Xử lý nước thải hữu cơ nhiễm mặn bằng nấm men trong các thí nghiệm mẻ - Lương Thị Kim Giang

Hóa học & Kỹ thuật môi trường L.T.K.Giang, N.V.T.Huy, T.M.Chí, “Xử lý nước thải các thí nghiệm mẻ.” 130 XỬ LÝ NƯỚC THẢI HỮU CƠ NHIỄM MẶN BẰNG NẤM MEN TRONG CÁC THÍ NGHIỆM MẺ Lương Thị Kim Giang1, Ngô Văn Thanh Huy2, Trần Minh Chí2* Tóm tắt: Nấm men phân lập từ nước thải nhà máy chế biến hải sản được làm giàu trong môi trường nước thải có độ mặn 5.000 mg/l và 10.000 mg/l, sau đó thử nghiệm xử lý nước thải hữu cơ trong các thí nghiệm mẻ có COD khoảng 5.000 mg/l, độ mặn thay đổi với các hàm lượng tăng dần từ 20.000, 25.000 đến 30.000 mg/l NaCl. Kết quả thí nghiệm cho thấy hiệu quả loại bỏ COD bằng nấm men hiếu khí phụ thuộc vào pH, độ mặn và cho phép đạt tới 90 - 96%. Hình thái của các tế bào nấm men được quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM). Các thông số động học của nấm men được xác định và so sánh với các tài liệu quốc tế. Từ khóa: Xử lý nước thải, Nhiễm mặn, Nấm men, Hiếu khí, MLSS. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Xử lý nước thải hữu cơ nhiễm mặn bằng phương pháp sinh học thông thường như bùn hoạt tính, bể lọc sinh học, bể UASB ... không thật sự hiệu quả trong việc loại COD do nồng độ muối trong nước thải. Nguyên nhân dẫn đến sự giảm hoạt tính là do từng loài vi sinh vật (VSV) có một giới hạn muối cho phép khác nhau để có thể thích nghi và sinh trưởng, đặc biệt khi nồng độ muối lên tới từ 3 – 5% (phần trăm khối lượng – thể tích) khả năng thích nghi của vi sinh vật dễ dàng bị mất đi. Độ mặn gây ra sự thay đổi nồng độ ion trong tế bào, tăng áp suất thẩm thấu hoặc ức chế các phản ứng trong quá trình phân hủy sinh học [6]. Tuy nhiên, trong tự nhiên, tồn tại một số loài vi sinh vật sử dụng muối để phát triển được gọi là vi sinh vật ưa mặn (halophilic microbes) hoặc vi khuẩn chịu mặn (halotolerant bacteria). Vì vậy sử dụng vi sinh vật ưa/chịu mặn với mật độ cao sẽ là một giải pháp hiệu quả trong việc loại bỏ COD trong nước thải hữu cơ nhiễm mặn. Hầu hết các nghiên cứu trong và ngoài nước xử lý nước thải hữu cơ nhiễm mặn đều sử dụng vi sinh vật ưa/chịu mặn hiếu khí. Sivaprakasam, Mahadevan và cộng sự (2008) [6], Mancini, Cappello và cộng sự (2012) [4] sử dụng bùn hoạt tính cùng với một số giống vi sinh vật thuần chủng như Zooglea ramigera, Pseudomonas aeruginosa, Bacillus flexus, Exiguobacterium homiense và Staphylococcus aureus với hiệu quả loại COD đạt từ 70 – 85 % với nồng độ COD đầu vào từ 200 – 2.000 mg/l, nồng độ muối từ 5.000 – 25.000 m g/l. Với một số ngành sản xuất như ngành chăn nuôi, ngành chế biến thủy sản giá trị COD đầu vào cao, vượt quá 5000 mg/l thì phương pháp kỵ khí được sử dụng phổ biến hơn. Hạn chế của quá trình phân hủy kỵ khí là thời gian lưu thủy lực dài. Dan.N.P, 2002 [3] phân lập và sử dụng nấm men để xử lý nước thải nhiễm mặn với nồng độ muối lên đến 32.000 mg/l, COD đầu vào 5.000 mg/l với hiệu quả xử lý lên đến hơn 90%. Bài báo này giới thiệu kết quả nghiên cứu ứng dụng nấm men để xử lý nước thải hữu cơ nhiễm có độ mặn cao (lên đến 30.000 mg/l NaCl) sau khi phân lập từ bùn hoạt tính lấy tử HTXLNT Ngọc Tùng, Bà Rịa - Vũng Tàu với các nội dung sau:  Thử nghiệm xử lý nước thải hữu cơ nhiễm mặn nhân tạo bằng nấm men trong điều kiện hiếu khí thông qua các thí nghiệm mẻ với độ mặn khác nhau (từ 5.000 – 30.000 mg/l)  Quan sát hình thái tế bào nấm men bằng kính hiển vi điện từ quét (SEM).  