NGHIÊN CỨU TUYỂN CHỌN MỘT SỐ CHỦNG VI SINH VẬT BỔ SUNG VÀO QUÁ TRÌNH TẠO BÙN HẠT HIẾU KHÍ ĐỂ XỬ LÝ NƢỚC THẢI CHẾ BIẾN TINH BỘT

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------ Nguyễn Ngọc Ánh NGHIÊN CỨU TUYỂN CHỌN MỘT SỐ CHỦNG VI SINH VẬT BỔ SUNG VÀO QUÁ TRÌNH TẠO BÙN HẠT HIẾU KHÍ ĐỂ XỬ LÝ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

- -

Nguyễn Ngọc Ánh

NGHIÊN CỨU TUYỂN CHỌN MỘT SỐ CHỦNG

VI SINH VẬT BỔ SUNG VÀO QUÁ TRÌNH TẠO BÙN HẠT HIẾU KHÍ ĐỂ XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHẾ BIẾN TINH BỘT

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – 2016

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Nguyễn Ngọc Ánh

NGHIÊN CỨU TUYỂN CHỌN MỘT SỐ CHỦNG VI SINH VẬT BỔ SUNG VÀO QUÁ TRÌNH BÙN HẠT HIẾU KHÍ ĐỂ

XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHẾ BIẾN TINH BỘT

Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường

Mã số: 60 52 03 20

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Tăng Thị Chính

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Họ và tên học viên: NGUYỄN NGỌC ÁNH Giới tính: Nữ Ngày sinh: 15/5/1989

Nơi sinh: xã Vũ Lễ – huyện Kiến Xương – tỉnh Thái Bình

Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường

Mã số: 60520320

Cán bộ hướng dẫn khoa học:

1 PGS.TS Tăng Thị Chính – Phòng Vi sinh vật môi trường – Viện Công nghệ Môi trường

2 TS TRần Thị Huyền Nga – Khoa Môi trường – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – ĐHQGHN

Tên đề tài luận văn: “Nghiên cứu tuyển chọn một số chủng vi sinh vật bổ sung vào quá trình tạo bùn hạt hiếu khí để xử lý nước thải chế biến tinh bột”

MỞ ĐẦU

Các làng nghề thủ công truyền thống là nét đặc trưng của nhiều vùng nông thôn Việt Nam Trong những năm qua, các làng nghề truyền thống ở Viêt Nam đã và đang có nhiều đóng góp cho sự phát triển kinh tế của đất nước nói chung và nền kinh tế nông thôn nói riêng Nhiều làng nghề truyền thống hiện nay đã được khôi phục, đầu tư phát triển với quy mô và kỹ thuật cao hơn Hàng hóa thủ công truyền thống không những phục vụ nhu cầu trong nước mà còn xuất khẩu ra thế giới với giá trị lớn

Một trong những loại hình làng nghề phổ biến nhất ở nông thôn Việt Nam là làng nghề chế biến lương thực (làm bún, miến, bánh đa, chế biến tinh bột…) Sự ô nhiễm môi trường nước ở các làng nghề này đang ở mức báo động, gây bức xúc cho xã hội Nước thải từ các làng nghề chế biến lương thực có chứa hàm lượng các chất hữu cơ rất cao (các loại đường đơn, axit hữu cơ, protein, xenluloza, ), đây là nguồn dinh dưỡng thích hợp cho nhiều loại vi sinh vật phát triển Sự phát triển của các loài vi sinh vật trong môi trường nước thải giàu hữu cơ không có sự kiểm soát của con người thường tạo ra các sản phẩm có mùi hôi thối như là H2S, CH4, NH4

+… tác dụng xấu đến môi trường sinh thái Do vậy, nước thải cần được

xử lý trước khi thải ra môi trường tự nhiên Hiện nay,có nhiều phương pháp xử lý nước thải làng nghề như: phương pháp cơ học, hoá lý, hoá học và sinh học… đã được áp dụng và cho hiệu quả xử lý

khác nhau Trong đó, phương pháp sinh học (bể sinh học hiếu khí) cho hiệu quả xử lý tốt và thân thiện với môi trường

