợng oxy cần thiết cho quá trình oxy tƣơng đƣơng của các cấu tử hữu cơ trong mẫu nƣớc bị oxy hóa bởi các tác nhân hóa học có tính oxy hóa mạnh. Đây là một phƣơng pháp vừa nhanh chống vừa quan trọng để khảo sát các thông số của dòng nƣớc và nƣớc thải công nghiệp, đặc biệt trong các công trình xử lý nƣớc thải. COD biểu thị lƣợng chất hữu cơ có thể bị oxy hóa bằng hóa học, nhƣ thế nó nhƣ là một chỉ tiêu đặc trƣng cho mức độ chất hữu cơ có trong nƣớc bị ô nhiễm. 2.5 Theo Trần Cẩm Vân (2001), n + 3 4 , . + 3 nhƣ protein 4 . itơ NH3 + 4 2.5.1 Quá trình amon hóa Theo Nguyễn Đức Lƣợng và Nguyễn Thị Thùy Dƣơng (2003), muốn phân hủy đƣợc protein vi sinh vật phải tổng hợp ra các protease ngoại bào. Các protease này đƣợc tổng hợp trong tế bào vi sinh vật, thoát ra khỏi tế bào và thực hiện các quá trình phân giải ngoài tế bào. Quá trình phân giải urê Cũng theo Nguyễn Đức Lƣợng và Nguyễn Thị Thùy Dƣơng (2003), urê là sản phẩm của quá trình trao đổi chất của ngƣời và động vật. Urê chủ yếu có trong nƣớc tiểu của ngƣời và động vật (urê thƣờng chiếm 2,4% trong nƣớc tiểu). Ngoài ra, urê đƣợc đƣa vào môi trƣờng nƣớc nhiều từ việc sử dụng phân bón hóa học. Thực vật hoàn toàn không có khả năng sử dụng urê trực tiếp. Chính vì thế, chúng cần đƣợc chuyển hóa thành muối amon. Vi khuẩn tham gia quá trình chuyển hóa này gồm có các giống thuộc Urebacterium. Hầu hết chúng thuộc họ Cocoaceae và Bacilacea. Cụ thể, chúng bao gồm các loài nhƣ: Sarcina hansenii, Bacillus pasteucii, Erwinia amylowara, Proteus vulgaris, Bacillus freudenreichui, Spororcina urea. Cơ chế chuyển hóa của chúng rất đơn giản, có thể xem nhƣ sự khử amin đƣợc tiến hạnh dƣới sự tác động của enzym urease: 15 Thực nghiệm amon hóa nước thải nhà máy chế biến tôm CO + H2O NH2 Năm: 2009-2010 OH CO + 2NH3 NH2 (NH4 )2CO3 OH Muối carbonat amon là một hợp chất không bền nên rất dễ chuyển hóa tiếp nếu chúng không đƣợc cấy hấp thụ ngay. (NH4 )2CO3 2NH3 + CO2 + H2O Ngoài ra trong nƣớc còn có acid uric (Acid uric cũng là một thành phần không thể thiếu trong nƣớc tiểu). Acid uric cũng không thể đƣợc cây xanh sử dụng nếu chúng không bị vi sinh vật phân giải. Quá trình phân giải này đƣợc trình bày nhƣ sau: (NH2)2C5O3 + 4H2O 2(NH2)2CO + C3H4O5 Urê Sau đó urê lại đƣợc phân hủy tiếp theo phản ứng đã đƣợc trình bày ở trên. Trong nƣớc còn tồn tại một loại hợp chất chứa nitơ khác, đó là xianamit canxi. Đây là một loại phân hóa học. Loại này không đƣợc vi sinh vật phân giải cũng không đƣợc cây sử dụng. Quá trình phân hủy này đƣợc trình nhƣ phản ứng sau: CN.NCa + 2H2O CN.NH2 + Ca(OH2) CN.NH2 + H2O Co(NH2)2 Co(NH2)2 + H2O 2NH3 + CO2 Quá trình amon hóa protein Theo Trần Cẩm Vân (2001), prote -17% nitơ. NH3, NH4+ . -35oC; pH:4,5-9. Theo Nguyễn Đức Lƣợng và Nguyễn Thị Thùy Dƣơng (2003), d (polypeptit, olygopeptit). 