- ENZYME LIPASE VÀ ỨNG DỤNG TRONG TIỀN XỬ LÝ NƯỚC THẢI SỮA TỔNG HỢP Đào Thị Mỹ Linh 1. - Aspergillus niger, bề mặt đáp ứng (RSM), lipase, lipid, tiền xử lý. - Nghiên cứu tối ưu bằng phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) để tìm sự tương tác đồng thời của độ ẩm, thời gian và tỉ lệ cơ chất lên quá trình tổng hợp lipase từ Aspergillus niger, đánh giá khả năng thủy phân của lipase ở bước tiền xử lý lipid trong nước thải gồm: nồng độ enzyme 0,1÷0,5% (w/v), nhiệt độ 30÷50 o C và nồng độ chất béo 200÷3.400 mg/L. - Enzyme tiền xử lý lipid với các điều kiện nồng độ enzyme 0,2%, nhiệt độ 40 o C và nồng độ chất béo là 1.000 mg/L. - Nước thải được tiền xử lý giúp tăng hiệu quả đáng kể ở bước xử lý kỵ khí so với nước thải thô: khí biogas thu được 1.668,78 cm 3 so với 991,06 cm 3 , hiệu quả loại bỏ COD là 90,9% so với 56,9%, độ màu là 93,4% so với 50,2%, loại bỏ lipid đạt trên 99% ở cả hai loại nước thải sau 5 ngày.. - Tối ưu quá trình nuôi cấy nấm mốc Aspergillus niger thu nhận enzyme lipase và ứng dụng trong tiền xử lý nước thải sữa tổng hợp. - Trong thực tế, đã có nghiên cứu tìm ra các phương pháp xử lý nước thải ô nhiễm chất béo cao như phương pháp hóa lý sử dụng muối và các hệ thống tách dầu và nước. - Với phương pháp xử lý sinh học hiếu khí, chất thải có nồng độ chất béo cao sẽ dẫn đến sự hình thành các màng xung quanh các hạt bùn sinh học, cản trở việc truyền oxy và cơ chất tới các vi sinh vật trong bùn hoạt tính, kéo theo đó là sự gia tăng các nấm sợi, làm cấu trúc bông bùn lỏng lẻo, kết quả là bùn khó lắng làm giảm hiệu quả xử lý (Alberton et al., 2010). - Xử lý kỵ khí được đánh giá có nhiều ưu điểm trong xử lý nước thải do giảm tác động đến môi trường và giảm lượng bùn tạo ra trong quá trình xử lý, tuy nhiên với nước thải có chứa lượng chất béo cao thì xử lý kỵ khí gặp phải một số vấn đề như bùn khó lắng, hình thành lớp mỡ ở bề mặt của bể phản ứng, không phân giải hết chất béo, làm ức chế hoạt động xử lý của vi sinh vật kỵ khí, thời gian xử lý lâu. - Trước khi xử lý sinh học kỵ khí, sử dụng enzyme lipase sẽ làm biến đổi một phần chất béo, làm giảm các phản ứng sinh học và giảm các vấn đề ở các giai đoạn xử lý nước thải tiếp theo (Cammarota et al., 2001).. - Các điều kiện tiền xử lý được khảo sát để tăng hiệu suất của quá trình xử lý nước thải tổng hợp từ sữa giàu chất béo.. - Chế phẩm lipase ứng dụng trong tiền xử lý nước thải tổng hợp giàu chất béo thu được từ môi trường bán rắn nuôi cấy Aspergillus niger được tối ưu các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình sinh tổng hợp lipase.. - Nước thải tổng hợp được dùng tiền xử lý bởi enzyme lipase là hỗn hợp các loại sữa tươi của Vinamilk. - Xử lý kết quả thực nghiệm bằng phần mềm Modde 5 phân tích các hệ số hồi quy, bề mặt đáp ứng và tối ưu hóa thuật toán hàm mong đợi. - 2.2.2 Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng thủy phân chất béo trong nước thải sữa của chế phẩm lipase. - Nước thải sữa được tiền xử lý bằng chế phẩm lipase với các nồng độ enzyme được khảo sát lần lượt là 0,1%. - 2.2.3 Xử lý kỵ khí nước thải. - Mô hình xử lý kỵ khí, lấy 200 mL nước thải cho vào chai thủy tinh, bổ sung chế phẩm lipase và thực hiện quá trình thủy phân ở các điều kiện thích hợp.. - Bùn hoạt tính được thêm đạt tỉ lệ COD trong nước thải ban