Hiện nay, quá trình bùn hoạt tính vẫn đang là công nghệ xử lý nước thải phổ biến đang được áp dụng trên thế giới cũng như tại Việt Nam Tuy nhiên, nhược điểm của quá trình bùn hoạt tính thông thường chỉ xử lý được chất thải ô nhiễm tải lượng thấp (<5kgCOD/m3.ngày) và khả năng chịu sốc tải rất kém Các nghiên cứu về quá trình tạo bùn hạt trong điều kiện hiếu khí và ứng dụng nó chỉ mới được thực hiện trên thế giới trong vòng 10 năm trở lại đây và bước đầu đã có một số kết quả khả quan Các nghiên cứu trên thế giới đã chỉ ra rằng, bùn hạt hiếu khí có đặc điểm nổi trội như khả năng lắng tốt, duy trì nồng độ sinh khối cao, khả năng xử lý chất hữu

cơ cao lên đến 10 – 15 kg COD/m3.ngày (trong khi đó khả năng xử

lý của bùn hoạt tính <5 kg COD/m3.ngày), chịu sốc tải trọng, xử lý đồng thời được nito Mặc dù có nhiều ưu điểm nhưng các nghiên cứu

về tạo bùn hạt hiếu khí và áp dụng trong xử lý nước thải ở nước ta còn hạn chế Trước thực tế đó, chúng tôi tiến hành nghiên cứu đề tài:

“Nghiên cứu tuyển chọn một số chủng vi sinh vật bổ sung vào quá trình tạo bùn hạt hiếu khí để xử lý nước thải làng nghề chế biến tinh bột”

Mục tiêu của đề tài:

Nghiên cứu tạo bùn hạt hiếu khí để ứng dụng trong xử lý nước thải làng nghề chế biến tinh bột từ quy mô phòng thí nghiệm

Nội dung đề tài:

- Thu thập các tài liệu, dữ liệu có liên quan đến đề tài nghiên cứu

- Nghiên cứu tuyển chọn một số chủng vi sinh vật hữu ích có khả năng phân hủy tinh bột cao để bổ sung vào quá trình tạo bùn hạt hiếu khí

- Nghiên cứu các đặc điểm sinh lý hóa của các chủng vi sinh vật tuyển chọn và bổ sung vào bùn hạt hiếu khí để xử lý nước thải

làng nghề sản xuất bún miến

- Đánh giá hiệu quả xử lý nước thải làng nghề sản xuất bún miến bằng phương pháp xử lý hiếu khí theo mẻ (SBR) sử dụng bùn hạt hiếu khí ở quy mô phòng thí nghiệm

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 Thực trạng ô nhiễm nước thải làng nghề chế biến tinh bột

1.1.1 Đặc điểm nước thải chế biến tinh bột

1.1.2 Thực trạng ô nhiễm nước thải làng nghề chế biến tinh bột

1.2 Tác động của nước thải chế biến tinh bột đến môi trường sinh thái

1.2.1 Ô nhiễm nguồn nước

1.2.2 Ô nhiễm đất

1.2.3 Ô nhiễm không khí

1.2.4 Ảnh hưởng đến con người

1.3 Các phương pháp xử lý nước thải chế biến tinh bột

1.3.1 Phương pháp hóa học

1.3.2 Phương pháp hóa lý

1.4 Công nghệ vi sinh trong xử lý nước thải chế biến tinh bột

1.4.1 Cấu tạo và quá trình phân hủy tinh bột

1.4.2 Một số VSV phân hủy tinh bột và lợi ích thu được khi ứng dụng chúng vào trong quá trình xử lý nước thải chứa nhiều tinh bột

1.4.3 Sự phát triển của VSV trong các công trình xử lý 1.4.4 Ưu thế của phương pháp VSV

1.4.5 Bùn hạt hiếu khí

1.5 Xử lý nước thải bằng công nghệ SBR

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP

NGHIÊN CỨU

2.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Nước thải làng nghề sản xuất bún Phú Đô

- Các chủng vi sinh vật tham gia vào quá trình làm sạch nước thải chế biến tinh bột được phân lập từ rãnh nước thải ở các làng nghề chế biến tinh bột

