Nghiên cứu sử dụng bùn thải sinh học từ nước thải sản xuất bia để nuôi cấy vi khuẩn bacillus thuringiensis sinh độc tố diệt sâu

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC Trần Thị Kim Hạnh NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG BÙN THẢI SINH HỌC TỪ NƯỚC THẢI SẢN XUẤT BIA ĐỂ NUÔI CẤY VI KHUẨN BACILLUS THURINGIENSIS SINH ĐỘC TỐ DIỆT SÂU LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ SINH HỌC Thái Nguyên - 2013 Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC Trần Thị Kim Hạnh NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG BÙN THẢI SINH HỌC TỪ NƯỚC THẢI SẢN XUẤT BIA ĐỂ NUÔI CẤY VI KHUẨN BACILLUS THURINGIENSIS SINH ĐỘC TỐ DIỆT SÂU Chuyên ngành: Công nghệ sinh học Mã số: 60420201 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ SINH HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS TĂNG THỊ CHÍNH Thái Nguyên - 2013 Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Ngày nay, với phát triển mạnh mẽ ngành công nghiệp, bùn thải trở thành gánh nặng cho doanh nghiệp quan chức không Việt Nam mà nƣớc có kinh tế, khoa học kỹ thuật tiên tiến giới Bên cạnh lƣợng bùn thải từ khu công nghiệp nặng nhẹ, bùn thải bệnh viện… cịn có lƣợng lớn bùn thải đƣợc thải từ khu công nghiệp chế biến lƣơng thực thực phẩm.Tại Việt Nam, hầu hết bùn thải chủ yếu đƣợc xử lý cách ép loại nƣớc, phơi khô, sấy khô, đổ bỏ hay chôn lấp, phần nhỏ đƣợc sử dụng làm phân bón.Q trình chơn lấp, đổ bỏ bùn thải gây ô nhiễm môi trƣờng nghiêm trọng ảnh hƣởng đến sức khỏe ngƣời.Bên cạnh chi phí xử lý bùn thải địi hỏi lƣợng kinh phí lớn Do việc tận dụng bùn thải làm nguyên liệu cho ngành công nghiệp sản xuất khác có ý nghĩa to lớn mơi trƣờng kinh tế Bùn thải sinh học từ trạm xử lý nƣớc thải khu công nghiệp chế biến lƣơng thực thực phẩm có thành phần chủ yếu vi sinh vật hình thành trình xử lý arotanh hợp chất hữu cao phân tử kết lắng trình tạo lắng hệ thống xử lý nƣớc thải bùn thải sinh học có hàm lƣợng chất hữu có tiềm để tái sử dụng cho mục đích khác Đặc biệt, bùn thải từ sở, nhà máy sản xuất bia có chứa hàm lƣợng dinh dƣỡng cao tận dụng làm mơi trƣờng thay môi trƣờng nhân tạo để nuôi cấy vi sinh vật [8] Việc tận dụng thành phần dinh dƣỡng bùn thải để thay môi trƣờng nhân tạo đắt tiền thƣờng đƣợc sử dụng q trình ni cấy vi sinh vật để tạo sản phẩm sinh học có ích nhƣ chế phẩm sinh học cải tạo đất, chế phẩm thuốc trừ sâu sinh học, chế phẩm diệt muỗi sinh học,… Đồng thời việc tận dụng bùn thải vừa giúp làm giảm giá thành sản phẩm vừa thân thiện với môi trƣờng Xuất phát từ lý trên, tiến hành thực đề tài “Nghiên cứu sử dụng bùn sinh học từ nƣớc thải sản xuất bia để nuôi cấy vi khuẩn Bacillus thuringiensis sinh độc tố diệt sâu” Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ 2 Mục tiêu nghiên cứu: Tái