đầu và vi sinh vật trong bùn là 1:1 (Valladão et al., 2007), điều chỉnh pH 6,8÷7,2 bằng NaHCO 3. - Mẫu đối chứng được thực hiện tương tự chỉ khác ở nước thải tổng hợp ban đầu không được bổ sung chế phẩm lipase. - Xác định lượng acid béo tự do: hút 2 mL nước thải được xử lý bằng enzyme cho vào bình tam giác 250 mL và thêm vào bình 10 mL hỗn hợp axeton và ethanol (1:1 v/v) để biến tính enzyme và dừng phản ứng. - Sử dụng phần mềm Modde 5 thực hiện bố trí ma trận tối ưu và xử lý kết quả.. - Dựa trên kết quả xử lý số liệu, các tham số không có ý nghĩa (p >. - Kết quả xử lý số liệu cho thấy các yếu tố thí nghiệm có ảnh hưởng đến hiệu quả thu nhận lipase với độ tin cậy của mô hình là 0,999 cho thấy mô hình có độ tin cậy cao. - 3.2 Ảnh hưởng của các yếu tố nhiệt độ, nồng độ enzyme và nồng độ cơ chất tới khả năng thủy phân lipid của enzyme lipase. - Theo dõi khả năng thủy phân chất béo của enzyme lipase trong 100 mL nước thải có nồng độ chất béo 1000 mg/L, thêm 0,1 g chế phẩm enzyme, khảo sát ở các nhiệt độ khác nhau. - Ngoài ra, trong nước thải ban đầu có hệ vi sinh vật có thể sử dụng acid béo làm cơ chất đây có thể. - (2001) nồng độ acid giảm sau 24h khi bổ sung lipase trong nước thải. - Ở nghiệm thức đối chứng không bổ sung lipase thay vào đó cho natri azua (một chất diệt khuẩn) lượng acid béo tạo ra thấp hơn do hoạt động của hệ vi sinh có sẵn trong nước thải đã bị bất hoạt. - Theo dõi khả năng thủy phân của enzyme lipase đối với nước thải sữa có nồng độ chất béo 1.000 mg/L. - Kết quả Hình 3a cho thấy với nồng độ enzyme khác nhau hàm lượng acid béo tạo ra cũng khác nhau. - Khi nước thải không được bổ sung enzyme, lượng acid béo tạo thành rất thấp là 8 µmol/L. - Theo Adulkar and Rathod (2014), hoạt tính enzyme sử dụng là 360.000 UI/g xử lý nước thải sữa có nồng độ chất béo là 2.000 mg/L, nồng độ enzyme 0,2% (w/v) được chọn là tối ưu.. - (2012) cho thấy enzyme lipase hoạt tính 0,3 UI/mL, thủy phân nước thải sữa có nồng độ chất béo là 1.000 mg/L có nồng độ 10% (v/v) là tốt nhất. - các nồng độ chất béo khác nhau. - Tiến hành khảo sát khả năng thủy phân của 0,2 g enzyme lipase trong 100 mL nước thải ở các nồng độ chất béo khác nhau.. - Dựa vào kết quả Hình 3b cho thấy phần trăm thủy phân giảm khi nồng độ chất béo tăng. - (2007), lượng acid béo tăng khi nồng độ chất béo tăng. - Với nồng độ chất béo 200 mg/L các chất béo gần như được thủy phân hoàn toàn với 78,57%. - Vì vậy chọn 1.000 mg/L là nồng độ thích hợp để đánh giá khả năng tiền xử lý bằng enzyme trong hệ thống kỵ khí.. - (2012) cũng sử dụng nước thải có hàm lượng chất béo là 1.000 mg/L để xử lý nước thải trong hệ thống xử lý kỵ khí.. - 3.3 Xử lý kỵ khí nước thải tổng hợp giàu chất béo. - Nước thải sau quá trình xử lý đầu ra cần phải đạt chuẩn quy định theo QCVN 40:2011/BTNMT. - Các thông số pH, độ màu, nồng độ lipid, COD… có liên quan trực tiếp đến lượng bùn hoạt tính và vận hành hệ thống xử lý nước thải, ảnh hưởng quan trọng trong quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học. - Các thông số đầu vào của nước thải có nồng độ chất béo là 1.000 mg/L được xác định cho quá trình xử lý thể hiện trong Bảng 4.. - Bảng 4: Các thông số của nước thải tổng hợp. - 3.3.1 Theo dõi các thống số của nước thải trong quá trình xử lý nước thải. - Giá trị pH được kiểm soát