Nghiên cứu ứng dụng vi sinh vật và vi tảo lam Spirulina trong xử lý nước thải làng nghề bún Phú Đô

Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học 1 LỜI CẢM ƠN Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới TS. Đặng Diễm Hồng – Trưởng Phòng Công nghệ Tảo đã tận tình hướng dẫn và truyền đạt những kinh nghiệm quý báu cho tôi trong suốt quá trình thực tập và làm luận văn tốt nghiệp. Để hoàn thành luận văn này, tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, hướng dẫn của học viên cao học Đinh Thị Ngọc Mai, ThS. NCS. Ngô Thị Hoài Thu, KS. Đinh Đức Hoàng cùng tập thể cán bộ Phòng Công nghệ Tảo, Viện Công nghệ sinh học – Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Đồng thời, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến tập thể thầy cô giáo Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội đã truyền thụ những kiến thức quý báu cho tôi trong suốt quá trình học tập. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Ban lãnh đạo Viện Công ngh ệ sinh học – Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi có thể hoàn thành luận văn tốt nghiệp này. Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè, những người đã quan tâm giúp đỡ và động viên, khuyến khích tôi trong suốt thời gian qua để tôi hoàn thành luận văn được tốt hơn. Hà Nội, tháng 12 năm 2010 Học viên cao học Nguyễn Minh Phương Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học 2 CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN ADN Axit deoxyribonucleotit BOD Biological oxygen demand COD Chemical oxygen demand CFU Colony Form Unit Nitơ tổng số N ts OD Optical density PHA Poly-3-hydroxyalkanoates Photpho tổng số P ts TLK Trọng lượng khô Spirulina platensis S. platensis VSV Vi sinh vật Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học 3 MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 4 1.1 Điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội vùng nghiên cứu 4 1.1.1 Điều kiện tự nhiên 4 1.1.2 Đặc điểm kinh tế xã hội 4 1.1.3 Công nghệ sản xuất bún truyền thống tại làng bún Phú Đô 5 1.2 Nước thải và phương pháp xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính 6 1.2.1 Phân loại nước thải và các chất gây ô nhiễm trong nước thải 6 1.2.2 Hệ vi sinh vật trong nước thải 8 1.2.3 Cơ sở sinh học của quá trình làm sạch nước thải 9 1.2.4 Cơ chế phân giải tinh bột nhờ vi sinh vật 11 1.2.5 Xử lý nước thải bằng phương pháp bùn hoạt tính 12 1.3 Nghiên cứu khả năng xử lý nước ô nhiễm bằng vi tảo 15 1.4 Giới thiệu chung về tảo lam Spirulina 17 1.4.1 Đặc điểm hình thái và cấu trúc tế bào của tảo lam Spirulina 17 1.4.2 Đặc điểm sinh lý, sinh hóa và thành phần dinh dưỡng của tảo lam Spirulina 18 1.4.3 Tình hình nghiên cứu tảo lam Spirulina 23 1.5 Giới thiệu chung về chất dẻo sinh học và PHAs 28 1.5.1 Giới thiệu chung về chất dẻo sinh học 28 1.5.2 Giới thiệu về PHAs 30 CHƯƠNG 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 34 2.1 Vật liệu nghiên cứu 34 2.2 Phương pháp nghiên cứu 37 2.2.1 Phương pháp xác định số lượng các nhóm VSV trong nước thải và trong Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học 4 bùn hoạt tính 37 2.2.2 Phương pháp nuôi tạo bùn hoạt tính 40 2.2.3 Phương pháp xác định các thông số xử lý nước thải tối ưu 41 2.2.4. Xác định tốc độ sinh trưởng phát triển của tảo lam Spirulina platensis bằng phương pháp đo mật độ quang học (OD) tại bước sóng 420 nm 43 2.2.5. Xác định hiệu quả xử lý nước thải sau từng giai đoạn 43 2.2.6. Phương pháp xác định hàm lượng PHA củ a tảo Spirulina platensis 45 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 46 3.1 Kết