sử dụng chất thải ngành công nghiệp chế biến thực phẩm (bùn thải sinh học nhà máy sản xuất bia) tạo sản phẩm hữu ích phục vụ cho hoạt động sản xuất kinh doanh ngƣời Nội dung nghiên cứu: - Nghiên cứu kỹ thuật xử lý bùn sinh học từ trạm xử lý nƣớc thải nhà máy sản xuất bia làm môi trƣờng nuôi cấy vi khuẩn Bacillus thuringiensis - Nghiên cứu yếu tố ảnh hƣởng đến khả sinh trƣởng sinh tổng hợp protein tinh thể Bacillus thuringiensis sử dụng bùn thải sinh học từ trạm xử lý nƣớc thải nhà máy sản xuất bia làm môi trƣờng ni cấy quy mơ phịng thí nghiệm - Đánh giá hiệu lực diệt sâu dịch nuôi cấy vi khuẩn Bacillus thuringiensis phƣơng pháp sinh học (bioassays) phịng thí nghiệm Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ NỘI DUNG CHƢƠNG I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Khái quát bùn thải 1.1.1 Định nghĩa Bùn định nghĩa nhƣ sau: Bùn dạng chất rắn tách từ chất lỏng, bùn thƣờng chứa lƣợng nƣớc lớn, đặc tính bùn phụ thuộc vào đặc tính chất lỏng mà đƣợc tách ra[40] Dựa vào đặc tính bùn chia thành loại bùn nhƣ sau: bùn thải dễ phân hủy sinh học bùn thải khó phân hủy sinh học Bùn thải dễ phân hủy sinh học đƣợc tạo từ q trình xử lý sinh học (cịn gọi bùn sinh học) hay từ nƣớc thải có hàm lƣợng hữu cao Bùn dễ phân hủy sinh học đƣợc chia thành loại: không nguy hại nguy hại.Bùn thải không nguy hại đƣợc tạo từ trình xử lý nƣớc nhà máy chế biến lƣơng thực thực phẩm, nƣớc thải sinh hoạt Bùn có hàm lƣợng chất hữu cao, chất độc thuận lợi cho phát triển vi sinh vật Vì sử dụng làm phân bón cho trồng sử dụng làm nguyên liệu cho q trình ni cấy vi sinh vật, tạo nguồn lƣợng, nhiên liệu có giá trị…[15], [17],[24],[26], [30],[33].Bùn thải nguy hại đƣợc tạo từ hệ thống nƣớc thải bệnh viện, khu nghiên cứu…đối với loại bùn thải phải đƣợc xử lý nghiêm ngặt phƣơng pháp thiêu đốt trƣớc chôn, tuyệt đối không đƣợc tận dụng cho mục đích nơng nghiệp Bùn thải khó phân hủy sinh học bùn thải chứa nhiều hợp chất khó phân hủy hay chất độc Bùn thải khó phân hủy sinh học đƣợc chia thành nhóm: nhóm có khả xử lý thƣờng nhóm khơng thể xử lý đƣợc.Bùn thải có khả xử lý thƣờng áp dụng phƣơng pháp thu hồi số chất sau thiêu đốt, đóng rắn để tạo sản phẩm phục vụ ngƣời[34].Bùn thải xử lý đƣợc loại bùn chứa chất phóng xạ chất độc dễ phát tán môi trƣờng phải xử lý phƣơng pháp đóng rắn chơn lấp theo quy định Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ 1.1.2.