Đánh giá khả năng phân hủy của nấm phanerochaete chrysosporium đối với một số hợp chất hữu cơ khó phân hủy sinh học trong nước rỉ rác

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐỖ LÂM NHƯ Ý ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG PHÂN HỦY CỦA NẤM PHANEROCHAETE CHRYSOSPORIUM ĐỐI VỚI MỘT SỐ HỢP CHẤT HỮU CƠ KHÓ PHÂN HỦY SINH HỌC TRONG NƯỚC RỈ RÁC Chuyên ngành : Công nghệ sinh học LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2008 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học : PGS TS Nguyễn Đức Lượng TS Huỳnh Ngọc Phương Mai Cán chấm nhận xét : Cán chấm nhận xét : Luận văn thạc sĩ bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc -oOo Tp HCM, ngày 01 tháng 12 năm 2008 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: ĐỖ LÂM NHƯ Ý Giới tính : Nữ Ngày, tháng, năm sinh : 14/10/1982 Nơi sinh : Tp.HCM Chuyên ngành : Cơng nghệ sinh học Khóa : 2006 1- TÊN ĐỀ TÀI: ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG PHÂN HỦY CỦA NẤM PHANEROCHAETE CHRYSOSPORIUM ĐỐI VỚI MỘT SỐ HỢP CHẤT HỮU CƠ KHÓ PHÂN HỦY SINH HỌC TRONG NƯỚC RỈ RÁC 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: Kế thừa kết nghiên cứu chọn lựa chủng nấm Phanerochaete Chrysosporium có khả phân hủy lignin tốt Lựa chọn giá bám thích hợp cho nấm Khảo sát tăng trưởng sinh khối nấm môi trường thu nhận sinh khối Rapper Khảo sát điều kiện thích hợp để nấm phân hủy lignin tốt môi trường thu nhận enzym Kirk: pH, nitơ, tỷ lệ giống sodium citrate Khảo sát phân hủy lignin nấm môi trường nuớc rỉ rác cũ qua giai đoạn tiền xử lý nitơ theo phương pháp : air stripping bùn hoạt tính hiếu khí 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 21/01/2008 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 01/12/2008 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS.TS NGUYỄN ĐỨC LƯỢNG TS HUỲNH NGỌC PHƯƠNG MAI Nội dung đề cương Luận văn thạc sĩ Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua CÁN BỘ HƯỚNG DẪN PGS.TS NGUYỄN ĐỨC LƯỢNG CHỦ NHIỆM BỘ MƠN QUẢN LÝ CHUN NGÀNH LỜI CẢM ƠN Tơi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Đức Lượng - Thầy trực tiếp giảng dạy suốt thời gian học Cao học hướng dẫn, góp ý để tơi hồn thành luận văn Tơi xin cảm ơn tận tình Q Thầy Cơ mơn Công nghệ sinh học Trường Đại học Bách Khoa giúp mở rộng kiến thức chuyên môn Và quên Quý Thầy Cô khoa Sinh Trường Đại học Khoa học Tự nhiên dạy dỗ suốt quãng đời sinh viên Đại học Tôi xin cảm ơn Sở Khoa học & Công nghệ TP.HCM hỗ trợ nguồn kinh phí để thực luận văn Tôi xin trân trọng biết ơn nhiệt tình quan tâm, hướng dẫn TS Huỳnh Ngọc Phương Mai luận văn lẫn công việc Cảm ơn bạn thời Đại học bạn Cao học cố gắng, động viên phấn đấu học tập Với nơi làm việc nơi làm luận văn; xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến Ban giám đốc trung tâm ETM; toàn thể anh chị bạn Trung tâm động viên, giúp đỡ, tạo điều kiện để tơi hồn thành luận văn cơng việc Tơi xin ghi nhận góp ý Q Thầy Cơ Khoa Môi trường trường Đại học Văn Lang giúp hồn thiện luận văn Và