Tính toán các thông số động học dựa trên kết quả thử nghiệm xử lý nước thải hữu cơ nhiễm mặn của nấm men. 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 2.1. Vật liệu Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Kỷ niệm 55 năm Viện KHCNQS, 10 - 2015 131 2.1.1. Thành phần nước thải [3] Nước thải nhân tạo được sử dụng trong thí nghiệm có thành phần gồm: 1.870 mg/l (NH4)2SO4 ; 235 mg/l KH2PO4; 467 mg/l MgSO4.7H2O; 5.000 mg/L glucose; 0,5 mg/l ZnSO4.7H2O; 10 mg/l CaCl2; 1 mg/l MnCl2; 1 mg/l FeCl2; 0,2 mg/l NH4Mo4.4H2O; 0,2 mg/l CuSO4 và 0,2 mg/l CoCl2. Nồng độ muối NaCl thay đổi từ 20.000 – 30.000 mg/l. 2.1.2. Sinh khối Bùn chứa nấm men được sử dụng trong thí nghiệm được lấy từ bể hiếu khí hệ thống xử lý nước thải nhà máy thủy sản Ngọc Tùng, thành phố Vũng Tàu. 2.2. Phương pháp 2.2.1. Phân lập nấm men Quá trình phân lập nấm men được tiến hành trong bể phản ứng có dung tích làm việc 2L. Cho bùn vào bể với 1L nước thải và làm đầy đến thể tích 2L bằng nước. Thí nghiệm được tiến hành ở nhiệt độ phòng, pH hiệu chỉnh tại 3,5 để nấm men phát triển tốt nhất cũng như hạn chế sự phát triển của vi khuẩn. Sau đó sục khí và khuấy trộn đều trong 32h, để lắng 10h, tiến hành rút 1,5L nước và tiếp tục tiến hành mẻ mới [3]. Bảng 1. Thông số vận hành thí nghiệm phân lập. STT Thông số vận hành Bùn chứa nấm men 1 pH 3,5 2 Hỗn hợp sinh khối lơ lửng (Mix Liquor Suspended Solids – MLSS) (mg/l) 1.000 3 NaCl (mg/l) 20.000 – 25.000 – 30.000 4 COD in (mg/l) 5.000 5 HRT (h) 32 6 Nhiệt độ (0C) 25 - 32 2.2.2. Thử nghiệm khả năng xử lý của nấm men Thử nghiệm khả năng loại COD bởi nấm men được tiến hành tương tự thí nghiệm phân lập với nồng độ muối bắt đầu 20.000 mg/l. MLSS bắt đầu cho thí nghiệm 1000 mg/l và khi MLSS tăng đến hơn 3.000 mg /l, quá trình thí nghiệm kết thúc tại nồng độ muối đó và tiếp tục làm giàu cho nồng độ muối tiếp theo là 25.000 mg/l và 30.000 m g/l. 2.2.3. Phương pháp phân tích Tiến hành đo các giá trị đầu ra của các thông số pH, MLSS và COD. pH được đo bằng máy đo pH cầm tay Hach Sension pH1, USA. COD được phân tích bằng phương pháp so màu hồi lưu kín 5220D – Standard Method [2] trên thiết bị Hach Model DR/2010, USA. HgSO4 được thêm vào mẫu để loại bỏ sự ảnh hưởng của Cl đến phép đo. MLSS được xác định theo phương pháp 2540D – Standard Method [2]. 