Đặc điểm bùn thải Thành phần bùn: - Hàm lƣợng hợp chất vô hữu cao - Mật độ vi sinh vật cao - Kim loại nặng: As, Cd, Zn, Pb, Cu, Ni, Cr… - Hóa chất hữu tổng hợp - Các chất lơ lửng - Các thành phần khác: tùy ngành cơng nghiệp nhƣ chứa chất phóng xạ, chất độc,… Trong bùn thải có chứa hàm lƣợng chất dinh dƣỡng đƣợc sử dụng nhƣ nguồn nguyên liệu để sinh tổng hợp hợp chất có hoạt tính sinh học tổng hợp nguồn lƣợng mới.Hiện nay, bùn thải đƣợc ứng dụng nhiều không nƣớc phát triển mà nƣớc phát triển nhằm giảm thiểu lƣợng bùn thải đƣợc thải hàng triệu tấn/năm, góp phần bảo vệ mơi trƣờng[16],[18] 1.1.3.Khái qt bùn thải giới Trong năm gần đây, q trình xử lý nƣớc thải với cơng nghệ tiến đƣợc áp dụng nhiều nƣớc để hạn chế ô nhiễm môi trƣờng từ nƣớc thải sinh hoạt, nƣớc thải công nghiệp.Những dừng lại việc xử lý nƣớc thải chƣa triệt để sau trình xử lý nƣớc thải sản phẩm chủ yếu bùn thải, ngun nhân gây nhiễm mơi trƣờng.Q trình xử lý nƣớc thải tạo lƣợng lớn bùn, ƣớc tính chiếm từ 5% đến 25% tổng thể tích nƣớc xử lý Trong q trình xử lý cơng nghệ bùn hoạt tính, khoảng 30 - 40% chất hữu có nƣớc thải chuyển sang dạng bùn hay lƣợng bùn sinh xử lý 1kg COD nƣớc thải khoảng 0,3kg đến 0,5kg bùn Do đó, bùn thải sau trình xử lý nƣớc thải cần đƣợc xử lý sử dụng hiệu Đối nƣớc Châu Âu, lƣợng bùn thải khô đầu ngƣời đƣợc thống kê từ trình xử lý nƣớc sơ cấp thứ cấp khoảng 90g/ngày/ngƣời Ở Anh, có khoảng 30 triệu bùn thải năm, tƣơng đƣơng với 1,2 triệu bùn khơ Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ năm Chi phí cho loại bỏ xử lý bùn khoảng 250 triệu bảng Anh ứng với bảng Anh/đầu ngƣời Sau thực xử lý toàn nƣớc thải thành phố 15 nƣớc cộng đồng Châu Âu vào năm 2005, việc xử lý làm phát sinh thêm khoảng 10,7 triệu bùn khô năm tăng khoảng 38% lƣợng bùn Việc tích lũy tạo lƣợng lớn bùn thải[33] Hình 1.1.Biểu đồ gia tăng bùn thải áp dụng biện pháp xử lý nƣớc thải nƣớc cộng đồng Châu Âu [33] Các thông tin phƣơng pháp cách tiếp cận sử dụng bùn thải sau đƣợc loại bỏ chƣa đƣợc cung cấp cách rõ ràng Ở vài nƣớc Châu Âu, phƣơng pháp loại bỏ bùn chủ yếu chôn lấp tỷ lệ chiếm khoảng 50-75%.Trong đó, bùn thải sử dụng cho nơng nghiệp nhƣ nguồn phân bón chiếm khoảng 25-35% phần nhỏ đƣợc tái sinh[39] Tại Anh, hàng năm có khoảng 18 triệu bùn thải đƣợc bón cho nơng nghiệp nhƣ nguồn phân hữu cơ, nhƣ có khoảng 60% lƣợng bùn thải Hoa Kỳ đƣợc sử dụng cho mùa màng Theo tài liệu Hội đồng liên minh Châu Âu (1999 - 2001) có 40% lƣợng bùn thải nƣớc Châu Âu đƣợc tái sử dụng lại cho nông nghiệp Trung Quốc, trạm xử lý nƣớc thải tạo khoảng 5,5 triệu bùn tính theo trọng lƣợng khơ vào năm 2006 Một phần đáng kể lƣợng bùn đƣợc sử Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ dụng nơng nghiệp phần cịn lại đƣợc chơn lấp thải bỏ theo hình thức khác Trong khứ, việc thải bỏ bùn từ hệ thống xử lý nƣớc thải đƣợc xem nhƣ không tạo vấn đề mơi trƣờng lƣợng bùn thải khơng nhiều việc thải bùn không đƣợc quy định cụ thể Việc chôn lấp bãi chôn lấp không kỹ thuật đƣợc chấp nhận Nhƣng nay, việc xử lý bùn thải đƣợc kiểm tra khắt khe Trong việc chơn lấp bùn thải nƣớc đƣợc xem lựa chọn có chi phí thấp nỗ lực sử dụng bùn thải cách an tồn ích lợi nhƣ dùng cho nông nghiệp thu hồi lƣợng hƣớng mới[32] Tại Nhật Bản, bùn thải từ trạm xử lý nƣớc thải sinh hoạt đƣợc sử dụng để lên men kị khí thu hồi khí metan dùng cho phát điện, cặn bùn đƣợc dùng để sản xuất gạch Block dùng cho lát đƣờng…[34].