Tuyển chọn vi khuẩn nitrat hóa nhằm ứng dụng xử lý nitơ trong nước thải cao su

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Tuyển chọn vi khuẩn nitrat hóa nhằm ứng dụng xử lý nitơ nước thải cao su NGUYỄN THỊ HUYỀN Huyen.NT202490M@sis.hust.edu.vn Ngành Công nghệ sinh học Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Lan Hương Viện: Công nghệ Sinh học Công nghệ Thực phẩm HÀ NỘI, 10/2022 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Tuyển chọn vi khuẩn nitrat hóa nhằm ứng dụng xử lý nitơ nước thải cao su NGUYỄN THỊ HUYỀN Huyen.NT202490M@sis.hust.edu.vn Ngành Công nghệ sinh học Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Lan Hương Chữ ký GVHD Viện: Công nghệ Sinh học Công nghệ Thực phẩm HÀ NỘI, 2022 CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨ VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Nguyễn Thị Huyền Đề tài: Tuyển chọn vi khuẩn nitrat hoá nhằm ứng dụng xử lý nitơ nước thải cao su Chuyên ngành: Công nghệ sinh học Mã số HV: 20202490M Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày / /2022 với nội dung sau: TT Ý kiến Hội đồng Nội dung chỉnh sửa, bổ sung, làm rõ Chỉnh sửa lỗi in ấn, dấu thập Đã sửa lỗi in ấn; Đã sửa dấu thập phân trang 3, trang 34; phân, tài liệu tham khảo Đã sửa lại tài liệu tham khảo trang 39 Bổ sung tài liệu tham khảo cho phương pháp nghiên cứu Đã bổ sung tài liệu tham khảo cho phương pháp nghiên cứu trang 22, 23, 25 Ngày tháng năm 2022 Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn Nguyễn Thị Huyền PGS TS Nguyễn Lan Hương CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG PGS TS Lê Thanh Hà LỜI CẢM ƠN Tơi xin gửi lịng biết ơn sâu sắc tới giáo hướng dẫn khoa học PGS.TS Nguyễn Lan Hương - Trưởng Bộ môn Công nghệ sinh học, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội tận tình bảo, quan tâm giúp đỡ dìu dắt tơi suốt q trình học tập, nghiên cứu hồn thành luận văn để học hỏi, trau dồi nhiều kiến thức, kinh nghiệm quý báu Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến ban lãnh đạo Viện Công nghệ sinh học Công nghệ thực phẩm, thầy cô môn Công nghệ sinh học, anh chị em phịng thí nghiệm D2A, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội tạo điều kiện giúp đỡ tơi q trình học tập nghiên cứu trường Tôi xin chân thành cảm ơn ban lãnh đạo Viện Sức khoẻ nghề nghiệp Môi trường, anh chị em đồng nghiệp khoa Xét nghiệm Phân tích hỗ trợ tơi mặt q trình học tập, nghiên cứu hồn thành luận văn Cuối xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến người thân gia đình ủng hộ, tạo điều kiện giúp đỡ thời gian học tập, nghiên cứu để đạt thành ngày hôm Một lần xin chân thành cảm ơn HỌC VIÊN NGUYỄN THỊ HUYỀN TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN Ngành cao su ngành sản xuất nông, lâm nghiệp quan trọng Việt Nam Với cao su thành phẩm lượng phát sinh trung bình khoảng 18 - 25 m nước thải Nước thải chế biến cao su tự nhiên xem loại nước thải có mức độ nhiễm cao thành phần: nhu cầu oxy sinh hóa (BOD) từ 7590-13820 mg/L, nhu cầu oxy hóa học (COD) từ 7590-26920 mg/L, tổng nitơ từ 450-1310 mg/L amoniac từ 290-1040 mg/L Các giá trị vượt nhiều so với quy chuẩn cho phép thải môi trường QCVN 01-MT:2015/BTNMT Các nghiên cứu hướng đến việc sử dụng vi khuẩn có tốc độ chuyển hoá amon nitrit nhanh nhằm + xử lý nguồn ô nhiễm N-NH4 N-NO2 - nước thải cao su Mục tiêu nghiên cứu phân lập tuyển chọn chủng vi khuẩn nitrat hoá có khả chuyển hố amon cao, ứng dụng để xử lý nitơ nước thải cao su Kết phân lập chủng vi khuẩn dị dưỡng có khả nitrat hố Lựa chọn chủng H1 có khả chuyển hóa amon cao, chuyển hố nitrit cao với hiệu suất chuyển hóa 98,4% 100% sau 24 nuôi cấy Chủng H1 định danh chủng Acinetobacter johnsinii H1 Đã khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất chuyển hố amon Chủng H1 chuyển hố hồn tồn lượng amon 200 mg/L sau 48 giờ, chuyển hố hồn tồn 50 mg/L N- - NO2 24 giờ, tối ưu