3, CO2 acid amin 16 Thực nghiệm amon hóa nước thải nhà máy chế biến tôm Năm: 2009-2010 (peptitdaza) acid amin hấp thụ hoặc phân giải ra NH3, NH4+. Dƣới tác dụng của proteaza, các protein đƣợc phân giải thành các hợp chất đơn giản hơn ( polypeptit, olygopeptit). Sự khử amin có thể xảy ra theo một trong những phƣơng thức sau : R-CH(NH2)COOH R = CHCOOH + NH3 R-CH(NH2)COOH + H2O R-CH2OH-COOH + CO2 + NH3 R-CH(NH2)COOH + ½ O2 R- CO-COOH + CO2 + NH3 R-CH(NH2)COOH + O2 R- COOH + CO2 + NH3 R-CH(NH2)COOH + H2O R-CO-COOH + NH3 + 2H R-CH(NH2)COOH + 2 H2O R-COOH + NH3 + 4H R-CH(NH2)COOH + 2H R-CH2- COOH + NH3 R-CH(NH2)COOH + 2H R-CH3 + CO2 + NH3 sau: Bacillus mycoides, B.mesentercus, B.subtilis, Ptoteus vulgaris, Chromobacterium prodigiosum, Pseudomonas fluorescens, Escherichia coli, Clostridium sporogenes. Streptomyces griseus, S.rimesus. Aspergillus oryzae, A.flavus, Aterricoda, Aniger, Penicillum camoniberli, Mucor. t peptit và Ý nghĩa của quá trình amon hóa protein Trong môi trƣờng nƣớc quá trình amon hóa protein có nhiều ý nghĩa khác nhau:  Đối với vi sinh vật: Vi sinh vật tham gia amon hóa protein trƣớc tiên vì sự sống của bản thân chúng. Nhờ có quá trình amon hóa chúng đƣợc cung cấp năng lƣợng, cung cấp vật liệu xây dựng cơ thể. Khi nghiên cứu quá trình amon hóa và ý nghĩa của nó đối với sự sống của vi sinh vật, các nhà khoa học cho thấy chúng sử dụng quá trình này theo hai hƣớng:  Hƣớng thứ nhất: Chúng sử dụng acid amin nhƣ một nguồn nitơ chính cho việc xây dựng tế bào, trong trƣờng hợp này các acid amin hầu nhƣ đƣợc sử dụng nguyên thể. Các acid amin này khi vào cơ thể tế bào vi sinh vật sẽ đƣợc hoạt hóa và sẽ đƣợc tổng hợp thành protein của tế bào vi sinh vật. Nhƣ vậy, từ protein của động vật hay của 17 Thực nghiệm amon hóa nước thải nhà máy chế biến tôm Năm: 2009-2010 thực vật. Vi sinh vật sử dụng thông qua quá trình chuyển hóa thành acid amin để tổng hợp ra protein cho mình. Thủy phân Enzyme đƣợc tổng hợp trong tế bào Sản phẩm trao đổi chất Protein trong xác động vật và thực vật Tham gia tổng hợp ra protein của vi sinh vật Tế bào vi sinh vật Hình 2.2: Quá trình sử dụng các acid amin nguyên thể từ xác động vật và thực vật để tổng hợp ra protein của vi sinh vật. (Nguồn: Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn Thị Thùy Dương, 2003) Hƣớng sử dụng này không đòi hỏi qua quá trình vô cơ hóa  Hƣớng thứ hai: Vi sinh vật sử dụng acid amin trong quá trình phân hủy nhƣ nguồn carbon và nguồn năng lƣợng cho hoạt động sống của tế bào, trong trƣờng hợp này các acid amin khi vào tế bào sẽ đƣợc khử. Quá trình khử này tạo ra nhiều sản phẩm gây