2.2 Phương pháp nghiên cứu

2.2.1 Phương pháp lấy mẫu nước thải

2.2.2 Phương pháp xác định sinh khối tế bào theo mật độ

quang

2.2.3 Phương pháp phân lập vi sinh vật

2.2.4 Tuyển chọn chủng vi sinh vật có hoạt tính phân giải

tinh bột

2.2.5 Phương pháp tinh sạch, giữ giống và hoạt hóa chủng

vi sinh vật

2.2.6 Phương pháp đánh giá khả năng sinh amylase của

chủng vi sinh vật tuyển chọn

2.2.7 Phương pháp xác định điều kiện ảnh hưởng của điều

kiện nuôi cấy đến sự sinh trưởng và sinh tổng hợp amylase của các chủng vi sinh vật đã tuyển chọn 2.2.8 Phương pháp xác định các đặc điểm hình thái, sinh lý

hóa của các chủng vi khuẩn

2.2.9 Phương pháp xác định nhu cầu oxy hóa học (COD)

2.2.10 Phương pháp xác định nito tổng số

2.2.11 Phương pháp xác định photpho tổng số

2.2.12 Phương pháp xác định amoni

2.2.13 Phương pháp xác định giá trị SV30 (solid value 30) 2.2.14 Nghiên cứu xử lý nước thải chế biến tinh bột bằng

phương pháp bùn hạt hiếu khí

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

3.1 Phân lập, tuyển chọn các chủng vi sinh vật sinh amylase

có khả năng phân giải tinh bột sống cao

Sử dụng môi trường tinh bột chín (TBC) và môi trường tinh bột sống (TBS) để phân lập vi sinh vật (VSV), thu được 43 chủng VSV

có hình thái khuẩn lạc khác nhau Sau đó tiến hành bước đầu quá trình tuyển chọn bằng phương pháp cấy chấm điểm trên môi trường TBS, TBC và dùng lugol để kiểm tra hoạt tính phân giải tinh bột Kết quả thu được 16 chủng không có hoạt tính phân giải TBS chiếm 37,21%, 5 chủng có vòng phân giải <1cm chiếm 11,63%, 13 chủng

có vòng phân giải từ 1 – 2,4cm chiếm 30,23% và 9 chủng có vòng phân giải từ 2,5 – 3,5cm chiếm 20,93%

Hình 3.1 Đánh giá hoạt tinh amylase của các chủng VSV tuyển

chọn

Qua đánh giá sơ bộ dựa vào hình thái khuẩn lạc đã tuyển chọn được

9 chủng vi khuẩn là các chủng PD5, PD10, PD12, PD13, PD17, DL2, DL12, DL21 và DL24 Tiếp tục tiến hành kiểm tra hoạt tính sinh enzym ngoại bào của 9 chủng vi sinh vật có đường kính vòng

37%

12%

30%

đường kính <1cm đường kính từ 1-2,4cm đường kính >2,5cm

phân giải tinh bột sống > 2,5 cm bằng phương pháp thạch đục lỗ trên các môi trường TBS, TBC Kết quả thu được 2 chủng là PD17 (đường kính vòng phân giải là 3,2cm) và DL 21 (đường kính vòng phân giải là 3,3 cm) rất thích hợp để tuyển chọn

3.2 Đặc điểm sinh học của các chủng VSVtuyển chọn

3.2.1 Đặc điểm hình thái của chủng VSV tuyển chọn

Kết quả quan sát đặc điểm hình thái khuẩn lạc và tế bào của các chủng VSV được trình bày trong bảng sau:

Tên

Chủng

Đặc điểm hình

thái khuẩn lạc

Đặc điểm hình thái

tế bào vi khuẩn

Khả năng sinh Capsule

Nhuộm Gram

PD17

nhân màu trắng

đục, ria ngoài

trắng trong, bề

mặt lồi, mép

trơn láng

Tế bào hình cầu,

vỏ Capsul dày, bắt màu tím

Đường kính 1,3

µm

DL21

Nhỏ, màu trắng

đục, bề mặt

mép răng cưa

que,bắt màu tím

Kích thước:

chiều dài: 2,6-3,4

µm, chiều rộng:

0,8-0,9 µm

Có nhưng

+

3.2.2 Phân loại đến loài các chủng vi khuẩn tuyển chọn

Các chủng vi khuẩn tuyển chọn được phân loại dựa vào 50 phản ứng sinh hóa trong bộ kit Api 50 CH Đọc kết quả ở 24h và 48h Tra kết quả trên phần mềm phân loại Apiweb do nhà sản xuất cung cấp Kết quả đọc trên phần mềm cho thấy chủng PD17 và DL21 thuộc

nhóm Bacillus Subtillis và Bacillus Licheniform với ID đạt 91,3%

và 92%

3.3 Xác định khả năng sinh enzyme của các chủng VSV tuyển chọn

Kết quả nghiên cứu khả năng sinh các loại enzym của các chủng vi khuẩn tuyển chọn được trình bày trong bảng sau:

Từ kết quả ở bảng cho thấy hai chủng PĐ17 và DL21 không những

có khả năng sinh enzym phân hủy tinh bột mà nó còn có khả năng sinh enzyme phân hủy xenluloza và casein Do đó, các chủng vi khuẩn này rất thích hợp để ứng dụng trong xử lý nước thải ở các làng nghề sản xuất bùn miến

3.4 Xác định ảnh hưởng của điều kiện nuôi cấy đến sinh trưởng và sinh tổng hợp amylase của chủng VSV tuyển chọn

3.4.1 Ảnh hưởng của pH

Các thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của pH ban đầu của môi trường nuôi cấy lên sinh trưởng của các chủng VK tuyển chọn được

thay đổi từ 3 đến 8 ở nhiệt độ 30 C Sau 24h, xác định khả năng sinh

trưởng và sinh enzyme của hai chủng vi sinh vật tuyển chọn

3.4.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Thí nghiệm được tiến hành ở các mức nhiệt độ: 15o

C, 20oC, 25oC,

30oC, 35oC, 40oC, thời gian nuôi cấy 24h

Từ các kết quả nghiên cứu thu được cho thấy các chủng vi sinh vật tuyển chọn có một số đặc tính cơ bản sau:

- Nhiệt độ sinh trưởng từ 30 – 35oC

- Khả năng thích ứng pH môi trường rộng 4,5 – 8

- Hai chủng VK tuyển chọn đều có khả năng sinh amylase cao trong môi trường có nguồn cacbon là bột xenluloza, casein và bột CMC – Na

- Hai chủng VK tuyển chọn thuộc nhóm Bacillus subtillis và Bacillus licheniform với ID đạt 91,3% và 92%

Vì vậy, các chủng vi khuẩn đã tuyển chọn ở trên có thể áp dụng vào công nghệ xử lý nước thải làng nghề chế biến tinh bột

3.5 Nghiên cứu xử lý nước thải làng nghề chế biến tinh bột bằng phương pháp bùn hạt hiếu khí qui mô phòng thí nghiệm

Quá trình khởi động hệ thống được tiến hành như sau: Bể SBR được vận hành tự động theo chu kỳ lập trình sẵn Mỗi chu kỳ hoạt động là 4h (tương ứng với 8 chu kỳ/ngày) gồm 4 pha: bơm nước thải vào, sục khí, lắng và xả nước thải ra Tỉ lệ giống bổ sung là 10%V Nồng

độ bùn hoạt tính (MLSS) ban đầu là 3510 mg/l, chỉ số bùn SVI là 30 ml/g Khi nồng độ MLSS vượt quá 5000mg/l, một lượng bùn nhất định được rút bớt khỏi hệ để duy trì nồng độ MLSS trong bể sục khí

ở trong khoảng 4500 – 5000mg/l Quá trình khởi động được thực hiện ở mức tải lượng COD ban đầu là 2,5 kg – COD/m3

.ngày Quá trình khởi động hệ thống cũng như quá trình thí nghiệm ổn định sau này được tiến hành ở điều kiện:

- pH: pH = 6,3 – 7,5

- Nhiệt độ: nhiệt độ phòng (25 – 32oC)

- DO = 10,6 mg/l

- MLSS: 3500 - 5000 mg/l

Để có thể đánh giá được tính ổn định của hệ thống, các thí nghiệm được thực hiện trong một khoảng thời gian đủ dài, tối thiểu

60 ngày, các thông số pH, DO, MLSS được theo dõi thường xuyên

để điều chỉnh và duy trì trong giới hạn mong muốn

Sau giai đoạn hình thành và phát triển hạt bùn hiếu khí đã đi vào hoạt động ổn định, tiến hành lấy mẫu nước thải làng bún Phú Đô

