3.4. Xác định ảnh hƣởng của điều kiện nuôi cấy đến sinh trƣởng và sinh tổng hợp amylase của các chủng vi sinh vật tuyển chọn
3.4.1. Ảnh hưởng của pH
Độ pH của môi trường ảnh hưởng rất lớn đến sinh trưởng của vi sinh vật. Các ion H+, OH- là hai loại ion có tác động lớn nhất đến hoạt động của vi sinh vật, những biến đổi dù nhỏ trong nồng độ của chúng cũng có ảnh hưởng mạnh mẽ đến sinh trưởng của vi sinh vật. Vì vậy, việc xác định pH ban đầu và duy trì pH cần thiết trong suốt thời gian sinh trưởng của tế bào là rất quan trọng. Các thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của pH ban đầu của môi trường nuôi cấy lên sinh trưởng của các chủng VK tuyển chọn được thay đổi từ 3 đến 8 ở nhiệt độ 30o
C. Sau 24h, xác định khả năng sinh trưởng và sinh enzyme của hai chủng vi sinh vật tuyển chọn.
Ảnh hưởng của pH đến khả năng sinh trưởng
Bảng 3.6. Ảnh hưởng của pH đến sự sinh trưởng của VSV
pH Tên chủng Giá trị OD (λ=560nm) pH=3 pH=4 pH=5 pH=6 pH=7 pH=8 pH=9 PĐ17 0 0,23 0,87 0,92 1,06 0,7 0,12 DL21 0 0,19 0,81 0,9 1,1 0,63 0,05
Từ kết quả ở bảng 3.6 và hình 3.6 cho thấy các chủng VSV tuyển chọn có thể phát triển trong khoảng pH từ 4 – 8, pH sinh trưởng tốt nhất bằng 7. Khả năng sinh trưởng của các chủng VSV tăng dần khi tăng pH từ 5 - 7, sau đó thì bắt đầu giảm. Ở pH = 9, chúng phát triển rất kém. Vậy, cả hai chủng VSV tuyển chọn đều thuộc nhóm vi sinh vật ưa trung tính. Theo kết quả đánh giá ban đầu về nước thải làng nghề chế biến tinh bột thì pH của nước thải chưa qua xử lý nằm trong khoảng 5,5 – 6,5, do vậy các chủng VSV tuyển chọn hồn tồn có thể sinh trưởng và phát triển được trong môi trường này.
Ảnh hưởng của pH lên khả năng sinh amylase
Bảng 3.7. Hoạt tính sinh enzyme amylase ở các độ pH khác nhau của môi trường
Chủng pH Đường kính vịng phân giải (cm)
TBS TBC PĐ17 4 0 0 5 3 3,2 6 3 3,2 7 3 3,2 8 3 3,2 9 1,7 2 DL21 4 0 0 5 3 3,1 6 3 3,1 7 3 3,1 8 2,9 3 9 2,1 2,3
Kết quả ở bảng 3.7 cho thấy khả năng sinh amylase của hai chủng VSV tuyển chọn khá ổn đinh trong khoảng pH từ 5 – 8, còn ở các giá trị pH thấp hơn 5, chúng khơng có khả năng sinh amylase. Khi pH của môi trường chuyển dần sang
CHỦNG 17 CHỦNG 17
CHỦNG 21 CHỦNG 21
Hình 3.7. Hoạt tính sinh amylase ở các độ pH khác nhau.
3.4.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ
Nhiệt độ là một yếu tố tác động trực tiếp đến khả năng sinh trưởng và phát triển của VSV. Mỗi chủng VSV đều có một khoảng nhiệt độ tối ưu khác nhau, ở đó chúng có khả năng phát triển và sinh trưởng tốt nhất. Ở nhiệt độ thấp VSV thường
nhiệt độ cao làm biến đổi cấu trúc hệ enzyme, khiến hệ enzyme bị bất hoạt, VSV dễ dàng bị tiêu diệt. Do vậy, cần phải đánh giá tác động của nhiệt độ đến sinh trưởng và sinh tổng hợp các enzyme của các chủng vi sinh vật tuyển chọn. Thí nghiệm được tiến hành ở các mức nhiệt độ: 15o
C, 20oC, 25oC, 30oC, 35oC, 40oC, thời gian nuôi cấy 24h.
Ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng sinh trưởng
Dịch môi trường sau nuôi cấy được tiến hành đo OD để xác định khả năng sinh trưởng. Kết quả thí nghiệm được thể hiện ở bảng 3.8 và hình 3.8.
Bảng 3.8. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng sinh trưởng của VSV
Nhiệt độ Chủng Giá trị OD (λ=560nm) 15oC 20oC 25oC 30oC 35oC 40oC PĐ17 0,11 0,3 0,43 0,61 0,75 0,43 DL21 0,09 0,23 0,32 0,57 0,7 0,4
Hình 3.8. Sinh trưởng của VSV ở các mức nhiệt độ nuôi cấy khác nhau
Kết quả cho thấy khả năng sinh trưởng của hai chủng vi sinh vật tuyển chọn tăng khi tăng nhiệt độ nuôi cấy tăng từ 15 - 35o
nhiệt độ phù hợp cho sinh trưởng của hai chủng vi sinh vật tuyển chọn từ 30 - 35oC. Như vậy, hai chủng vi sinh vật tuyển chọn thuộc nhóm vi sinh vật ưa ấm.
Ảnh hưởng của nhiệt độ lên khả năng sinh amylase của VSV
Khả năng sinh amylase được xác định trên mơi trường TBS và TBC, kết quả thí nghiệm được thể hiện ở bảng 3.9, hình 3.9 và hình 3.10.
Bảng 3.9. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên khả năng sinh amylase của VSV tuyển chọn
Tên chủng Ni cấy ở nhiệt độ o C
Đường kính vịng phân giải (cm)
TBS TBC PĐ17 15 - - 20 1,8 1,5 25 2,5 2 30 3,1 2,8 35 3,3 3 40 2,4 2 DL21 15 - - 20 2,1 1,3 25 2,8 2,3 30 3,2 2,8 35 3,4 3 40 2,7 2,5
Hình 3.9. Khả năng sinh enzyme của chủng PD17 ở các mức nhiệt độ nuôi cấy khác nhau nuôi cấy khác nhau
Hình 3.10. Hoạt tính sinh amylase của chủng DL21 ở các mức nhiệt độ nuôi cấy khác nhau nuôi cấy khác nhau
CHỦNG PĐ17 CHỦNG PĐ17
Hình 3.11. Hoạt tính sinh amylase ở các mức nhiệt độ nuôi cấy khác nhau
Nhiệt độ không những tác động đến khả năng sinh trưởng của các chủng vi sinh vật tuyển chọn, nó cịn tác động đến khả năng sinh enzyme. Kết quả ở bảng 10
cho thấy: hoạt tính enzyme tăng dần khi nhiệt độ tăng dần từ 15 – 35oC. Ở 40oC cả hai chủng vi sinh vật tuyển chọn sinh trưởng yếu và hoạt tính amylase cũng bị giảm.
Từ các kết quả nghiên cứu thu được cho thấy các chủng vi sinh vật tuyển chọn có một số đặc tính cơ bản sau:
- Nhiệt độ sinh trưởng từ 30 – 35oC.
- Khả năng thích ứng pH mơi trường rộng 4,5 – 8.
- Hai chủng VK tuyển chọn đều có khả năng sinh amylase cao trong mơi trường có nguồn cacbon là bột xenluloza, casein và bột CMC – Na
- Hai chủng VK tuyển chọn thuộc nhóm Bacillus subtillis và Bacillus licheniform với ID đạt 91,3% và 92%.
Vì vậy, các chủng vi khuẩn đã tuyển chọn ở trên có thể áp dụng vào cơng nghệ xử lý nước thải làng nghề chế biến tinh bột.