ở các giai đoạn khác nhau của quá trình xử lý nước thải, kết quả thu được ở Bảng 5.. - Bảng 5: Giá trị pH của các giai đoạn xử lý nước thải. - Mẫu pH của các giai đoạn xử lý Nước thải. - đầu vào Nước thải sau. - tiền xử lý Kỵ khí sau 5 ngày Nước. - xử lý c a d Các ký tự ( abcde ) khác nhau biểu diễn mức độ sai biệt có ý nghĩa ở độ tin cậy 95%. - Sau khi nước thải được tiền xử lý bằng enzyme lipase, lượng chất béo có trong nước thải bị enzyme thủy phân thành các acid béo tự do làm giảm pH của nước thải từ 6,4 xuống còn 4,1. - Vi khuẩn kỵ khí rất nhạy cảm với pH của môi trường, khi thêm bùn hoạt tính vào nước thải để thực hiện quá trình xử lý kỵ khí cần điều chỉnh pH của nước thải về 6,8÷7,2 bằng NaHCO 3 (Cammarota et al., 2001). - Nhìn chung, nước thải chế biến sữa ban đầu là trung tính hoặc hơi kiềm, nhưng có khuynh hướng trở nên acid nhanh chóng do sự thiếu hụt của oxy. - Vì vậy, trong hầu hết các công nghệ sinh học xử lý nguồn nước thải này đều phải điều chỉnh pH. - Điều này trở nên đặc biệt quan trọng khi sử dụng enzyme như là một tác nhân để tiền xử lý lipid trước khi xử lý kỵ khí ở bước tiếp theo. - Tuy nhiên, dựa trên quá trình biến đổi pH của nước thải chế biến sữa, có thể đề nghị giảm bớt thời gian lưu trước quá trình xử lý enzyme và tăng cường sục khí để ổn định pH của nước thải trong khoảng trung tính.. - Sau quá trình kỵ khí pH của cả hai loại nước thải đã tăng lên lớn hơn 7. - Thể tích khí sinh học là sản phẩm cuối cùng của quá trình chuyển hóa các chất hữu cơ trong nước thải của vi sinh vật bùn hoạt tính, có khoảng 70÷80%. - Đo các mức nước di chuyển có được kết quả thể tích khí biogas sinh ra trong quá trình xử lý kỵ khí của nước thải thô và nước thải tiền xử lý trong 5 ngày (Hình 4). - Từ kết quả cho thấy, thể tích khí sinh học thu được trong quá trình xử lý kỵ khí của nước thải thô ít hơn nước thải sữa được tiền xử lý.. - Thể tích khí thu được sau 5 ngày đối với nước thải thô là 991,063 cm 3 , nước thải tiền xử lý là 1.668,78 cm 3 cao gấp 1,68 lần nước thải thô. - Theo nghiên cứu của Valladão et al., 2007 nước thải tiền xử lý bằng lipase có lượng khí biogas là 175 mL cao gấp 4,7 lần so với nước thải thô (37 mL) sau 4 ngày. - Theo Mendes et al., 2006 lượng khí sinh học sinh ra sau 24 giờ của nước thải thô đạt 209 mL thấp hơn so nước thải được tiền xử lý bằng enzyme là 437 mL.. - theo thời gian Hình 5: Đồ thị biểu diễn giá trị COD ở các giai đoạn xử lý. - Giá trị COD là một trong những chỉ tiêu đặc trưng dùng để kiểm tra ô nhiễm của nguồn nước thải.. - Giá trị COD của nước thải được theo dõi qua các giai đoạn trình bày trong Hình 5. - nước thải được bổ sung enzyme lipase có giá trị COD là 3307 mg/L, giảm 46,6%, cao gấp 3,9 lần so với nước thải thô COD chỉ giảm 12%. - Việc giảm lượng COD có thể do vi sinh vật có sẵn trong nước thải ban đầu, chúng sử dụng các chất hữu cơ, các. - Ở nước thải có sử dụng lipase đã thủy phân các chất béo thành những phân tử đơn giản, giúp cho vi sinh vật dễ dàng sử dụng hơn làm COD giảm nhiều. - (2014) sau khi nước thải được tiền xử lý bằng lipase chỉ số COD đã giảm từ 42400 ppm xuống còn 11250 ppm với hiệu quả loại bỏ COD là 73,5%. - (2010) nước thải đã được khử trùng không bổ sung enzyme thì giá trị COD không giảm trong quá trình xử lý. - Ở ba điều kiện khác là nước