quả đánh giá hiện trạng và đặc trưng của nước thải sản xuất bún tại làng bún Phú Đô 46 3.2 Kết quả xác định thời gian lắng tối ưu cho VSV phát triển 48 3.3 Kết quả nuôi tạo bùn hoạt tính từ nước thải sản xuất bún 50 3.4 Kết quả xác định hàm lượng bùn hoạt tính t ối ưu cho quá trình xử lý 52 3.5 Kết quả xác định nồng độ Nitơ và Photpho tối ưu 53 3.5.1 Kết quả xác định nồng độ Nitơ tối ưu 53 3.5.2 Kết quả xác định nồng độ Photpho tối ưu 54 3.6 Kết quả xác định thời gian sục tối ưu đối với nước thải 55 3.7 Kết quả về sự thay đổi các thông số đặc trưng c ủa nước thải và VSV phân giải tinh bột trong các giai đoạn xử lý nước thải sản xuất bún Phú Đô 56 3.8 Sinh trưởng của tảo lam Spirulina platensis CNTĐB thu được trong nước thải làng nghề bún Phú Đô 61 3.9 Kết quả phân tích hàm lượng PHA ở chủng Spirulina platensis CNT và CNTĐB 63 3.9.1 Kết quả phân tích hàm lượng PHA tích lũy ở chủng Spirulina platensis CNT dưới điều kiện tạp dưỡ ng và chiếu tia UV 63 3.9.2 Xác định hàm lượng PHA trong sinh khối tảo Spirulina thu được sau 20 ngày nuôi cấy trong môi trường nước thải sản xuất bún 66 3.10 Đánh giá sơ bộ hiệu quả xử lý nước thải sản xuất bún 66 CHƯƠNG 4 . KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 68 Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học 5 Kết luận 68 Kiến nghị 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 PHỤ LỤC 80 Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học 6 DANH MỤC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH DANH MỤC BẢNG Bảng 1. Quần thể VSV trong bùn hoạt tính 14 Bảng 2. Tính chất vật lý của một vài dạng PHA và polypropylene 31 Bảng 3. Thành phần môi trường SOT 36 Bảng 4. Bảng tra MPN dùng cho loạt 3 ống nghiệm ở 3 nồng độ pha loãng liên tiếp 39 Bảng 5. Đặc trưng của nước thải sản xuất bún tại hệ thống cống chung cuối làng Phú Đô 47 Bảng 6. Sự biến động về thành phần VSV tổng số trong nước thải được lấy từ hệ thống cống chung cuối làng 48 Bảng 7. Thành phần và số lượng VSV trong bùn hoạt tính đã nuôi được (CFU/ml) 50 Bảng 8. VSV tổng số có mặt trong nước thải được bổ sung bùn hoạt tính nuôi tạo được ở các nồng độ khác nhau 52 Bảng 9. Số lượng VSV phân giả i tinh bột có trong nước thải sau khi được bổ sung phân đạm có nồng độ khác nhau 54 Bảng 10. Số lượng VSV phân giải tinh bột có trong nước thải sau khi được bổ sung phân lân có nồng độ khác nhau 55 Bảng 11. Sự thay đổi VSV tổng số phân giải tinh bột theo thời gian sục ở nước thải được bổ sung 5% bùn hoạt tính, phân đạm là 100 mg/l và phân lân là 80 mg/l 56 Bảng 12. Quy trình xử lý nước thải sản xu ất bún tại hệ thống cống chung cuối làng bún Phú Đô bằng bùn hoạt tính và chủng tảo lam Spirulina platensis CNTĐB 57 Bảng 13. Sự thay đổi các thông số COD, BOD 5 , N ts, P ts và VSV phân giải tinh bột trong các giai đoạn xử lý nước thải sản xuất bún Phú Đô 60 Bảng 14. Hàm lượng PHAs tích lũy ở S. platensis CNT khi môi trường được bổ sung các nguồn cácbon khác nhau 64 Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học 7 Bảng 15. Hiệu quả xử lý nước thải sản xuất bún bằng bùn hoạt tính và chủng tảo lam Spirulina platensis CNTĐB 67 DANH MỤC HÌNH Hình 1A. Hình ảnh về Spirulina platensis 18 Hình 1B. Hình ảnh về Spirulina maxima 18 Hình 2. Hình ảnh về Spirulina platensis trên thị trường dưới dạng dược phẩm 23 Hình 3. Cấu trúc của PHAs 31 Hình 4. Hình thái chủng tảo lam Spirulina platensis CNTĐB được nuôi trong môi trường SOT 34 Hình 5. Sơ đồ thí nghiệm xử lý nước thải sản xuất bún ở làng nghề bún Phú Đô bằng bùn hoạt tính và tảo lam Spirulina platensis CNTĐB 44 Hình 6A. Địa điểm thu mẫu nước