3.5. Nghiên cứu xử lý nƣớc thải làng nghề chế biến tinh bột bằng phƣơng pháp bùn hạt hiếu khí qui mơ phịng thí nghiệm
Để có thể ứng dụng các chủng VK đã tuyển chọn vào quá trình xử lý nước thải chế biến tinh bột có hiệu quả, chúng tơi đã tiến hành đánh giá khả năng xử lý nước thải chế biến tinh bột của các chủng VSV tuyển chọn trong thiết bị thí nghiệm bùn hạt hiếu khí SBR.
Quá trình khởi động hệ thống được tiến hành như sau: Bể SBR được vận hành tự động theo chu kỳ lập trình sẵn. Mỗi chu kỳ hoạt động là 4h (tương ứng với 8 chu kỳ/ngày) gồm 4 pha: bơm nước thải vào, sục khí, lắng và xả nước thải ra. Tỉ lệ giống bổ sung là 10%V. Nồng độ bùn hoạt tính (MLSS) ban đầu là 3510 mg/l, chỉ số bùn SVI là 30 ml/g. Khi nồng độ MLSS vượt quá 5000mg/l, một lượng bùn nhất định được rút bớt khỏi hệ để duy trì nồng độ MLSS trong bể sục khí ở trong khoảng 4500 – 5000mg/l. Quá trình khởi động được thực hiện ở mức tải lượng COD ban đầu là 2,5 kg – COD/m3.ngày. Quá trình khởi động hệ thống cũng như q trình thí nghiệm ổn định sau này được tiến hành ở điều kiện:
- pH: pH = 6,3 – 7,5
- Nhiệt độ: nhiệt độ phòng (25 – 32oC) - DO = 10,6 mg/l
Để có thể đánh giá được tính ổn định của hệ thống, các thí nghiệm được thực hiện trong một khoảng thời gian đủ dài, tối thiểu 60 ngày, các thông số pH, DO, MLSS được theo dõi thường xuyên để điều chỉnh và duy trì trong giới hạn mong muốn.
3.5.1. Kiểm tra tính đối kháng của các chủng vi khuẩn tuyển chọn để sử dụng vào quá trình xử lý nước thải chế biến tinh bột dụng vào quá trình xử lý nước thải chế biến tinh bột
Từ kết quả nghiên cứu cho thấy 2 chủng vi khuẩn (PD17 và DL21) có thể sử dụng để bổ sung vào hệ thống xử lý nước thải, vì vậy chúng tơi tiến hành kiểm tra tính đối kháng giữa các chủng này để kiểm tra xem trong quá trình sinh trưởng và phát triển chúng ức chế nhau khơng. Tiến hành thử tính đối kháng của 2 chủng tuyển chọn trên môi trường MPA. Hai chủng vi khuẩn (PD17 và DL21) được cấy thành các đường thẳng và mỗi chủng đều cắt nhau tại nhiều điểm, sau được nuôi cấy trong tủ ấm ở 35oC và sau 24h lấy ra đọc kết quả. Nếu tại các điểm cắt nhau của mỗi chủng vẫn phát triển bình thường thì các chủng vi sinh vật tuyển chọn trên không đối kháng nhau và ngược lại nếu tại các điểm cắt mà chúng khơng phát triển được thì chúng có tính đối kháng. Quan sát hình 3.12 cho thấy cả 2 chủng VSV tuyển chọn đều phát triển bình thường tại các điểm giao nhau, khơng có sự ức chế phát triển giữa các chủng, vì vậy hồn tồn có thể sử dụng chúng để bổ sung vào qui trình xử lý nước thải chế biến tinh bột.
3.5.2. Sự phát triển của các chủng vi sinh vật tuyển chọn trong quá trình tạo bùn hạt hiếu khí bùn hạt hiếu khí
Bùn hạt hiếu khí được khởi động trên cơ sở tạo bùn hoạt tính truyền thống, lượng giống vi sinh vật bổ sung 10% giống đã được kích hoạt trên mơi trường chuẩn. Bể phản ứng dùng để nuôi cấy bùn hạt hiếu khí tại tải trọng 2 – 2,5 kgCOD/m3.ngày. Để theo dõi sự sinh trưởng của vi sinh vật trong quá trình tạo bùn hạt, mẫu được lấy hàng ngày và phân tích mật độ vi sinh vật. Kết quả được trình bày ở bảng 3.10.
