nghiên cứu cố định chủng vi khuẩn pseudomonas trong hệ thống lọc sinh học để xử lý nước thải công nghiệp chế biến sữa

BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM ––––––––––––––––––––––––––––––– BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI R-D CẤP BỘ Tên đề tài: “NGHIÊN CỨU CỐ ĐỊNH CHỦNG VI KHUẨN PSEUDOMONAS TRONG HỆ THỐNG LỌC SINH HỌC ĐỂ XỬ LÝ NƯỚC THẢI CÔNG NGHIỆP CHẾ BIẾN SỮA” Chủ nhiệm Đề tài: CAO XUÂN THẮNG 7315 23/4/2009 Hà Nội, 12-2008 1 MỤC LỤC Trang Mục lục 1 Danh mục viết tắt 4 Danh mục các hình 5 Danh mục các bảng 6 I. TỔNG QUAN 8 1.1 Cơ sở pháp lý, xuất xứ đề tài 8 1.2 Tính cấp thiết, mục tiêu của đề tài 8 1.3 Đối tượng, phạm vi và nội dung nghiên cứu 10 1.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 10 1.4.1 Tình hình ô nhiễm do các ngành công nghiệp thực phẩm ở Việt Nam 10 1.4.2 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài 11 1.4.3 Tình hình nghiên cứu ở trong nước 15 1.4.4 Hệ thống lọc sinh học 17 1.4.5 Chất mang và các phương pháp cố định tế bào 26 2 II. THỰC NGHIỆM 34 2.1 Phương pháp tiến hành nghiên cứu 34 2.1.1 Môi trường nuôi cấy 34 2.1.2 Phương pháp lấy mẫu 34 2.1.3. Phương pháp phân lập 35 2.1.4 Phương pháp xác định hình thái bào tử, tinh thể 35 2.1.5 Phương pháp đếm số lượng bào tử 35 2.1.6 Các phương pháp xác định các chỉ tiêu nước thải 35 2.1.7 Môi trường thử hoạt tính enzim vi sinh vật 36 2.1.8 Phương pháp định tên vi sinh vật 37 2.1.9 Phương pháp bảo quản vi sinh vật 38 2.1.10 Phương pháp xác định hoạt lực enzim 39 2.2 Dụ ng cụ, thiết bị và hóa chất 40 2.2.1 Dụng cụ và thiết bị 40 2.2.2 Nguyên vật liệu và hóa chất 41 2.3 Kết quả thực nghiệm 42 2.3.1 Phân lập và tuyển chọn các chủng Pseudomonas 42 3 2.3.2 Nghiên cứu điều kiện nuôi cấy và bảo quản chủng Pseudomonas 52 2.3.3 Nghiên cứu lựa chọn chất mang và các giải pháp cố định tế bào 63 2.3.4 Nghiên cứu đánh giá hiệu quả xử lý nước thải chế biến sữa của hệ thống lọc sinh học có cố định vi khuẩn Pseudomonas monteilii 72 2.3.5 So sánh các phương pháp xử lý 75 III. KẾT LUẬN VÀ KIẾ N NGHỊ 80 3.1 Kết luận 80 3.2 Kiến nghị 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO 82 PHỤ LỤC 4 DANH MỤC VIẾT TẮT TT Chữ viết tắt Chữ viết đầy đủ 1 COD Nhu cầu oxi hóa học (Chemical oxygen Demand) 2 BOD Nhu cầu oxi sinh hoá (Biochemical oxygen Demand) 3 SS Chất rắn lơ lửng (Suspended solid) 4 DO Oxi hòa tan (Dissolved oxygen) 5 ĐC Đối chứng 6 TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam 5 DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 1 Các phương pháp cố định tế bào 31 Hình 2 Sản phẩm PCR gen 16S rDNA của các chủng 47 Hình 3 Ảnh hưởng của hàm lượng pepton đến sự tổng hợp proteaza 54 Hình 4 Ảnh hưởng của hàm lượng MgCl 2 đến sự tổng hợp proteaza 56 Hình 5 Ảnh hưởng của hàm lượng K 2 SO 4 đến sự tổng hợp proteaza 56 Hình 6 Ảnh hưởng của hàm lượng NaCl đến sự tổng hợp proteaza 57 Hình 7 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình tổng hợp proteaza 58 Hình 8 Động học quá trình sinh tổng hợp enzym proteaza 60 Hình 9 Hình ảnh miếng PU và cấu trúc bên trong của nó 65 Hình 10 Sơ đồ mô hình xử lý nước thải bằng lọc sinh học trong phòng thí nghiệm. 