Ở Tokyo có 13 sở xử lý nƣớc thải sinh hoạt, đƣợc đặt nhiều vị trí thành phố để xử lý nƣớc thải sinh hoạt Nhƣng có sở xử lý lắp đặt hệ thống xử lý bùn thải, sở lại lắp đặt hệ thống xử lý nƣớc thải, bùn thải đƣợc chuyển theo đƣờng ống để đƣa trạm có hệ thống xử lý triệt để bùn thải 1.1.4.Khái quát bùn thải Việt Nam Ngày với phát triển ngành công nghiệp đặc biệt cơng nghiệp chế biến thực phẩm vấn đề chất thải từ ngành mối quan tâm lớn.Tại Việt Nam,đối với ngành chế biến nông sản, lƣơng thực thực phẩm có nhiều cơng trình nghiên cứu cơng nghệ xử lý nƣớc thải, nhiều trạm xử lý nƣớc thải đƣợc xây dựng vào hoạt động để xử lý nƣớc cấp, nƣớc thải cho nhà máy sản xuất bia, mỳ chính, chế biến tinh bột, chế biến nơng sản, chế biến thủy sản Tuy nhiên, tập trung quan tâm đến vấn đề xử lý nƣớc mà chƣa có nhiều nghiên cứu xử lý bùn thải cho trạm xử lý Bùn thải sau xử lý phần lớn đƣợc thu gom chuyển đến bãi chôn lấp dùng làm phân bón cho nơng nghiệp Bên cạnh q trình xử lý nƣớc bùn hoạt tính có khoảng 30 - 40% chất hữu đƣợc chuyển thành dạng bùn, khơng có biện pháp xử lý thích hợp gây tái nhiễm mơi trƣờng Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ Tại Tp Hồ Chí Minh, tổng khối khối lƣợng bùn thải ƣớc tính từ 3.000 – 4.000 m3/ngày đêm (tƣơng đƣơng từ 5.000 - 6.000 tấn/ngày đêm) Bùn thải loại thƣờng đổ xả để có chi phí thấp nhất.Ƣớc tính chi phí xử lý loại bùn khoảng 300.000đồng/tấn dƣới 1.000 tỉ đồng/năm, chí cịn cao Dự báo đến năm 2015 số lƣợng bùn thải tăng lên khoảng triệu tấn/tháng, năm 2020 không dƣới triệu tấn/tháng Trong đó, bùn thải nguy hại có khoảng 250 - 300 tấn/ngày, chƣa kể đến bùn thải từ tỉnh lân cận đƣa thành phố để xử lý từ 150 - 200 tấn/ngày[43].Tp Hồ Chí Minh thực dự án xây dựng nhà máy xử lý bùn Bình Hƣng Hịa Bình Hƣng nhằm mục đích xử lý bùn thải từ nhà máy xử lý nƣớc thải sinh hoạt/đô thị để tái chế thành phân hữu Tuy nhiên, công nghệ áp dụng nhà máy chƣa thực tối ƣu, bùn sau xử lý nặng mùi ảnh hƣởng đến môi trƣờng Tại Hà Nội, bên cạnh việc xả thẳng bùn thải bãi đất trống, tình trạng xả chất thải xuống dịng sơng diễn nghiêm trọng khơngkém Do lƣợng nƣớc thải sinh hoạt nƣớc thải công nghiệp xả trực tiếp khơng đủ làm lƣu thơng dịng chảy, nên chất thải hữu đổ xuống sông lắng chỗ, gây ô nhiễm, khiến cho bốn sông Tô Lịch, Kim Ngƣu, Lừ, Sét trở nên ô nhiễm nghiêm trọng Bên cạnh đó, tiến hành nạo vét sông, khối lƣợng bùn thải khổng�He Zhang, Chao Wang (2008), “ Study of heavy metal in sewage sludge and in Chinese cabbage grown in soil amended with sewage sludge”, African Journal of Biotechnology, 