Bảng 3.10. Mật độ vi sinh trong bùn hạt hiếu khí
Ngày Mơi trƣờng 15/10 19/10 23/10 26/10 28/10 30/10 02/11 05/11 07/11 12/11 TBS (CFU/ml) 2,0.10 7 2,8.108 3,4.108 4,0.109 4,5.109 5,5.1010 7,0.1010 7,5.1010 5,0.1011 6,7.1011 Xenluloza (CFU/ml) 4,3.10 5 4,0.107 7,5.107 2,1.108 6,2.108 8,0.108 8,8.108 6,7.108 7,1.108 7,8.108 VSV tổng số (CFU/ml) 3,2.10 8 3,7.108 4,1.109 4,8.109 5,5.1010 6,1.1010 6,8.1010 7,2.1011 7,0.1011 7,5.1011
Từ bảng trên cho thấy mật độ vi sinh vật trong hạt bùn duy trì ở mức khá cao và tăng dần theo thời gian. Qua đó chứng tỏ các chủng vi sinh vật tuyển chọn khi bổ sung vào hệ SBR có thể tồn tại và phát triển mạnh mẽ trong hạt bùn, từ đó có thể xử lý các chất ơ nhiễm có trong nước thải của làng nghề chế biến tinh bột.
3.5.3. Sự hình thành và phát triển của bùn hạt hiếu khí
Sau khi bùn thích nghi, thì bắt đầu giai đoạn tạo hạt cho đến khi hạt trưởng thành, sau khi hạt trưởng thành tiến hành duy trì tải trọng để khảo sát các đặc tính của bùn hạt. Bùn giống được cho vào mơ hình với nồng độ MLVSS khoảng 600mg/l. Khi hiệu quả khử COD đạt hơn 80%, COD đầu ra luôn nhỏ hơn 150mg/l,
bùn trong mơ hình có màu sắc thay đổi. Bùn giống có màu nâu đen, bùn thích nghi và chuyển sang màu nâu đỏ và dần dần chuyển sang màu vàng cam. Bùn thích nghi lắng tốt, bông bùn lớn, khả năng lắng của bùn gia tăng nhẹ. Sau ba tuần vi sinh trong bùn giống dường như thích nghi với nước thải mới, hiệu quả loại bỏ chất hữu cơ cao hơn 90%. Lúc này trong mơ hình xuất hiện một số hạt nhỏ màu trắng nhưng bùn ở dạng bông vẫn chiếm ưu thế (hình 3.13). Điều này chứng tỏ các tế bào vi khuẩn đã hình thành và có xu hướng kết hợp lại với nhau và bắt đầu hình thành hạt.
Hình 3.13. Bùn hạt hiếu khí sau 3 tuần
Vào đầu tuần thứ 4, lúc này toàn bộ sinh khối bùn có màu sắc thay đổi rõ rệt chuyển từ màu nâu đỏ đậm sang màu nâu đỏ nhạt có lẫn màu vàng. Nếu quan sát kỹ sẽ thấy có những hạt nhỏ trong khối bùn và chiếm đa số trong khối bùn, cịn lại chỉ có một lượng bơng bùn nhỏ trong sinh khối. Như vậy là đã có sự tích lũy một lượng lớn sinh khối trong bể phản ứng. Khi quan sát kỹ bùn trong bể phản ứng ta thấy các hạt chiếm đa số, những hạt có kích thước dao động từ 0,1 – 0,2 mm, có những hạt có kích thước 0,5 – 0,6mm. Đối với những hạt nhỏ hơn 0,1 mm thì có màu trắng dường như trong suốt, cịn đối với những hạt có kích thước 0,1 – 0,2 mm thì hạt chia làm 2 phần: bên ngồi có màu trắng như những hạt có kích thước nhỏ hơn 0,1
mm, phần bên trong hình thành nhân như nhân của hạt có màu nâu đậm, cịn những hatk có kích thước 0,5 – 1 mm thì hạt chỉ quan sát thấy một màu nâu (Hình 3.14).
