Luận án Nghiên cứu áp dụng công nghệ vi sinh vật để xử lý chất thải làng nghề sản xuất tinh bột dong riềng và miến dong

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN NHƢ NGỌC NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ VI SINH VẬT ĐỂ XỬ LÝ CHẤT THẢI LÀNG NGHỀ SẢN XUẤT TINH BỘT DONG RIỀNG VÀ MIẾN DONG LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ SINH HỌC Hà Nội –2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN NHƢ NGỌC NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ VI SINH VẬT ĐỂ XỬ LÝ CHẤT THẢI LÀNG NGHỀ SẢN XUẤT TINH BỘT DONG RIỀNG VÀ MIẾN DONG Chuyên ngành: Công nghệ sinh học Mã số: 62420201 LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ SINH HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC GS.TS. Nguyễn Văn Cách Hà Nội – 2017 i LỜI CAM ÐOAN Tôi xin cam đoan: Toàn bộ nội dung đƣợc công bố trong luận án này là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân tôi. Các số liệu và kết quả nghiên cứu đƣợc trình bày trong luận án này là hoàn toàn trung thực và chƣa từng đƣợc công bố trong bất cứ công trình nào, ngoài những bài báo và tài liệu tham khảo đã công bố trong luận án. Tôi xin chịu trách nhiệm về toàn bộ nội dung nghiên cứu của Luận án này. Hà Nội, ngày tháng năm 2017 Giáo viên hƣớng dẫn Tác giả GS.TS. Nguyễn Văn Cách Nguyễn Như Ngọc ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên tôi xin đƣợc bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới GS. TS. Nguyễn Văn Cách, ngƣời thầy đã định hƣớng khoa học, hƣớng dẫn và giúp đỡ tận tình, tạo điều kiện tốt nhất trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu để tôi có thể hoàn thành luận án này. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới những sự giúp đỡ, chỉ bảo tận tình của PGS. TS. Trần Liên Hà cùng những đóng góp ý kiến quý báu của các nhà khoa học cho tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy giáo, cô giáo Viện Công nghệ sinh học và Công nghệ thực phẩm, Viện Đào tạo sau Đại học - Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập cũng nhƣ thực hiện công trình này. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô Bộ môn Vi sinh – Hóa sinh – Sinh học phân tử, Viện Công nghệ Sinh học và Công nghệ Thực phẩm, Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội với những góp ý thiết thực trong suốt quá trình tôi làm luận án Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới trƣờng Đại Học Lâm Nghiệp, cơ quan đã tạo điều kiện thuận lợi để tôi có thể tham gia học tập và hoàn thành luận án này. Cuối cùng, tôi xin đƣợc gửi lời cảm ơn đặc biệt tới ngƣời thân trong gia đình tôi và bạn bè, đồng nghiệp đã luôn bên cạnh, chia sẻ những khó khăn và luôn cổ vũ, động viên để tôi hoàn thành luận án. Hà Nội, ngày tháng năm 2017 Nghiên cứu sinh Nguyễn Như Ngọc iii MỤC LỤC LỜI CAM ÐOAN ............................................................................................................... ...i LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................... ..ii MỤC LỤC.....iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT..vi DANH MỤC BẢNG.vi DANH MỤC HÌNH .......................................................................................................... ...ix MỞ ĐẦU ............................................................................................................................. ..1 1. Tính cấp thiết của đề tài.................................................................................................. ..1 2. Mục tiêu của luận án....................................................................................................... ..2 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu .................................................................................. ..3 4. Nội dung nghiên cứu ...................................................................................................... ..3 4.1. Xử lý nƣớc thải ............................................................................................................. ..3 4.2. Xử lý bã thải ................................................................................................................ ..3 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ........................................................................ ..3 6. Kết quả khoa học đạt đƣợc và đóng góp mới của luận án .............................................. ..4 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ............................................................................. ..5 1.1. Thực trạng nguyên liệu, quy trình sản xuất và môi trƣờng làng nghề sản xuất tinh bột dong riềng miến dong .......................................................................................................... ..5 1.1.1. Nguồn nguyên liệu sản xuất ..................................................................................... ..5 1.1.2. Công nghệ sản xuất tinh bột dong riềng và miến dong ............................................ ..7 1.1.3. Ô nhiễm môi trƣờng làng nghề sản xuất tinh bột dong riềng.................................... ..9 1.2. Thành phần đặc tính chất thải ngành sản xuất tinh bột ............................................... 12 1.2.1. Trên thế giới .............................................................................................................. 13 1.2.2. Ở Việt Nam ............................................................................................................. 14 1.3. Giải pháp công nghệ xử lý chất thải ngành sản xuất tinh bột ..................................... 17 1.3.1. Cơ sở khoa học của giải pháp sinh học xử lý nƣớc thải ............................................ 17 1.3.2. Vai trò và ứng dụng chế phẩm vi sinh vật trong xử lý nƣớc thải ............................ 28 1.3.3. Các giải pháp công nghệ xử lý chất thải sản xuất tinh bột ...................................... 30 1.4. Phân tích lựa chọn giải pháp công nghệ để xử lý chất thải làng nghề chế biến tinh bột dong riềng và miến dong ..................................................................................................... 38 1.4.1. Xử lý nƣớc thải làng nghề sản xuất tinh bột dong riềng ......................................... 39 1.4.2. Ứng dụng bã thải dong riềng để sản xuất các sản phẩm có giá trị khác ............................40 iv CHƢƠNG 2. VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...................................... 42 2.1. Đối tƣợng và vật liệu nghiên cứu ................................................................................. 42 2.1.1. Đối tƣợng nghiên cứu ................................................................................................ 42 2.1.2. Vật liệu và hóa chất nghiên cứu ................................................................................ 42 2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu .............................................................................................. 43 2.2.1. Phƣơng pháp lấy mẫu, bảo quản và xử lý mẫu ......................................................... 43 2.2.2. Phƣơng pháp phân tích các thông số nƣớc thải ......................................................... 43 2.2.3. Phƣơng pháp phân lập, tuyển chọn, định danh vi sinh vật ........................................ 46 2.2.5. Phƣơng pháp khảo sát và tối ƣu các thông số nuôi cấy để thu sinh khối các chủng vi sinh vật ................................................................................................................................ 49 2.2.6. Phƣơng pháp tạo chế phẩm vi sinh vật ..................................................................... 51 2.2.7. Xử lý nƣớc thải làng nghề với chế phẩm vi sinh vật bản địa tạo thành .................... 52 2.2.8. Ứng dụng bã thải để nuôi trồng nấm ăn .................................................................... 54 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...................................................................... 56 3.1. Đặc tính nƣớc thải làng nghề sản xuất tinh bột dong riềng .......................................... 56 3.2. Phân lập và tuyển chọn chủng vi khuẩn bản địa có đặc tính thích ứng để xử lý nƣớc thải làng nghề sản xuất tinh bột dong riềng ........................................................................ 57 3.2.1. Phân lập và tuyển chọn các chủng vi khuẩn ............................................................. 57 3.2.2. Xác định lƣợng SS kéo theo bùn hoạt tính khi bổ sung các chủng vi khuẩn đƣợc tuyển chọn để xử lý nƣớc thải làng nghề sản xuất tinh bột dong riềng ............................... 63 3.2.3. Kết quả định tên các chủng vi khuẩn đƣợc tuyển chọn............................................. 65 3.3. Điều kiện nuôi cấy để thu sinh khối các chủng vi khuẩn đƣợc tuyển chọn ............................69 3.3.1. Nuôi cấy thu sinh khối các chủng đƣợc tuyển chọn trong bình nón ......................... 69 3.3.2. Lên men thu sinh khối các chủng đƣợc tuyển chọn trong môi trƣờng thay thế quy mô phòng thí nghiệm ................................................................................................................. 79 3.3.3. Lên men thu sinh khối các chủng đƣợc tuyển chọn trong thiết bị lên men thể tích 5 lít........ ................................................................................................................................. 81 3.4. Tạo chế phẩm vi sinh vật từ các chủng đƣợc tuyển chọn ............................................ 82 3.4.1. Lựa chọn chất mang .................................................................................................. 82 3.4.2. Thành phần các vi sinh vật nghiên cứu trong chế phẩm ........................................... 83 3.4.3. Tỉ lệ phối trộn dịch sinh khối với chất mang ............................................................ 84 3.4.4. Xác định nhiệt độ sấy chế phẩm ............................................................................... 