tỷ lệ C/N = 20; pH 28 Trên môi trường nước thải cao chủng H1 chuyển hóa 64,9% lượng amon sau 24 Giá trị + - COD, hàm lượng N-NH4 , N-NO3 lại canh trường sau 24 nuôi cấy chủng H1 tương ứng 220 mg/L; 19,0 mg/L; 2mg/L đạt giá trị cột B quy chuẩn kỹ thuật quốc gia nước thải sơ chế cao su QCVN 01-MT:2015/BTNMT MỤC LỤC DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT iv DANH MỤC BẢNG v DANH MỤC HÌNH vi CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan nước thải cao su thiên nhiên .2 1.1.1 Hiện trạng phát triển ngành cao su Việt Nam 1.1.2 Nguồn gốc lượng phát sinh nước thải cao su 1.1.3 Đặc trưng nước thải cao su 1.2 Các công nghệ xử lý nước thải sơ chế cao su thiên nhiên .6 1.2.1 Xử lý học 1.2.2 Xử lý hóa học hoá lý 1.2.3 Xử lý sinh học 1.3 Chu trình nitơ nước thải trình nitrat hố .10 1.3.1 Chu trình nitơ nước thải 10 1.3.2 Quá trình nitrat hố 12 1.3.3 Vi khuẩn nitrat hoá 12 1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phát triển vi khuẩn nitrat hoá 14 1.4.1 Tỷ lệ giống ban đầu 14 + 1.4.2 Hàm lượng amon (NH4 ) 14 - 1.4.3 Sự tích luỹ NO2 15 1.4.4 Tỷ lệ C/N 15 1.4.5 pH 15 1.4.6 Nồng độ oxy hoà tan (DO) 16 1.4.7 Nhiệt độ 16 1.5 Tình hình nghiên cứu vi khuẩn nitrat hố dị dưỡng ứng dụng xử lý ô nhiễm nitơ 16 1.5.1 Các nghiên cứu giới 16 1.5.2 Các nghiên cứu Việt Nam 18 CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 20 2.1 Vật liệu 20 2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 20 i 2.1.2 Hoá chất 20 2.1.3 Các thiết bị phân tích 21 2.1.4 Môi trường 21 2.2 Các phương pháp nghiên cứu 22 + 2.2.1 Xác định amon (NH4 ) nước [81] 22 - 2.2.2 Xác định Nitrit (NO2 ) nước [81] 23 - 2.2.3 Xác định nitrat NO3 24 2.2.4 Xác định pH 24 2.2.5 Xác định nhu cầu oxy hoá học (COD) 24 2.2.6 Xác định hàm lượng sinh khối 24 2.2.7 Tách chiết DNA [82] 25 2.2.8 Phản ứng PCR [82] 25 2.3 Phương pháp nghiên cứu 25 2.3.1 Phân lập vi sinh vật 26 2.3.2 Khảo sát khả nitrat hoá 26 2.3.3 Khảo sát khả sinh trưởng chủng 27 2.3.4 Khảo sát số yếu tố ảnh hưởng đến khả chuyển hoá nitơ 27 2.3.5 Bước đầu thử nghiệm khả chuyển hoá amon mơi trường nước thải cao su quy mơ phịng thí nghiệm 27 2.3.6 Xử lý số liệu 28 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 29 3.1 Phân lập tuyển chọn vi khuẩn nitrat hoá 29 3.1.1 Phân lập vi khuẩn nitrat hoá 29 3.1.2 Khả nitrat hoá chủng phân lập 31 3.1.3 Định tên chủng lựa chọn kỹ thuật sinh học phân tử 16S rRNA 31 3.1.4 Khảo sát khả sinh trưởng chủng A johnsinii H1 33 3.1.5 Khảo sát số yếu tố ảnh hưởng đến khả chuyển hóa nitơ chủng A johnsinii H1 34 3.2 Khả xử lý nitơ chủng H1 môi trường nước thải cao su quy mơ phịng thí nghiệm 41 KẾT LUẬN 45 ii TÀI LIỆU THAM KHẢO 46 PHỤ LỤC 52 Đường chuẩn xác định hàm lượng amon 52 Đường chuẩn xác định hàm lượng nitrit 52 Kết chạy điện di sản phẩm PCR chủng H1 .53 Kết giải trình tự chủng H1 53 Hàm lượng nitrat sinh OD600 hàm lượng amon khác nhau… 54 Hàm lượng nitrat sinh OD600 hàm lượng nitrit khác nhau… 54 iii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Ký tự Tiếng Anh Tiếng Việt BOD Biological Oxygen Demand Nhu cầu oxy hóa sinh học COD Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hóa học CSTN Cao su thiên nhiên QCVN Quy chuẩn Việt Nam TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TN Total Nitrogen Nitơ tổng UASB Upflow Anaerobic Slugde Hệ thống xử lý kị khí với dịng Blanket chảy ngược qua lớp bùn hoạt tính Down flow hanging sponge Hệ thống lọc nhỏ giọt qua lớp vật DHS liệu xốp DNR Denitrification Reactor NT SBR Thiết bị phản nitrat Nước thải Sequencing Bacth Reactor Bể bùn hoạt tính theo mẻ iv DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Diện tích sản lượng cao su thiên nhiên Việt Nam từ năm Bảng 1.2 Đặc tính nước thải chế biến cao su thiên nhiên Bảng 2.1 Thành phần môi trường LB [42] 21 Bảng 2.2 Thành phần môi trường BM, BM* [80] 22 Bảng 3.1 Đặc điểm hình thái chủng vi khuẩn 29 v