2.2.4. Quan sát hình thái tế bào nấm men Hình thái của tế bào nấm men được chụp bằng kính hiển vi điện tử quét FE SEM S4800 HITACHI, Nhật Bản. 2.2.5. Tính toán các thông số động học Kết quả của quá trình thử nghiệm khả năng xử lý của nấm men cho giá trị MLSS và giá trị COD sau khi xử lý được sử dụng để tính toán tốc độ tăng trưởng đặc thù (µ), hằng số sử dụng cơ chất Y dựa trên phương trình Monod [4]. Hóa học & Kỹ thuật môi trường L.T.K.Giang, N.V.T.Huy, T.M.Chí, “Xử lý nước thải các thí nghiệm mẻ.” 132  Tốc độ tăng trưởng đặc thù của tế bào (Specific growth rate) dX dt (1) Với X là nồng độ bùn hoạt tính (mg/l) Phương trình Monod về mối liên hệ giữa tốc độ tăng trưởng đặc thù và cơ chất: max S μ μ Ks+S  (2) Trong đó µ : Tốc độ tăng trưởng đặc thù của VSV (1/h) µmax : tốc độ tăng trưởng đặc thù cực đại của VSV (mg/L) S : Nồng độ cơ chất (mg/l) Ks: Hằng số bán tốc độ xác định nồng độ cơ chất ở thời điểm µ = (µmax/2) (mg/l)  Tốc độ sử dụng cơ chất (Substrate Utilization rate) Tốc độ sử dụng cơ chất dựa trên hiệu quả loại COD được thể hiện theo phương trình: 0S -SU = θX (3) Trong đó: U : Tốc độ sử dụng cơ chất (mg COD loại bỏ/mg MLSS) S0 : Nồng độ cơ chất ban đầu (mg/l) S : Nồng độ cơ chất sau thí nghiệm (mg/l) X : Nồng độ bùn hoạt tính (mg/l) θ : Thời gian lưu nước (ngày)  Hệ số năng suất tăng trưởng (Growth Yield Coefficient) Mối liên hệ giữa tế bào mới sinh ra và sử dụng cơ chất được trình bày như sau: dX dS = Y* dt dt (4) Trong đó: X : Nồng độ sinh khối (mg/l) S : Nồng độ cơ chất (mg/l) Y: Hệ số năng suất tăng trưởng (mgVSS/ mg cơ chất loại bỏ.ngày) Hệ số phân hủy nội bào 0 d C S -S1 -K θ Xθ (5) Trong đó: S0 : Nồng độ cơ chất ban đầu (mg/l) S:Nồng độ cơ chất sau thí nghiệm (mg/l) X : Nồng độ bùn hoạt tính (mg/l) θ : Thời gian lưu nước (ngày) θc: Thời gian lưu bùn (ngày) Y: Hệ số năng suất tăng trưởng (mgVSS/ mg cơ chất loại bỏ. ngày) Kd: Hệ số phân hủy nội bào (1/ngày) 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Phân lập nấm men Quan sát sự thay đổi màu bùn trong suốt quá trình phân lập cho thấy trong giai đoạn đầu, bùn lẫn nhiều tạp chất, có màu đen thẫm và chuyển dần sang màu trắng sữa theo thời gian cùng với độ mặn tăng dần. Điều này cho thấy nấm men đã thích nghi và sinh trưởng Nghiên c Tạp chí Nghi tốt, mật độ nấm men (tính theo MLSS) đ trình phân l 3.2. Hi Sau khi phân l lượt 20.000 m g/l, 25.000 g/l rồi 30.000 g/l v suốt quá tr Tại nồng độ muối 20g/l, thí nghiệm ho mẻ với hiệu quả xử lý COD cao, tr chậm ở những mẻ đầu ti đạt 3.000 mg/l ở mẻ thứ 7. Hiệu quả loại COD cao nhất l ra tương Hình 1. nồng độ muối 25.000 mg/l (H Tại nồng đ COD tăng d ổn định trong khoảng từ 89 % đến 90 % ở 4 mẻ đầu ti dần theo giá tr Tại nồng độ muối 30.000 mg/l, thí nghiệm kết thúc sau 9 mẻ. Hiệu quả loại COD b 20.000 mg/l và 25.000 mg/l. Nh đầu ti xử lý đạt 83% với giá trị COD đầu ra l 805 mg/l. Sau đó, hi tăng d quả lọai cao nhất l với giá trị COD đầu ra l Sự khác biệt giữa hiệu quả xử lý cũng nh men có th đổi cân bằng ion trong tế b ra, độ mặn có khả năng gây ức chế những phản ứng tr ly giải tế b ứu khoa học công nghệ ên cứu KH&CN ập [3]. ệu quả xử lý n ập nấm men, thí nghiệm đ ình làm giàu, sinh kh ứng 203 mg/l. Hiệu quả loại COD của nấm men tại nồng độ muối 20.000 mg/l (H ộ muối 25.000 mg/l, thời gian ho ần theo thời gian, tuy nhi thời gian v ị COD đầu ra t ắt đầu giảm so với nồng độ muối ên tại nồng độ muối n ần và kết thúc thí nghiệm với hiệu ể được giải thích bằng ảnh h ào làm tăng lư quân s ước thải nhiễm mặn của nấm men ên của thí nghiệm. Sau