thải tại cống chung thứ nhất cuối làng 46 Hình 6B. Nước thải tại cống chung thứ nhất cuối làng 46 Hình 6C. Địa điểm thu mẫu nước thải tại cống chung thứ hai cuối làng 46 Hình 6D. Nước thải t ại cống chung thứ hai cuối làng 46 Hình 7A. Hình ảnh khuẩn lạc vi khuẩn có mặt trong nước thải sau 6 giờ 50 Hình 7B. Hình ảnh khuẩn lạc nấm men có mặt trong nước thải sau 18 giờ. 50 Hình 7C. Hình ảnh khuẩn lạc nấm mốc có mặt trong nước thải sau 18 giờ 50 Hình 7D. Hình ảnh khuẩn lạc nấm mốc có mặt trong nước thải sau 24 giờ 50 Hình 8A. Vi khuẩn phân giải tinh bột có mặt trong bùn hoạt tính 51 Hình 8B. Nấm men phân giải tinh bộ t có mặt trong bùn hoạt tính 51 Hình 8C. Nấm mốc phân giải tinh bột có mặt trong bùn hoạt tính 52 Hình 8D. Xạ khuẩn phân giải tinh bột có mặt trong bùn hoạt tính 52 Hình 9A. Thí nghiệm trước khi bổ sung tảo 58 Hình 9B. Thí nghiệm sau 1 ngày nuôi cấy tảo trong nước thải 58 Hình 9C. Thí nghiệm sau 6 ngày nuôi cấy tảo trong nước thải 59 Hình 9D. Thí nghiệm sau 20 ngày nuôi cấy tảo trong nước thải 59 Hình 10. Sinh trưởng của chủng tảo lam Spirulina platensis CNTĐB qua các ngày nuôi cấy trong nước thải s ản xuất bún đã qua giai đoạn xử lý bằng bùn hoạt tính và Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học 8 sục khí 62 Hình 11A. Hình thái sợi tảo chủng CNTĐB trước khi nuôi trong nước thải 63 Hình 11B. Hình thái sợi tảo chủng CNTĐB sau khi nuôi trong nước thải 20 ngày 63 MỞ ĐẦU Nền kinh tế xã hội nông nghiệp ở nước ta đã hình thành và phát triển từ rất lâu đời cùng với lịch sử lâu dài dựng nước và giữ nước của dân tộc. Trong su ốt tiến trình phát triển lâu dài ấy, các làng nghề truyền thống cũng đã hình thành và phát triển trong nông thôn Việt Nam và đóng một vai trò quan trọng trong nền kinh tế. Sự phát triển của các làng nghề không những góp phần giải quyết việc làm cho nhiều lao động, nâng cao thu nhập cho người dân địa phương nói riêng mà còn góp phần vào sự phát triển nền kinh tế của cả nước nói chung. Đặc biệt, trong nền kinh tế thị trường với chính sách phát triển kinh tế nhiều thành phần ở nước ta hiện nay, các làng nghề truyền thống vẫ n đang phát triển mạnh mẽ. Sự phát triển của làng nghề đem lại nhiều lợi ích kinh tế nhưng song song với nó là tiềm ẩn những nguy cơ gây ô nhiễm môi trường. Thực trạng ô nhiễm môi trường trong các làng nghề truyền thống và các cơ sở ngành nghề nông thôn ngày nay đang ngày càng gia tăng. Do ý thức bảo vệ môi trường còn thấp của con người trong quá trình sản xuất, các loại chất thải được thải ra môi trường sống xung quanh mà không được thu gom và xử lý triệt để nên tình trạng ô nhiễm môi trường đã và đang xảy ra rất nghiêm trọng ở các làng nghề truyền thống ở Việt Nam. Là một trong những làng nghề truyền thống vốn có từ lâu đời của thành phố Hà Nội, làng nghề sản xuất bún Phú Đô cũng đang phải đối mặt với vấn đề ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Từ trước tới nay, nước thải của làng nghề này vẫn được xả trực tiếp xuống một con mương chung của làng mà không qua bất kỳ một hệ Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học 9 thống xử lý nước thải nào. Vì vậy, nước thải của làng nghề bún Phú Đô luôn trong tình trạng bị ô nhiễm hữu cơ nặng nề với nồng độ nitơ, photpho và hàm lượng BOD 5 , COD trong nước thải rất lớn. Do đặc thù của nước thải sản xuất bún là ô nhiễm chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học nên việc áp dụng các biện pháp sinh học nói chung hay xử lý bằng bùn hoạt tính nói riêng để xử lý nước thải là hoàn toàn phù hợp. Việc kết hợp sử dụng các loài tảo cùng các vi sinh vật (VSV) để xử lý nước thải