7(9), pp 1329-1334 33 P Przewrocki, J Kulczycka, z Wzorek, Z Wzorek, Z Kowalski, k gorazda, M jodko (2004), “Risk Analysis of Sewage sludge – Poland and EU Comparative Approach”,Polish journal of environmenttal Studies, 13 (2), pp 237 - 244 34 YasudaYasuhiro; “Sewage sludge utilization technology in Tokyo”; Water Science & Technology; 23 (10-12) pp 1743-1752 35 Yezza A., R.D.Tyagi, J.R.Valero, R.Y.Surampalli (2005), “Bioconversion of industrial wastewater and wastewater sludge in Bacillus thuringiensis based biopesticides in pilot fermentor”,Bioresource Technology, 97, pp 1850-1857 36 Vidyarthi AS, Tyagi RD, Valero JR, Surampalli RY (2002), “Studies on the production of Bacillus thuringiensisbased biopesticides using wastewater sludge as a raw material”,Water Res, 36, pp.4850 - 4860 37 Tirado-Montiel ML, Tyagi RD, Valero JR (2001), “Wastewater treatment sludge as a raw material for the production of Bacillus thuringiensis based biopesticides”, Water Res, 35,pp.3807 - 3816 38 Tirado-Montiel ML, Tyagi RD, Valero JR, Surampalli RY (2003),“Production biopesticides using wastewater sludge as a raw material: effect of process parameters”, Water Sci Technol, 48, pp.239 - 246 39 ISWA’s Working Group on Sewage & Waterworks Sludge: Albrecht R Bresters (The Netherlands), Isabelle Coulomb (France), Bela Deak (Hungary), Bernhard Matter (Switzerland), Alice Saabye (Denmark), Ludivico Spinosa (Italy), Ådne Ø Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ 71 Utvik (Norway) (1997),Sludge Treatment and Disposal; Environmental Issues Series, No7 Tài liệu internet 40 http://en.wikipedia.org/wiki/Sludge 41 Partha Das Sharma (2008), Sewage treatment – for recyclingof waste water, use of biosolids and to generate renewable energy for cleaner, safe and greener environment, http:/ saferenvironment.wordpress.com, Novermber 2008 42 Hà Anh, Bắc Hiệp (2011), Ơ nhiễm mơi trƣờng bùn thải: Ngƣời dân ngày xúc, http:/laodong.com.vn, ngày 26/12/2011 43 K.Linh (2012), TP.HCM: Phát sinh lƣợng bùn thải khổng lồ, http:/monre.gov.vn, ngày 10/10/2012 Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ ...ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC Trần Thị Kim Hạnh NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG BÙN THẢI SINH HỌC TỪ NƯỚC THẢI SẢN XUẤT BIA ĐỂ NUÔI CẤY VI KHUẨN BACILLUS THURINGIENSIS SINH ĐỘC TỐ DIỆT SÂU Chuyên... sinh học từ nƣớc thải sản xuất bia để nuôi cấy vi khuẩn Bacillus thuringiensis sinh độc tố diệt sâu? ?? Số hóa trung tâm học liệu http://www.lrc.tnu.edu.vn/ 2 Mục tiêu nghiên cứu: Tái sử dụng chất thải. .. sản xuất bia làm môi trƣờng nuôi cấy vi khuẩn Bacillus thuringiensis - Nghiên cứu yếu tố ảnh hƣởng đến khả sinh trƣởng sinh tổng hợp protein tinh thể Bacillus thuringiensis sử dụng bùn thải sinh