đó, có sự tăng r à đạt 3000 mg/l tại mẻ thứ 8. Hiệu quả loại COD cao nhất 95 % với ương ứng l ày, hi ệu quả l à 93,6 % tương à 320 mg/l. ào n ợng chất thải rắn[4]. Điều n ự, Số Kỷ ối nấm men v ên 90% t ình 1B). ên, không có s à 250 mg/l. ững mẻ ệu quả à oại COD ứng ưởng của nồng độ muối, l ấm men, v niệm 55 năm Vi ã tăng lên từ 1.000 mg/l tới 3.000 mg/l sau quá ược tiến hành v à đo đạc các giá trị đầu ra COD v à hiệu quả loại COD tăng dần the àn thành khi MLSS tăng đ ừ những mẻ đầu ti àn thành thí nghi ự thay đổi r Hình 2. Hi tại nồng độ muối 30.000 mg/l. ư thời gian ho ì thế yêu cầu thời gian để thích nghi [1] ong quá trình phân h ện KHCNQ ới nồng độ muối NaCl thay đổi lần ên. MLSS tăng d õ r ên đến 96% với giá trị COD đầu ệm l õ r ên. MLSS c ệu quả loại COD của nấm men àn thành quá trình làm giàu n à nhân t ày có thể lý giải giá trị COD đầu ra S, 10 - 2015 à MLSS. Trong o th ến 3.000 mg/l trong 6 ệt từ mẻ 4 ình 1A) và à 8 mẻ. Hiệu quả loại ệt giữa các mẻ, dần dần ũng theo xu h ố gây n ủy sinh học, gây 133 ời gian. ần, tăng cho đến khi ướng tăng ấm ên sự thay . Ngoài Hóa học & Kỹ thuật môi trường L.T.K.Giang, N.V.T.Huy, T.M.Chí, “Xử lý nước thải các thí nghiệm mẻ.” 134 tăng dần ở nồng độ muối cao hơn mặc dù MLSS tại mỗi nồng độ muối đều đạt khoảng 3000 mg/l khi kết thúc thí nghiệm. 3.3. Hình thái nấm men Kết quả SEM được trình bày trên hình 3, cho thấy hình thái tế bào được quan sát dưới kính hiển vi điện tử quét có độ phóng đại 9.000 lần (Hình 3a) và độ phóng đại 20.000 lần (Hình 3b). Tế bào có dạng hình ovan, là hình thái cơ bản của nấm men. Mật độ tế bào nấm men dày đặc và chiếm ưu thế trong mẫu bùn quan sát. Kết quả này cũng phù hợp với một số nghiên cứu trên thế giới sử dụng nấm men để xử lý nước thải trong điều kiện nhiễm mặn[1]. Kết quả hình SEM cho thấy nấm men có khả năng chịu mặn tốt, sinh trưởng và phát triển trong điều kiện độ mặn lên đến 30.000 mg/l. (a) (b) Hình 3. Hình thái tế bào nấm men tại nồng độ muối 30.000 mg/l. 3.4. Xác định thông số động học Tốc độ tăng trưởng tối đa µmax tại các nồng độ NaCl 20.000, 25.000 và 30.000 mg/l lần lượt là 2,79; 2,77 và 2,93 ngày-1. Hệ số phân hủy nội bào Kd giảm dần theo thời gian cho thấy lượng sinh khối mất đi giảm dần khi 1g sinh khối mới được sinh ra. Điều này có thể được giải thích là do sự thích nghi của nấm men với độ mặn trong nước thải. Hệ số năng suất tăng trưởng (Y) của nấm men giảm dần tương ứng với sự tăng dần nồng độ muối NaCl: 0,4271; 0,281 và 0,2564 mgVSS/mgCOD. Có thể thấy độ mặn đã ảnh hưởng đến khả năng sử dụng cơ chất tối đa của nấm men. Kết quả này cũng phù hợp với kết quả của Dan.N.P,2002 [3]. Bảng 2. Hằng số động học của nấm men tại các nồng độ muối khác nhau. Hệ số Đơn vị Giá trị [5] Nấm men Khoảng Trung bình 20.000 mg/L 25.000 mg/L 30.000 mg/L Y mg VSS/mg COD 0,3 – 0,6 0,4 0,4271 0,281 0,2564 µmax - - - 2,79 2,77 2,93 Kd g VSS/ g VSS 0,06 – 0,15 0,1 0,4301 0,2945 0,2726 4. KẾT LUẬN Kết quả của nghiên cứu này cho thấy việc sử dụng nấm men có hiệu quả cao trong việc loại bỏ COD trong nước thải hữu cơ nhiễm mặn cao. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Kỷ niệm 55 năm Viện KHCNQS, 10 - 2015 135 Nấm men sau khi được phân lập từ bùn hoạt tính của HTXLNT thủy sản, nấm men được thử nghiệm và kết quả cho thấy hiệu quả loại COD đạt từ 90 – 95 % với giá trị COD đầu vào 5.000 mg/l và nồng độ muối từ 20.000 – 30.000 mg/l. pH 3,5 là giá trị tối ưu cho quá trình phân lập và xử lý ô nhiễm hữu cơ của nấm men. Hình thái nấm men được quan quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét thông qua hình SEM tại nồng độ muối 30.000 mg/L NaCl cho thấy mật độ nấm men cao và chiếm ưu thế trong mẫu sinh khối thử nghiệm. Kết quả này cũng cho thấy khả năng chịu mặn của nấm men khá cao. Các thông số động học được tính toán dựa trên số liệu thử nghiệm và kết quả phù hợp với các nghiên cứu trên thế giới. Lời cảm ơn: Nhóm tác giả cảm ơn Viện Khoa học Công nghệ quân sự đã cung cấp kinh phí cho nghiên cứu này. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Choi, M. H.; Park, Y. H., “Growth of Pichia guilliermondii A9, an osmotolerant yeast, in waste brine generated from kimchi production”. Bioresource Technology 1999, 70 (3), 231-236. [2]. Clesceri, L. S.; Greenberg, A. E.; Eaton, A. D., “Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 20th Edition”. APHA American Public Health Association: 1998. [3]. Dan N.P. 2001. “Biological treatment of high salinity wastewater using yeast and bacterial systems”. PhD thesis, AIT, Bangkok, Thailand [4]. Mancini, G., S. Cappello, M. M. Yakimov, A. Polizzi and M. Torregrossa (2012). "Biological approaches to the treatment of saline oily waste (waters) originated from marine transportation." CHEMICAL ENGINEERING 27. [5]. Metcalf & Eddy, Inc, “Wastewater Engineering Treatment and Reuse”, Fourth Edition. [6]. Sivaprakasam, S., S. Mahadevan, S. Sekar and S. Rajakumar (2008). "Biological treatment of tannery wastewater by using salt-tolerant bacterial strains." Microbial Cell Factories7(1): 1-7. ABSTRACT TREATMENT OF SALINE WASTEWATER USING YEAST IN BATCH REACTORS In this study, the yeast sludge of seafood wastewater was separated in synthetic wastewater containing salt at concentrations varied from 5.000 mg/l to 10.000 mg/l. The separated yeast was used to treat high organic wastewater with 5.000 COD mg/l at high salinity with NaCl concentration raised gradually from 20.000 mg/l to 25.000 m g/l and 30.000 mg/l in batch reactors. The results showed that under aerobic conditions with separated yeast, COD removal efficiency reached rather high values in the range of 90 – 96 % depending on pH and salinity of the wastewater. The SEM photos of the yeast were observed at NaCl concentration of 30.000 mg/l and kinetic constants were determined by using experimental data and compared to the international figures. Keywords: Wastewater treatment, Saline wastewater, Yeast, Aerobic, MLSS. Nhận bài ngày 9 tháng 07 năm 2015 Hoàn thiện ngày 25 tháng 08 năm 2015 Chấp nhận đăng ngày 10 tháng 9 năm 2015 Địa chỉ: 1 Khoa Môi trường, ĐH Khoa học tự nhiên HCM; 2Viện Nhiệt đới môi trường, Viện KHCNQS; *Email: tranminhchi57@gmail.com.