cuối cùng, tơi xin cảm ơn gia đình u thương tơi Chính gia đình nguồn động viên, động lực, chỗ dựa tinh thần để cố gắng đạt hơm Ngày 01 tháng 12 năm 2008 Đỗ Lâm Như Ý TÓM TẮT Nước rỉ rác cũ thường chứa nhiều hợp chất hữu khó phân hủy sinh học lignin, humic, fulvic acid để xử lý loại chất hữu thường phải dùng biện pháp xử lý hóa lý oxy hóa, kết tủa, keo tụ, hấp phụ than hoạt tính, lọc màng Do đó, việc phát chủng nấm Phanerochaete chrysosporium có khả phân hủy tốt lignin nói riêng hợp chất hữu mạch vịng nói chung hứa hẹn mở hướng xử lý sinh học thân thiện với mơi trường, nhằm góp phần giải vấn đề Việc nghiên cứu khả phân hủy lignin thực môi trường cải biên Kirk để tìm giá bám thích hợp RPF tỷ lệ giống tìm ảnh hưởng nồng độ thành phần khác môi trường pH, nitơ, sodium citrate Kết tốt ghi nhận môi trường sau 10 ngày xử lý với nấm, hiệu xử lý lignin đạt 80%, tương ứng lignin giảm từ 300 mg/l 60 mg/l Dựa sở nghiên cứu này, tiếp tục thử nghiệm nước rỉ rác cũ bãi chơn lấp Phước Hiệp Để tạo điều kiện thích hợp cho nấm phát triển, thí nghiệm thực nước rỉ rác cũ qua tiền xử lý nitơ theo phương pháp air stripping bùn hoạt tính hiếu khí Với phương pháp tiền xử lý nitơ air stripping sau xử lý nấm, hiệu xử lý COD lignin tương ứng 25% 34%; phương pháp tiền xử lý nitơ bùn hoạt tính hiếu khí, sau qua giai đoạn xử lý nấm hiệu xử lý COD lignin ghi nhận 18% 31% Tuy nhiên, việc xử lý sinh học thường đòi hỏi thời gian dài Tóm lại, sau giai đoạn xử lý sinh học kết hợp nấm bùn hoạt tính, lượng COD ly tâm lại dao động khoảng 500-900 mgO2/l ABSTRACT Old leachate usually has amount of slowly biodegradable organic matters such as lignin, humic and fulvic acid In order to treat such matters, the physiochemical methods are often proposed such as oxidation (by ozone), precipitation, coagulation, ultraviolet (UV), activated carbon and membrane filtration Therefore, Phanerochaete chrysosporium, which is a white rot fungus and has ability to degrade lignin in particular as well as aromatic organic compounds (AOCs) in general, will promise well to open the environmentally friendly technologies to solve the problem The research is carried out in modified Kirk culture to find suitable RPF supporter and ratio of breed as well as the concentrative influences of some other elements like pH, nitrogen and sodium citrate in Kirk culture After 10 days treated by this fungus, the best result is recorded, for instance lignin removal efficiency is 80%, it means lignin concentration decreases from 300 mg/l to 60 mg/l On the basis of the research, the experiment is continuously carried out with old leachate of Phuoc Hiep landfill To make a good condition for this fungus’ development, the leachate has pretreated to remove nitrogen in two methods namely air stripping and aerobic activated sludge As for air stripping method, after being treated by the fungus, COD and lignin removal efficiency are 25% and 34%, respectively In addition, aerobic activated sludge method gives the result after