84 3.4.5. Bao gói và bảo quản chế phẩm ................................................................................. 85 3.4.6. Sơ đồ quy trình tạo chế phẩm vi sinh vật .................................................................. 86 v 3.5. Thử nghiệm năng lực xử lý nƣớc thải làng nghề sản xuất tinh bột dong riềng của chế phẩm ................................................................................................................................. 87 3.5.1. Thử nghiệm ở quy mô bình nón thể tích 500 ml ....................................................... 87 3.5.2. Thử nghiệm ở quy mô bình xử lý gián đoạn thể tích 5 lít ......................................... 88 3.5.3. Các yếu tố ảnh hƣởng tới hiệu suất xử lý nƣớc thải làng nghề sản xuất tinh bột dong riềng của chế phẩm .............................................................................................................. 89 3.6. Ứng dụng chế phẩm vi sinh vật để xử lý nƣớc thải làng nghề sản xuất tinh bột dong riềng ở hiện trƣờng .............................................................................................................. 98 3.7. Đề xuất quy trình công nghệ xử lý nƣớc thải làng nghề sản xuất tinh bột dong riềng và miến dong .......................................................................................................................... 102 3.8. Ứng dụng bã thải dong riềng để nuôi trồng nấm sò trắng (Pleurotus florida) ........... 103 3.8.1. Thành phần bã dong riềng ....................................................................................... 103 3.8.2. Khả năng phát triển của nấm sò trắng trên bã dong riềng so với giá thể khác ........ 104 3.8.3. Hàm lƣợng các chất trong nấm sò nuôi trồng trên bã dong riềng .......................... 107 3.8.4. Hiệu quả kinh tế thu đƣợc từ nuôi trồng nấm sò trắng ............................................ 108 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................................... 110 Kết luận ............................................................................................................................. 110 Kiến Nghị .......................................................................................................................... 111 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT Ký tự Tiếng Anh Tiếng việt ABR Anaerobic baffled reactor Thiết bị phản ứng kỵ khí vách ngăn BOD Biochemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy sinh hóa BTNMT Bộ Tài nguyên và Môi trƣờng COD Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hóa học DNA Deoxyribonucleic acid Axit deoxiribonucleic ĐHBKHN Đại học Bách Khoa Hà Nội IFBBR Thiết bị phản ứng phủ lấp màng sinh học lỏng ngƣợc dòng KCB Khoáng cơ bản MLSS Mixed Liquor Suspended Solid Chất rắn huyền phù trong hỗn hợp MLVSS Mixed Liquor Volatile Suspended Solid Chất rắn huyền phù bay hơi OBS Không bổ sung chế phẩm PTN Phòng thí nghiệm PCR Polymerase chain reaction Phản ứng khuếch đại gen QCVN Quy Chuẩn Việt Nam SS Suspended Solid Chất rắn lơ lửng SVI Sludge Volume Index Chỉ số thể tích bùn lắng TCCP Tiêu chuẩn cho phép TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TN Total Nitrogen Nitơ tổng TP Total phosphorus Phospho tổng Vpl Thể tích pha loãng W2E Waste to Energy Chất thải thành năng lƣợng W Độ ẩm ĐC Đối chứng vii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Thành phần hóa học của củ dong riềng tƣơi ....................................................... ..5 Bảng 1.2: Lƣợng nguyên liệu đầu vào và lƣợng chất thải rắn ở làng nghề Dƣơng Liễu .... 10 Bảng 1.3: Chỉ tiêu của nƣớc thải tại nhà máy sản xuất tinh bột ở Ấn độ ............................ 13 Bảng 1.4: Các chỉ tiêu của nƣớc thải ở một số nhà máy sản xuất tinh bột ......................... 13 Bảng 1.5: Giá trị các thông số ô nhiễm của nƣớc thải từ quá trình chế biến tinh bột ......... 14 Bảng 1.6: Tải lƣợng các chất ô nhiễm ở một số làng nghề ................................................. 15 Bảng 1.7: Chất lƣợng nƣớc thải ở một số xóm ở Dƣơng Liễu ............................................ 15 Bảng 1.8: Đặc tính nƣớc thải ở làng nghề sản xuất miến dong và không sản xuất............. 16 Bảng 2.1: Thành phần phản ứng PCR: ................................................................................ 48 Bảng 3.1: Chất lƣợng nƣớc thải đầu nguồn và trên dòng thải ở làng nghề chế biến tinh bột Minh Hồng, Minh Quang, Ba Vì, Hà Nội ........................................................................... 56 Bảng 3.2: Hoạt tính enzyme của các chủng vi khuẩn đƣợc tuyển chọn .............................. 58 Bảng 3.3: Giá trị thông số của bùn hoạt tính từ các chủng vi khuẩn đƣợc tuyển chọn ....... 61 Bảng 3.4: Năng lực xử lý màu nƣớc thải làng nghề sản xuất tinh bột dong riềng của các chủng vi khuẩn đƣợc tuyển chọn ........................................................................................ 