Tuần 1 Tuần 4
Hình 3.14. Sự phát triển của bùn hạt qua 4 tuần
3.5.4. Kết quả xử lý nước thải làng nghề chế biến tinh bột bằng phương pháp bùn hạt hiếu khí qui mơ phịng thí nghiệm pháp bùn hạt hiếu khí qui mơ phịng thí nghiệm
Sau giai đoạn hình thành và phát triển hạt bùn hiếu khí đã đi vào hoạt động ổn định, tiến hành lấy mẫu nước thải làng bún Phú Đơ để phân tích và đánh giá hiệu quả xử lý nước thải bằng phương pháp xử lý hiếu khí theo mẻ (SBR).
3.5.4.1. Hiệu quả xử lý COD
Đánh giá hiệu quả xử lý COD trong nước thải làng nghề chế biến tinh bột bằng phương pháp xử lý hiếu khí theo mẻ (SBR) ở các nồng độ khác nhau, tiến hành điều chỉnh nồng độ COD trong nước thải đầu vào. Nồng độ COD được điều chỉnh tăng lên bằng cách thêm tinh bột sống hoặc pha loãng bằng nước cất.
Giá trị COD nước thải sau khi xử lý có sự giảm đều theo thời gian hay nói cách khác hiệu quả xử lý chất hữu cơ tăng lên theo thời gian. Điều này có thể lý giải do các vi khuẩn trong bể phản ứng tăng nhanh. Hiệu quả xử lý COD được thể hiện qua hình 3.15.
Hình 3.15. Hiệu quả xử lý COD trong nước thải làng nghề chế biến tinh bột
Từ kết quả thí nghiệm ở hình 3.15 cho thấy hiệu quả xử lý COD chỉ đạt 74% khi bắt đầu tiến hành xử lý nước thải làng nghề chế biến tinh bột. Sau đó hiệu suất xử lý đạt được tăng đều và ổn định dao động trong khoảng 85 – 94%. Sau 40 ngày vận hành, giá trị COD đầu ra là 148mg/l thấp hơn tiêu chuẩn nước thải loại B được quy định trong QCVN 40:2011/BTNMT, hiệu quả đạt cao nhất 94% vào các ngày từ 40 – 50.
3.5.4.2. Hiệu quả xử lý amoni trong nước thải
Theo khảo sát hàm lượng N – NH4+
trong nước thải làng nghề chế biến tinh bột là rất cao từ 47 – 50 mg/l. Hiệu quả xử lý N – NH4+ trong nước thải làng nghề chế biến tinh bột được thể hiện qua hình 3.16.
Từ kết quả thí nghiệm trên hình 3.16 cho thấy những ngày đầu khi tiến hành thí nghiệm với nước thải làng bún Phú Đô cho thấy khả năng xử lý amoni của bùn hạt chỉ đạt 61%, nồng độ N – NH4+ đầu ra tương ứng là từ 18,6 mg/l. Sau 38 ngày, khả năng xử lý N – NH4+
của bùn hạt đã giảm rõ rệt từ 18,6 mg/l xuống 10,01 mg/l và đạt 81%. Hiệu quả xử lý N – NH4+ của bùn hạt tiếp tục giảm trong 2 ngày tiếp theo (từ ngày thứ 38 đến ngày thứ 40) xuống còn 9,82 mg/l. Từ ngày thứ 40 trở đi tốc độ xử lý N – NH4+
của bùn hạt tiếp tục giảm nhẹ và ổn định. Như vậy, hiệu quả xử lý N – NH4+ trong nước thải làng nghề chế biến tinh bột của bùn hạt hiếu khí phù hợp với tiêu chuẩn nước thải loại B được quy định tại QCVN 40:2011/BTNMT.
3.5.4.3. Khả năng loại bỏ nitơ trong nước thải chế biến tinh bột
Nitơ trong nước thải cao chảy vào sông, hồ làm tăng hàm lượng chất dinh dưỡng. Do vậy nitơ gây ra sự phát triển mạnh mẽ của các loại thực vật phù du như