Phanerochaete chrysosporium treating, are 18% for COD removal efficiency and 31% for lignin removal efficiency However, the time needs for treatment the leachate by biological method is longer than others To sum up, after treatment by fungus and aerobic activated sludge combined, the effluent centrifuged COD of old leachate fluctuates in range of 500-900 mgO2/l Trang LỜI MỞ ĐẦU Nƣớc rỉ rác cũ thƣờng chứa nhiều hợp chất hữu khó phân hủy sinh học nhƣ lignin, humic, fulvic acid Để xử lý triệt để chất hữu khó phân hủy cịn lại sau trình xử lý sinh học nƣớc rỉ rác, phƣơng pháp đƣợc sử dụng phổ biến oxy hóa, kết tủa, keo tụ, hấp phụ than hoạt tính, lọc màng nhiên chi phí xử lý cao, tiêu tốn nhiều hoá chất chất lƣợng nƣớc đầu không ổn định Nguyên nhân chất thải rắn đô thị chứa nhiều hợp chất cellulose, lignin sản phẩm phân hủy sinh học chúng humic, fulvic acid đƣợc xem hợp chất hữu bền khó phân hủy sinh học Ngồi ra, chƣa phân loại rác nguồn nên nƣớc rỉ rác cịn chứa số chất thải cơng nghiệp nguy hại Các hợp chất độc hại khó phân hủy sinh học nên xử lý phƣơng pháp sinh học thông thƣờng hiệu Việc nghiên cứu sử dụng chủng vi sinh vật đặc biệt, có khả phân hủy hợp chất độc hại này, làm giảm thành phần chất hữu sau xử lý cần thiết Ở Việt Nam, việc nghiên cứu phổ biến nấm Phanerochaete chrysosporium năm cuối thập niên 90 Tác giả Kim Anh, 1999 Văn Minh, 2002 chứng minh đƣợc khả phân giải lignin nấm tách chiết đƣợc enzym phân hủy lignin Năm 2005, tác giả Nguyễn Thị Thanh Kiều tiếp tục xác định khả phân hủy lignin nấm Phanerochaete chrysosporium số gỗ dùng công nghiệp giấy xác định đƣợc gen mã hóa cho MnP- enzyme phân hủy lignin Một hƣớng ứng dụng đƣợc quan tâm nghiên cứu Kiều, 2005 sử dụng nấm phân hủy lignin, nhằm tiết kiệm lƣợng trình sản xuất học giảm ô nhiễm môi trƣờng so với phƣơng pháp thông thƣờng sản xuất bột giấy Năm 2002 2003, nghiên cứu xử lý nƣớc rỉ rác với nồng độ COD cao đƣợc Sở Khoa học Công nghệ triển khai Thực tế cho thấy, sau xử lý sinh học thông thƣờng nƣớc rỉ rác lại chủ yếu hợp chất hữu mạch vịng, khó phân hủy sinh học, ví dụ nhƣ lignin, humic fulvic acid Vì vậy, nƣớc rỉ rác để đạt HVTH: Đỗ Lâm Như Ý Trang tiêu chuẩn xả thải cần phải tiếp tục qua giai đoạn keo tụ Tuy nhiên, sau giai đoạn keo tụ, COD đầu đạt tiêu chuẩn cho phép (nguồn loại B) nhƣng không ổn định lại làm phát sinh lƣợng bùn cần phải đƣợc xử lý Ứng dụng thành tựu cơng trình nghiên cứu trên, hệ thống xử lý nƣớc rỉ rác bãi chơn lấp Gị Cát đƣợc cải tạo với kết hợp công nghệ sinh học công nghệ màng lọc, đầu sau xử lý đạt tiêu chuẩn cho phép nhƣng chi phí đầu tƣ, giá thành xử lý cao vận hành phức tạp Vì vậy, hƣớng nghiên cứu đề tài sử dụng nấm Phanerochaete chrysosporium với hệ enzym ligninase để cắt mạch chất hữu phức tạp thành chất hữu đơn giản hơn, tăng khả xử lý sinh học thân thiện với môi trƣờng MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Đánh giá khả phân hủy nấm Phanerochaete chrysosporium số chất hữu khó phân hủy sinh học NỘI DUNG NGHIÊN CỨU - Kế thừa kết