72 Hình 11 Sự thay đổi COD và BOD 5 theo thời gian xử lý Hình 12 Sự thay đổi SS và TS theo thời gian xử lý Hình 13 Mô hình hệ thống xử lý kị khí 6 DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1 So sánh 2 phương pháp lọc sinh học 15 Bảng 2 Danh sách các chủng giống được khảo sát về khả năng sinh tổng hợp enzim proteaza và amylaza 42 Bảng 3 Khả năng sinh tổng hợp enzim proteaza của các chủng giống 44 Bảng 4 Đặc điểm hình thái của các chủng nghiên cứu 46 Bảng 5 Phân loại các chủng dựa trên trình tự phân đoạ n của 16S rDNA 50 Bảng 6 Hoạt lực enzym proteaza của các chủng Pseudomonas 51 Bảng 7 Ảnh hưởng của nguồn Nitơ đến hoạt lực của enzim 53 Bảng 8 Ảnh hưởng của pH đến quá trình tổng hợp proteaza 59 Bảng 9 Kết quả bảo quản chủng Pseudomonas monteilii bằng phương pháp nuôi cấy trên môi trường thạch nghiêng và định kỳ cấy truyền 61 Bảng 10 Kết quả bảo quản chủng Pseudomonas monteilii bằng phương pháp đông khô 62 7 Bảng11 Ảnh hưởng chất mang PU, PS, PVC đến hiệu suất quá trình xử lý 66 Bảng 12 Ảnh hưởng chất mang PU, PS, PVC đến số lượng tế bào vi sinh vật 67 Bảng 13 Ảnh hưởng thời gian đến số lượng tế bào Pseudomonas monteilii 67 Bảng 14 Số lượng tế bào cố định trên chất mang có dùng trợ bám dính 69 Bảng 15 Số lượng tế bào cố định trên chấ t mang theo thời gian 70 Bảng 16 Hiệu suất quá trình xử lý nước thải khi sử dụng chất mang có dùng chất trợ bám dính 71 Bảng 17 Kết quả xử lý nước thải chế biến sữa bằng phương pháp lọc sinh học 73 Bảng 18 Hiệu suất xử lý nước thải của các phương pháp xử lý nước thải khác nhau 77 Bảng 19 So sánh hiệu quả xử lý của các phương pháp 78 8 I. TỔNG QUAN 1.1 CƠ SỞ PHÁP LÝ/XUẤT XỨ CỦA ĐỀ TÀI Đề tài được thực hiện theo hợp đồng nghiên cứu Khoa học và phát triển công nghệ với mã số 88.08.RD/HĐ-KHCN giữa Bộ Công Thương và Viện Công nghiệp thực phẩm ký ngày 28 tháng 11 năm 2008. 1.2 TÍNH CẤP THIẾT, MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Trong những năm gần đây, công nghiệp Việt Nam nói chung có bước phát triển mạnh. Tỉ trọng công nghiệp trong nền kinh tế chiếm 41,25% (2005) tăng lên 42,2 % (2007) và mục tiêu sẽ đạt 44% (2020). Trong đó các ngành chế biến thực phẩm đóng góp một phần không nhỏ. Ngành công nghiệp chế biến sữa là một trong những ngành có tốc độ phát triển mạnh nhất. Sự phát triển của ngành này kéo theo rất nhiều tác động tích cực tới các ngành công, nông nghiệp có liên quan: chăn nuôi, chế biến thức ăn gia súc, thú ý… giải quyết được một lượ ng lớn lao động cho xã hội và đóng góp vào sự phát triển chung của nền kinh tế. Tuy vậy, tác động tiêu cực về mặt môi trường do ngành này mang lại cũng rất lớn. Với đặc thù chung của ngành công nghiệp chế biến thực phẩm là tiêu thụ một lượng lớn nước, ngành chế biến sữa còn thải ra nước thải có mức độ ô nhiễm hữu cơ rất cao. Bên cạnh đó, các công trình nghiên cứu và triể n khai các dự án về xử lý nước thải của Việt Nam còn hạn chế. Các công nghệ xử lý khác nhau thường dựa trên cơ sở công nghệ xử lý kị khí, hiếu khí, liên tục hoặc gián đoạn… đã và đang được áp dụng, nhưng nhìn chung đều chưa hoàn chỉnh, khả năng xử lý chưa cao và vẫn đang ở trong giai đoạn vừa nghiên cứu vừa ứng dụng thử nghiệm. 