thải khử trùng có bổ sung enzyme, nước thải không khử trùng không bổ sung enzyme và nước thải không khử trùng có bổ sung enzyme đều cho thấy giá trị COD giảm từ 1800 đến 2700 mg/L. - Điều này đã chứng minh được hoạt động của vi sinh vật có sẵn và hoạt động thủy phân của enzyme có ảnh hưởng tích cực đến giảm COD trong nước thải.. - Hiệu quả loại bỏ COD toàn quá trình sau khi qua xử lý kỵ khí của hai loại nước thải có sự khác biệt đáng kể. - Đối với nước thải thô giá trị COD sau 5 ngày xử lý kỵ khí là 2346 mg/L, hiệu quả đạt 62,1%. - thải tiền xử lý cao gấp 1,45 lần. - Có sự khác biệt đó là do sự hoạt động của vi sinh vật trong bùn hoạt tính ở nước thải tiền xử lý mạnh hơn với cơ chất đơn giản và không bị ức chế bởi hàm lượng chất béo cao như ở nước thải thô. - (2007) sau 12 và 92 giờ xử lý kỵ khí nước thải được tiền xử lý bằng enzyme loại bỏ được 80,9, 85% COD hiệu quả tăng 40,0%, 53%. - so với nước thải thô.. - Giá trị độ màu sau khi tiền xử lý bằng enzyme, khả năng hấp thu ánh sáng của hợp chất màu có trong dung dịch giảm nên độ màu của nước thải giảm. - Kết quả được thể hiện trong Hình 6, độ màu của nước thải tiền xử lý đã giảm từ 8795 xuống 1653 Pt-Co đạt hiệu quả xử lý 81,2%, đối với nước thải thô chỉ đạt 19,3%. - Hiệu quả loại bỏ độ màu toàn quá trình sau khi qua xử lý kỵ khí với nước thải tiền xử lý đạt 93,4% khi độ màu giảm từ 8795 xuống 584 Pt-Co. - Đối với nước thải thô giảm từ 8795 xuống 4379 Pt-Co, chỉ đạt hiệu quả 50,2% thấp hơn 1,86 lần. - (2006), loại bỏ 80,3% giá trị độ màu với nước thải được tiền xử lý bằng enzyme, đối với nước thải thô chỉ đạt 13,9%.. - Hình 6: Đồ thị biểu diễn độ màu nước thải qua các. - giai đoạn xử lý Hình 7: Đồ thị biểu diễn hàm lượng lipid qua các giai đoạn xử lý. - Hàm lượng lipid được xác định để đánh giá hiệu loại bỏ nó trong quá trình xử lý. - Dựa vào kết quả thu được ở Hình 7 cho thấy, cùng lượng chất béo đầu, nhưng sau 24 h nước thải thô có hàm lượng lipid là 881,5 mg/L, giảm 11,85%. - nước thải có bổ sung enzyme lipase hàm lượng lipid là 543,8 mg/L, giảm 45,62% và cao gấp 3,85 lần so với nước thải thô.. - Với nước thải được tiền xử lý, enzyme lipase đã thủy phân các chất béo thành những phân tử nhỏ hơn như diglyceride monoglyceride, glycerol và các acid béo tự do nên làm giảm đáng kể lượng lipid so với nước thải ban đầu. - Với nước thải không bổ sung enzyme, vẫn thấy hàm lượng chất béo giảm do vi sinh vật có sẵn trong nước thải ban đầu, chúng sử dụng các chất hữu cơ, các chất béo làm cơ chất để tăng trưởng. - Khi nước thải được đưa vào giai đoạn xử lý kỵ khí, sau 14 ngày hiệu quả loại bỏ lipid gần như hoàn toàn với hơn 99% ở cả hai loại nước thải.. - Chế phẩm enzyme lipase được ứng dụng có tác động trong tiền xử lý kỵ khí làm giảm COD, giảm độ màu, thay đổi pH, thủy phân hoàn toàn lipid trong nước thải tổng hợp từ sữa ở quy mô thí nghiệm.. - Do nghiên cứu mới dừng ở giai đoạn đầu, cần có những nghiên cứu tiếp theo về các thành phần trong nước thải có thể ảnh hưởng tới hoạt động của lipase nhằm xác định hiệu quả tiềm năng ứng dụng trong xử lý môi trường.. - “Ban hành QCVN 40:2011/BTNMT - Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp”.. - Công nghệ môi trường tập 1 - Xử lý nước. - Công nghệ xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học, lần xuất bản 2