nghiên cứu chọn lựa chủng nấm Phanerochaete Chrysosporium có khả phân hủy lignin tốt - Lựa chọn giá bám thích hợp cho nấm - Khảo sát tăng trƣởng sinh khối nấm môi trƣờng thu nhận sinh khối Rapper - Khảo sát điều kiện thích hợp để nấm phân hủy lignin tốt môi trƣờng thu nhận enzym Kirk: pH, nitơ, tỷ lệ giống sodium citrate - Khảo sát phân hủy lignin nấm môi trƣờng nuớc rỉ rác cũ qua giai đoạn tiền xử lý nitơ theo phƣơng pháp : air stripping bùn hoạt tính hiếu khí PHẠM VI NGHIÊN CÚU Đối tƣợng nghiên cứu: nƣớc rỉ rác bãi chôn lấp cũ Phƣớc Hiệp HVTH: Đỗ Lâm Như Ý Trang Phạm vi nghiên cứu: Quy mô phịng thí nghiệm Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI Các tài liệu nghiên cứu giới cho thấy loại nấm Phanerochaete chrysosporium (còn gọi nấm mục trắng) đƣợc sử dụng nhiều để xử lý màu nƣớc thải dệt nhuộm (Cripps cộng sự, 1990; Ollikka cộng sự, 1993; 1998; Kirby cộng sự, 1995; Rodriguez Couto cộng sự, 2000; Kunz cộng sự, 2000; Ferreira cộng sự, 2000; Bakshi cộng sự, 2006; Gao cộng sự, 2006) Tuy nhiên, theo Ollikka P., 1993, Shim Kawamoto năm 2002 loại nấm có khả phân hủy chất hữu có chứa vịng thơm kể đơn vịng đa vịng , ví dụ nhƣ lignin, DDT, lindane, chlorinated aniline, hợp chất chlorinated phenolic chí hợp chất PCB dioxin… Đặc trƣng loại nấm tiết enzyme Lignin Peroxidase (LiP), Manganese peroxidase (MnP) có khả oxy hóa vòng thơm, chuyển chúng thành hợp chất đơn giản hơn, dễ phân hủy sinh học Tuy nhiên, nay, nghiên cứu để áp dụng thực tế cho loại nấm cịn Trên sở đó, nghiên cứu đƣợc thực để xác định khả ứng dụng nấm Phanerochaete chrysosporium để xử lý chất hữu khó phân hủy sinh học nƣớc rỉ rác sau giai đoạn xử lý nitơ, nhằm đƣa giải pháp thích hợp mặt cơng nghệ, hiệu kinh tế, thân thiện môi trƣờng, nhƣ đạt đƣợc tiêu chuẩn xả thải địa phƣơng HVTH: Đỗ Lâm Như Ý Trang CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ NƢỚC RỈ RÁC 1.1 THÀNH PHẦN NƢỚC RỈ RÁC 1.1.1 Thành phần nƣớc rỉ rác giới Nƣớc rỉ rác từ bãi chôn lấp chất lỏng thấm qua lớp chất thải rắn mang theo chất hòa tan chất lơ lửng (Tchobanoglous, 1993) Trong tất bãi chôn lấp, nƣớc rỉ rác bao gồm dịng chất lỏng vào bãi chơn lấp từ nguồn nhƣ: nƣớc mặt chảy tràn, nƣớc mƣa, nƣớc ngầm, độ ẩm rác chất lỏng sinh trình dầm nén chất thải phân hủy chất hữu rác Thành phần nƣớc rỉ rác thay đổi nhiều tùy thuộc vào chất thải đƣa vào bãi chơn lấp, qui trình (phƣơng pháp) vận hành bãi chôn lấp, thời gian vận hành bãi chôn lấp, điều kiện khí tƣợng thủy văn, địa hình, địa chất bãi rác đặc biệt khí hậu,… Vì quốc gia khu vực có thành phần nƣớc rỉ rác khác Ảnh hƣởng yếu tố thời gian vận hành bãi chôn lấp đến thành phần, tính chất cơng nghệ xử lý nƣớc rỉ rác đƣợc thể Bảng 1.1 Bảng 1.1 Mối quan hệ thời gian vận hành bãi chôn lấp, tính chất nƣớc rỉ rác hệ thống xử lý Dƣới năm Tuổi bãi chôn lấp (Bãi chôn lấp trẻ) Từ đến 10 năm (bãi chôn lấp trung bình) Trên 10 năm (Bãi chơn lấp già) Loại nƣớc rỉ rác I (GĐ phân hủy sinh học) II (GĐ trung gian) III (GĐ ổn định) pH < 6,5 6,5 – 7,5 >7,5 COD (mg/L) >10000