để phân tích và đánh giá hiệu quả xử lý nước thải bằng phương pháp

xử lý hiếu khí theo mẻ (SBR)

Hiệu quả xử lý nước thải làng nghề chế biến tinh bột bằng phương pháp bùn hạt hiếu khí qui mô phòng thí nghiệm đạt tiêu chuẩn nước thải loại B được quy định trong QCVN 40:2011/BTNMT

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

1 Kết luận

1.1 Hai chủng VSV tuyển chọn là những vi khuẩn phân giải tinh bột, là vi khuẩn Gram dương, tế bào hình que, hình cầu và là nhóm

vi khuẩn hiếu khí

1.2 Nghiên cứu các đặc điểm sinh lý hóa của các chủng vi sinh vật tuyển chọn và bổ sung vào bùn hạt hiếu khí để xử lý nước thải

làng nghề sản xuất bún miến

+ Sử dụng kit API 50CHB/E để phân loại đến loài thì hai chủng

VSV tuyển chọn thuộc nhóm Bacillus Subtillis và Bacillus Licheniform với ID đạt 91,3% và 92%

+ Nhiệt độ sinh trưởng từ 20 – 35oC, độ pH sinh trưởng tốt nhất là pH = 7

+ Hai chủng VK tuyển chọn đều có khả năng sinh amylase cao trong môi trường có nguồn cacbon là bột xenluloza, casein và bột CMC – Na

1.3 Đánh giá hiệu quả xử lý nước thải làng nghề sản xuất bún miến bằng phương pháp xử lý hiếu khí theo mẻ (SBR) sử dụng bùn

hạt hiếu khí ở quy mô phòng thí nghiệm

+ Mật độ các chủng VSV đã tuyển chọn khi bổ sung vào hệ SBR đạt giá trị cao: VSV phân giải tinh bột: 2,0.107

– 6,7.1011, VSV phân giải xenlulose: 4,3.105

– 7,8.109 + Khi hệ thống hoạt động ổn định, bùn lắng tốt, hiệu suất xử lý COD đạt trên 90% Các chỉ tiêu khác của nước thải sau xử lý như tổng nito, tổng photpho, N – NH4

+ đều đạt tiêu chuẩn nước thải loại

B theo QCVN 40:2011/BTNMT

+ Không phát hiện sự có mặt của các chủng vi sinh vật gây bệnh trong nước thải sau khi xử lý như salmonella, E.Coli và tổng Coliform

2 Kiến nghị

Do thời gian triển khai còn ngắn nên chưa thể đánh giá hết được hiệu quả xử lý ô nhiễm nước thải làng nghề chế biến tinh bột trong các điều kiện thời tiết khác nhau và ở mô hình rộng lớn hơn Nên chúng tôi mong muốn được tạo điều kiện để triển khai mô hình

ở quy mô rộng lớn hơn trong thời gian dài hơn nhằm có đủ các cơ sở

để đánh giá được cụ thể hơn các hiệu quả về giảm ô nhiễm môi trường nước làm tăng lợi ích về kinh tế, môi trường và sức khỏe cộng đồng

Từ thực tế thu thập và tìm hiểu, chúng tôi nhận thấy việc thu gom nước thải chế biến tinh bột ở các làng nghề chưa được chú trọng, hầu hết nước thải đều được thải ra cống thoát nước chung hoặc thải thẳng ra sông nên rất khó áp dụng mô hình xử lý Do vậy cần có những quy hoạch cụ thể cho việc thu gom và xử lý nước thải ở các khu vực làng nghề này

Trong quá trình thực hiện đề tài, chúng tôi nhận thấy rằng việc

xử lý và duy trì môi trường trong sạch không chỉ là trách nhiệm của các cấp chính quyền, mà trách nhiệm và ý thức của cộng đồng dân

cư, của các hộ gia đình có quy mô sản xuất nhỏ, lẻ trong việc giữ gìn

và bảo vệ môi trường Do vậy, cần nâng cao ý thức của các hộ sản xuất nói riêng và cộng đồng nói chung trong việc bảo vệ môi trường