thối trong môi trƣờng nƣớc 18 Thực nghiệm amon hóa nước thải nhà máy chế biến tôm Enzyme đƣợc tổng hợp trong tế bào Thủy phân Protein trong xác động vật và thực vật Năm: 2009-2010 Acid amin Acid amin bị khử, vi sinh vật sử dụng năng lƣợng và carbon Các sản phẩm trao đổi chất, bao gồm: CO2 H2O H2S Mercaptan Skatol Indol Tế bào vi sinh vật Hình 2.3: Quá trình sử dụng năng lượng carbon và năng lượng từ sự phân giải các acid amin. (Nguồn: Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn Thị Thùy Dương, 2003). Nhƣ vậy, câu hỏi đặt ra là trong trƣờng hợp nào thì vi sinh vật thực hiện theo hƣớng thứ nhất hoặc hƣớng thứ hai. Nguồn carbon có thể đƣợc cung cấp cho vi sinh vật từ cacbuahydro hay từ hydrocarbon, hay từ protein, nhƣng nguồn nitơ chỉ đƣợc cung cấp bởi các hợp chất chứa nitơ. Trong điều kiện nhƣ thế, vi sinh vật chỉ đƣợc sử dụng trong một giới hạn nhất định. Khi phân tích thành phần chất khô của tế bào vi sinh vật, các nhà khoa học cho thấy carbon chiếm khoảng 50% và nitơ chiếm khoảng 10%. Tỷ lệ này đƣợc ký hiệu là tỷ lệ C/N. Trong thực tế, khi vi sinh vật sử dụng nguồn carbon, chúng sử dụng bốn phần làm nguồn năng lƣợng. Do đó tỷ lệ C/N lúc này sẽ là: 19 Thực nghiệm amon hóa nước thải nhà máy chế biến tôm Năm: 2009-2010 C 5 25 = + 20 = N 1 1 Trong trƣờng hợp C/N > 25/1, có nghĩa là nitơ thiếu thì vi sinh vật sẽ sử dụng nitơ theo hƣớng thứ nhất. Trong trƣờng hợp C/N < 25/1, có nghĩa là nitơ lại thừa và carbon thiếu, vi sinh vật sẽ sử dụng nitơ theo hƣớng thứ hai. Theo hƣớng thứ nhất, trong môi trƣờng nƣớc ít tích tụ các sản phẩm khử acid amin, do đó môi trƣờng ít bị ô nhiễm. Theo hƣớng thứ hai, trong môi trƣờng nƣớc tích tụ nhiều sản phẩm khử acid amin, do đó môi trƣờng sẽ bị ô nhiễm nặng.  Đối với giới thực vật trong nƣớc: Quá trình amon hóa protein và các hợp chất chứa nitơ là quá trình rất có lợi cho cây trồng vì thực vật không thể trực tiếp sử dụng các hợp chất hữu cơ cho quá trình trao đổi chất. Chúng chỉ có thể sử dụng các hợp chất chứa nitơ ở dạng vô cơ hòa tan. Do đó, vi sinh vật vô cơ hóa protein có ý nghĩa quyết định đến sự phát triển của chúng trong môi trƣờng nƣớc có nhiều xác động vật và thực vật. Mặt khác, sự phát triển của thực vật trong môi trƣờng nƣớc cùng với sự phát triển của vi sinh vật amon hóa protein sẽ tạo nên cơ chế tự làm sạch môi trƣờng rất hữu hiệu. Tất nhiên, cơ chế tự làm sạch của môi trƣờng nƣớc này chỉ có giới hạn khi môi trƣờng chứa giới hạn lƣợng protein có trong xác động vật và thực vật. Quá trình amon hóa kitin (protein < 2%.) (Trần Cẩm Vân, 2001). . Achromobacter, Flavobacterium Pseudomonas, Nocardia, Micromonospora. Aspergillus, Mortierella. Streptomyces gricecus. 20 Bacillus, Cytophaga,