ô nhiễm hữu cơ được coi là một giải pháp khá hợp lý do trong nước thải, hàm lượng nitơ và photpho là nguồn dinh dưỡng rất tốt cho sự sinh trưởng và phát triển của tảo. Ngoài ra, việc thu hồi sinh khối tảo trong nước thải sau xử lý có thể thực hiện một cách dễ dàng và thuận tiện bằng cách vớt hay lọc bằng lưới, góp phần làm giảm giá thành xử lý. Chất dẻo sinh học (bioplastic) là một loại vật liệu mới đang ngày càng thu hút sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nhà khoa học trên thế giới. Không giống như các chất dẻo thông thường khác, chất dẻo sinh học là loại vật liệu “xanh” thân thiện môi trường với thời gian phân hủy ngắn do chúng có nguồn gốc chủ yếu từ thực vật và các loại VSV. Sự ra đời của chất dẻo sinh học có thể được coi là cuộc cách mạng quan trọng trong công nghệ chất dẻo và được xem như một giải pháp nhằm giảm dần sự lệ thuộc vào dầu mỏ đang có nguy cơ cạn kiệt, đồng thời góp phần bảo vệ môi trường. Là một trong những chất dẻo sinh học, poly-3-hydroxyalkanoates – PHA được tìm thấy trong cơ thể các VSV và vi tảo, trong đó có vi tảo lam Spirulina. Việc kết hợp sử dụng các VSV và vi tảo lam Spirulina trong xử lý nước thải giàu hữu cơ tại làng nghề bún Phú Đô và thu nhận chất dẻo sinh học từ sinh khối tảo mang ý nghĩa về mặt khoa học và thực tiễn cao. Do vậy, chúng tôi đã tiến hành thực hiện đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng vi sinh vật và vi tảo lam Spirulina trong xử lý nước thải làng nghề bún Phú Đô” với các nội dung sau: - Đánh giá hiện trạng và xác định đặc trưng của nước thải sản xuất bún tại làng nghề bún Phú Đô; Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học 10 - Nghiên cứu xác định các thông số tối ưu cho quá trình xử lý nước thải sản xuất bún, gồm các thông số sau: thời gian lắng tối ưu, nồng độ bùn hoạt tính tối ưu, nồng độ nitơ, nồng độ photpho và thời gian sục khí tối ưu cho quá trình xử lý; - Dựa vào kết quả nghiên cứu xác định các thông số tối ưu cho quá trình xử lý nước thải, đưa ra được quy trình xử lý nước thải sản xuất bún Phú Đô bằng VSV và vi tảo lam Spirulina platensis; - Đánh giá khả năng sinh trưởng và phát triển của chủng tảo lam Spirulina platensis qua các ngày nuôi cấy trong nước thải; - Xác định hàm lượng PHA trong sinh khối tảo Spirulina thu được sau xử lý; - Sơ bộ đánh giá hiệu quả xử lý nước thải làng bún Phú Đô bằng bùn hoạt tính và vi tảo lam Spirulina platensis. [...]... nhiều nghiên cứu trong và ngoài nước về vi c ứng dụng các loài tảo trong xử lý nước ô nhiễm Tại Vi t Nam, năm 2010, nghiên cứu tại trường Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh đã chứng minh loài tảo Tetraselmis sp có khả năng làm sạch nước thải nuôi tôm sú [80] Tại Trung Quốc, năm 2009, nghiên cứu của trường Đại học Nanchang cũng đã chứng minh được khả năng xử lý nước thải đô thị rất hiệu quả của loài tảo. .. nghiên cứu của Thụy Điển cũng chỉ ra các loài vi tảo có hiệu quả xử lý nitơ và photpho có trong nước thải rất tốt, hiệu suất xử lý nitơ đạt 60 - 80% và photpho đạt từ 60 – 100% trong các tháng của mùa hè [43] 1.4 Giới thiệu chung về tảo lam Spirulina 1.4.1 Đặc điểm hình thái và cấu trúc tế bào của tảo lam Spirulina Tảo lam được xếp vào nhóm vi khuẩn lam, là loài VSV đầu tiên có khả năng quang hợp và. .. bún tiêu thụ một lượng nước khá lớn Hầu hết các công đoạn như vo gạo, ngâm gạo, vắt bột, luộc bột…đều thải ra một lượng nước thải giàu tinh bột đáng kể Chính vì vậy, đặc thù của nước thải sản xuất bún là giàu chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học 1.2 Nước thải và phương pháp xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính 1.2.1 Phân loại nước thải và các chất gây ô nhiễm trong nước thải Nước thải là nước đã qua sử dụng. .. ra những chủng giống tảo có đặc tính mong muốn là một hướng đầy triển vọng trong vi c sử dụng tảo này trong xử lý một số loại nước thải [53] Các nhà khoa học tại Mehico đã nghiên cứu sử dụng Spirulina để loại bỏ NH4+ và PO43- trong nước thải chăn nuôi lợn có hiệu quả [55] Năm 2010, Spirulina cũng được các nhà khoa học Tây Ban Nha chứng minh có khả năng xử lý nước thải ô nhiễm nitơ và photpho một cách... xử lý môi trường của tảo lam Spirulina cũng được đi sâu nghiên cứu Tảo lam Spirulina đã được sử dụng trong xử lý nước thải giàu amoni từ một số nguồn phân hoá học trong trồng trọt ở Vi t Nam để giảm thiểu ô nhiễm môi trường và giảm giá thành sản phẩm từ Spirulina [14] Ngoài ra, các thử nghiệm nuôi trồng tảo này bằng nguồn nước thải ươm tơ tằm, nước thải của nhà máy phân đạm, nước thải từ hầm biogas….đã... Thái Lan, khả năng làm sạch nước thải ao nuôi tôm của Spirulina cũng đã được chứng minh [32] Tại Nhật Bản, cùng với chủng vi khuẩn tía Rhodobacter sphaeroides và một chủng Chlorella sorokiniana, tảo lam Spirulina cũng được nghiên cứu để ứng dụng trong xử lý nước thải giàu hàm lượng hữu cơ Hiện nay, vi c áp dụng kỹ thuật ADN tái tổ hợp và công nghệ gen để chuyển gen vào tảo Spirulina đang được tiến hành... Có loại tảo có cấu trúc đơn bào, có loại mọc nhánh dài Chúng là thực vật phù du, có thể trôi nổi ở trong nước hay móc vào các giá đỡ (loài thực vật khác) Trong số khoảng 50.000 loài tảo trên thế giới thì vi tảo chiếm đến 2/3 [90] Nhiều loài tảo, như vi tảo còn được xếp vào nhóm VSV, tảo lam được xếp vào nhóm vi khuẩn lam Tảo phát triển làm nước có màu sắc, thực chất là màu sắc của tảo (tảo lam Anabaena... Triển vọng sử dụng nước biển và nước lợ cho nuôi trồng đại trà Spirulina ở nước ta trong tương lai cũng đã được đề cập thông qua các nghiên cứu sử dụng nguồn nước biển để nuôi trồng tảo này cũng như ảnh hưởng của các nồng độ NaCl khác nhau lên các đặc điểm sinh lý, sinh hoá của tảo lam Spirulina cũng đã được tiến hành nghiên cứu [4] Nghiên cứu các phương pháp chuyển gien trên đối tượng tảo Spirulina để... cho nước có màu xanh lam, Oscilatoria rubecens làm cho nước ngả màu hồng, các loài khuê tảo Melorisa, Navicula làm cho nước có màu vàng nâu ) [16] Trong nước thải giàu nguồn N và P là điều kiện tốt cho tảo phát triển Nguồn CO2 có thể do VSV hoạt động thải ra trong nước, phân hủy các chất hữu cơ tạo thành và cung cấp cho tảo hoặc từ không khí Cơ sở sinh học của vi c sử dụng một số loài tảo để xử lý nước. .. để xử lý nước thải nhưng có thể chia thành các phương pháp chính sau: cơ học, hoá lý, hoá học và sinh học Trong đó, phương pháp sinh học được sử dụng chủ yếu để xử lý nước thải chứa hàm lượng chất hữu cơ cao So với biện pháp vật lý và hóa học, phương pháp sinh học có ưu điểm hơn cả là giá thành thiết bị không đắt tiền, nguyên liệu xử lý dễ kiếm lại không gây tái ô nhiễm môi trường Phương pháp xử lý nước . thấy trong cơ thể các VSV và vi tảo, trong đó có vi tảo lam Spirulina. Vi c kết hợp sử dụng các VSV và vi tảo lam Spirulina trong xử lý nước thải giàu hữu cơ tại làng nghề bún Phú Đô và thu. - Xác định hàm lượng PHA trong sinh khối tảo Spirulina thu được sau xử lý; - Sơ bộ đánh giá hiệu quả xử lý nước thải làng bún Phú Đô bằng bùn hoạt tính và vi tảo lam Spirulina platensis. . dẻo sinh học từ sinh khối tảo mang ý nghĩa về mặt khoa học và thực tiễn cao. Do vậy, chúng tôi đã tiến hành thực hiện đề tài: Nghiên cứu ứng dụng vi sinh vật và vi tảo lam Spirulina trong xử