9 Phương pháp lọc sinh học là một trong những phương pháp xử lý nước thải có nhiều ưu điểm nổi bật, hiện đang là mối quan tâm của các nhà khoa học. Phương pháp này có khả năng xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ cao, thời gian lưu thủy lực ngắn, tạo điều kiện cho hệ vi sinh vật dễ thích nghi với nước thải, quản lý vận hành đơn gi ản, chi phí xử lý thấp, dễ kết hợp với các quá trình xử lý nước thải khác…Trong phương pháp lọc sinh học, vai trò của các chủng vi khuẩn Pseudomonas là cực kì quan trọng, chúng có khả năng phân giải các hợp chất hữu cơ lớn, đây là tác nhân chính gây ô nhiễm nước thải của ngành công nghiệp thực phẩm. Với các chủng Psedomonas có hoạt lực tốt, sẽ nâng cáo hiệu suất xử lý nước thải của hệ thống, giảm thời gian lưu thủy lực, tiết kiệm chi phí và ổn định hệ thống trong thời gian dài. Bên cạnh vai trò quan trọng của chủng giống, công nghệ cố định tế bào cũng là một yếu tố quyết định đến sự hoạt động ổn định, khả năng xử lý, tiêu tốn năng lượng và hiệu suất xử lý của hệ thống. Các chất mang cần phải đảm bảo khả năng bám dính tốt cho các vi sinh vật, có độ bền cao, độ rỗng lớn, không gây độc cho vi sinh vật và cũng không nhiễm độc cho nguồn nước. Thông thường, mỗi chủng vi sinh vật có đặc tính sinh học khác nhau và thích hợp với một vài loại chất mang nhất định. Các điều kiện cố định tế bào và loại chất mang luôn tùy thuộc vào mục đích sử dụng. Trên cơ sở đó, trong khuôn khổ đề tài “Nghiên cứu cố định một số chủng vi khuẩn Pseudomonas trong hệ thống lọc sinh học để xử lý nước thải công nghiệp chế biến sữa”, chúng tôi thực hiện nghiên cứu cố định vi khuẩn Pseudomonas được phân lập từ tự nhiên để áp dụng trong hệ thống lọc sinh học xử lý nước thải nhà máy chế biến sữa. Mục tiêu của đề tài là tuyển ch ọn được chủng giống vi khuẩn Pseudomonas có hoạt lực tốt và xây dựng công nghệ cố định tế bào để xử lý nước thải công nghiệp chế biến sữa [...]... sinh học nhỏ giọt trong xử lý nước thải chăn nuôi, nước thải bệnh vi n Tác giả Hà Minh Ngọc (2008) cũng ứng dụng thành công công nghệ lọc sinh học ngập nước cho làng nghề chế biến lương thực 16 Tuy nhiên vấn đề cố định chủng vi khuẩn Pseudomonas trong hệ thống lọc sinh học xử lý nước thải ngành chế biến sữa thì vẫn chưa có công trình nghiên cứu nào trong nước công bố các kết quả nghiên cứu ứng dụng Phương... mang và giải pháp cố định các vi khuẩn Pseudomonas lên các chất mang phù hợp trong hệ thống lọc sinh học xử lý nước thải - Bước đầu đánh giá hiệu quả xử lý nước thải chế biến sữa của hệ thống lọc sinh học có cố định vi khuẩn Pseudomonas so với các phương pháp truyền thống 1.4 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 1.4.1 Tình hình ô nhiễm do các ngành công nghiệp thực phẩm tại Vi t Nam Hiện... TƯỢNG, PHẠM VI VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1.3.1 Đối tượng và phạm vi - Đối tượng nghiên cứu: vi sinh vật phân lập từ nước thải, đất (cống, xưởng sản xuất bia, sữa, sông), chất mang cho vi sinh vật, hệ thống xử lý nước thải - Phạm vi: Các chủng Pseudomonas, các nhà máy chế biến sữa 1.3.2 Nội dung nghiên cứu - Tuyển chọn một số chủng vi khuẩn Pseudomonas có hoạt lực cao trong xử lý nước thải - Nghiên cứu lựa... khoa học Vi t Nam cũng đã có vài công trình nghiên cứu ứng dụng công nghệ lọc sinh học trong các lĩnh vực khác nhau Năm 2006, tác giả Ngô Kế Sương đã công bố nghiên cứu thành công ứng dụng công nghệ lọc sinh học kết