62 Bảng 3.5. Giá trị các chỉ số nƣớc thải trƣớc lọc và sau lọc khi xử lý với các chủng đƣợc tuyển chọn ........................................................................................................................... 64 Bảng 3.6: Hình thái khuẩn lạc và đặc điểm sinh hóa của các chủng đƣợc tuyển chọn ....... 65 Bảng 3.7: Kết quả định danh bằng kit API 50 CHB của các chủng đƣợc tuyển chọn ........ 67 Bảng 3.8: Bảng ma trận thực nghiệm quá trình lên men thu sinh khối chủng NT1 ............ 76 Bảng 3.9: Bảng phƣơng sai Anova của mô hình ................................................................. 77 Bảng 3.10: Mật độ tế bào của 3 chủng đƣợc tuyển chọn ở các môi trƣờng lên men thay thế....... ................................................................................................................................. 80 Bảng 3.11: Mật độ vi sinh trên chất mang .......................................................................... 83 Bảng 3.12: Ảnh hƣởng của thành phần chủng tới hiệu suất xử lý nƣớc thải và khả năng lắng của bùn hoạt tính ......................................................................................................... 84 Bảng 3.13: Tỉ lệ phối trộn dịch sinh khối với chất mang .................................................... 84 Bảng 3.14: Ảnh hƣởng của nhiệt độ sấy chế phẩm ............................................................. 85 Bảng 3.15: Điều kiện bao gói và bảo quản chế phẩm ......................................................... 86 Bảng 3.16: Giá trị SVI, MLSS, MLVSS của bùn tạo thành ............................................... 87 Bảng 3.17: Các giá trị bùn hoạt tính tạo thành .................................................................... 89 Bảng 3.18: Đặc tính nƣớc thải làng nghề trƣớc khi xử lý ................................................... 89 Bảng 3.19: Ảnh hƣởng của pH đến hiệu xuất xử lý nƣớc thải ........................................... 91 viii Bảng 3.20: Ảnh hƣởng của tốc độ cấp khí đến hiệu suất xử lý ........................................... 93 Bảng 3.21: Ảnh hƣởng của thời gian lƣu nƣớc đến hiệu suất xử lý .................................... 94 Bảng 3.22: Các thông số nƣớc thải trên hệ thống xử lý 35 lít ............................................. 97 Bảng 3.23: Đầu vào nƣớc thải ở bể xử lý tích hợp 5 chức năng ......................................... 98 Bảng 3.24: Giá trị các thông số của nƣớc thải trong giai đoạn vận hành khởi động .......... 99 Bảng 3.25: Chất lƣợng nƣớc thải đầu ra và MLSS khi có bổ sung chế phẩm Bacillus bản địa .............................................................................................................................. 100 Bảng 3.26: Chất lƣợng nƣớc xả thải theo Quy chuẩn Việt Nam ...................................... 101 Bảng 3.27: Thành phần hóa học của bã dong riềng .......................................................... 103 Bảng 3.28: Khả năng phát triển của hệ sợi trên các nguồn cơ chất .................................. 104 Bảng 3.29: Tỉ lệ nhiễm và đặc điểm của hệ sợi nấm sò trên các nguồn cơ chất ............... 104 Bảng 3.30: Thời gian hình thành quả thể và năng suất nấm sò trắng ............................... 105 Bảng 3.31: Ảnh hƣởng của nguồn phụ gia tới sự phát triển hệ sợi nấm sò trắng ............. 106 Bảng 3.32: Ảnh hƣởng của nồng độ nƣớc vôi tới sự phát triển hệ sợi và năng suất quả thể .............................................................................................................................. 107 Bảng 3.33: Hàm lƣợng các chất trong nấm sò trắng tƣơi trồng trên bã dong ................... 107 ix DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Hình ảnh cây và củ dong riềng ........................................................................... ..5 Hình 1.2: Sơ đồ công nghệ sản xuất tinh bột dong riềng kèm dòng thải ............................ ..8 Hình 1.3: Một số hình ảnh nƣớc thải và bã thải làng nghề sản xuất tinh bột dong riềng.... 12 Hình 1.4: Quá trình hấp thu và chuyển hóa các chất hữu cơ vào tế bào vi khuẩn .............. 18 Hình 1.5: Quá trình chuyển hóa các hợp chất hữu cơ trong nƣớc thải ............................... 18 Hình 1.6: Sơ đồ chuyển hóa các chất trong quá trình phân giải kỵ khí .............................. 19 Hình 1.7: Quá trình chuyển hóa các chất trong quá trình phân giải hiếu khí ...................... 20 Hình 1.8: Cơ chế của quá trình hiếu khí gồm 3 giai đoạn .................................................. 21 Hình1.9: Quá trình bùn hoạt tính ........................................................................................ 22 Hình 1.10: Sơ đồ cấu trúc vận hành của công nghệ xử lý nƣớc thải sử dụng bùn hoạt tính ........23 Hình 1.11: Biểu đồ chi phí của hệ thống xử lý sinh học nƣớc thải sử dụng bùn hoạt tính . 24 Hình 1.12: Chi phí tiêu hao điện năng trong hệ thống xử lý sinh học bùn hoạt tính25 Hình 1.13: Nguyên lý chuyển hóa vi sinh các chất ô nhiễm trong xử lý nƣớc thải ............ 26 Hình 1.14: Cơ chế tóm tắt quá trình ôxy hóa – khử sinh học trong xử lý nƣớc thải 26