hợp hồ sinh học để xử lý nước thải chăn nuôi Trung tâm Ứng dụng và Chuyển giao khoa học và công nghệ Vĩnh Phúc (2008) cũng công bố thành công trong ứng dụng công nghệ bể lọc sinh học nhỏ... hiệu quả xử lý cao Theo nhiều nghiên cứu trên thế giới, người ta thấy rằng chủng vi khuẩn Pseudomonas là chủng vi khuẩn rất có ích trong vi c xử lý nước thải Nó có thể làm giảm chỉ số COD của nước thải bằng cách phân hủy các hợp chất hữu cơ, benzen, naphtalen và pyridin Nghiên cứu và ứng dụng hệ vi sinh bám dính để xử lý triệt để nước thải sinh hoạt và công nghiệp mở ra các khả năng mới trong vi c giảm... Quốc Vi t và cộng sự (2004) đã nghiên cứu thành công vi khuẩn Pseudomonas aeruginosa KC31 để xử lý nước thải ô nhiễm dầu mỏ Tiến sỹ Trần Đình Mẫn (tạp chí công nghiệp số 7 năm 2004) cũng đã cho biết, vi khuẩn Pseudomonas có khả năng áp dụng để xử lý các hợp chất thơm mạch vòng trong nước thải dệt nhuộm Các đề tài nghiên cứu hầu như chỉ dừng lại ở mức độ nghiên cứu cơ bản Ứng dụng công nghệ lọc sinh học. .. sử dụng các hệ thống lọc sinh học chưa được phổ biến ở Mỹ thì hàng trăm hệ thống lọc sinh học đã được ứng dụng rất thành công và có hiệu quả ở Châu Âu (Hà Lan, Tân Tây Lan, Đức) và Nhật Bản [9] Hệ thống lọc sinh học trước đây thường được thiết kế để xử lý mùi của các hệ thống xử lý nước thải, các nhà máy tái chế, quá trình ủ phân compost Sau đó, nó được ứng dụng phổ biến trong vi c xử lý các hợp chất... nghiên cứu của Meltem Sarioglu (2004), tác giả chỉ ra rằng sử dụng chủng vi khuẩn Pseudomonas aeruginosa trong xử lý nước thải có thể làm giảm hàm lượng phospho đi khoảng 20% [29] Vi c nghiên cứu và ứng dụng hệ vi sinh bám dính để xử lý triệt để nước thải sinh hoạt và công nghiệp mở ra các khả năng mới trong vi c giảm thiểu các chỉ tiêu như BOD, SS, N, P xuống dưới nồng độ cho phép Sử dụng hệ vi sinh. .. tiết kiệm trong vận hành Lượng bùn dư của hệ vi sinh bám dính ít hơn nhiều so với hệ bùn hoạt tính lơ lửng, do đó chi phí để xử lý bùn cũng ít hơn Các công trình xử lý dùng hệ vi sinh bám dính cũng gọn nhẹ và dễ hợp khối, mở ra triển vọng ứng dụng rộng rãi, đặc biệt là đối với các công trình xử lý vừa và nhỏ trong dân dụng và công nghiệp 1.4.4 Hệ thống lọc sinh học a) Lọc sinh học Trong khi vi c sử dụng... lại nước thải để sử dụng cho quá trình sản xuất Để xử lý nước thải triệt để, có rất nhiều phương pháp, một trong những phương pháp ưu vi t là phương pháp lọc sinh học sử dụng hệ vi sinh bám dính Nghiên cứu tại Đại học Xây dựng Mát-xcơ-va (MGSU), Liên bang Nga cho thấy phương pháp này có thể loại bỏ phốt-pho ra khỏi nước thải sinh hoạt bằng hệ vi sinh bám dính dựa trên nguyên tắc ăn mòn sinh học Bể lọc . đó, trong khuôn khổ đề tài Nghiên cứu cố định một số chủng vi khuẩn Pseudomonas trong hệ thống lọc sinh học để xử lý nước thải công nghiệp chế biến sữa , chúng tôi thực hiện nghiên cứu cố định. các chất mang phù hợp trong hệ thống lọc sinh học xử lý nước thải - Bước đầu đánh giá hiệu quả xử lý nước thải chế biến sữa của hệ thống lọc sinh học có cố định vi khuẩn Pseudomonas so với các. vấn đề cố định chủng vi khuẩn Pseudomonas trong hệ thống lọc sinh học xử lý nước thải ngành chế biến sữa thì vẫn chưa có công trình nghiên cứu nào trong nước công bố các kết quả nghiên cứu ứng