Luận văn Nghiên cứu tuyển chọn một số chủng vi sinh vật bổ sung vào quá trình tạo bùn hạt hiếu khí để xử lý nƣớc thải chế biến tinh bột

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---------- NGUYỄN NGỌC ÁNH NGHIÊN CỨU TUYỂN CHỌN MỘT SỐ CHỦNG VI SINH VẬT BỔ SUNG VÀO QUÁ TRÌNH TẠO BÙN HẠT HIẾU KHÍ ĐỂ XỬ LÝ NƢỚC THẢI CHẾ BIẾN TINH BỘT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2016 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- NGUYỄN NGỌC ÁNH NGHIÊN CỨU TUYỂN CHỌN MỘT SỐ CHỦNG VI SINH VẬT BỔ SUNG VÀO QUÁ TRÌNH BÙN HẠT HIẾU KHÍ ĐỂ XỬ LÝ NƢỚC THẢI CHẾ BIẾN TINH BỘT Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trƣờng Mã số: 60 52 03 20 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Tăng Thị Chính TS. Trần Thị Huyền Nga Hà Nội - 2016 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Tất cả các số liệu nghiên cứu của luận văn là trung thực, chưa từng được ai công bố trong bất kỳ luận văn nào khác và xin cam đoan rằng các thông tin trích dẫn trong luận văn đều được chỉ rõ nguồn gốc. Tôi xin cảm ơn mọi sự giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi thực hiện tốt luận văn này. Hà Nội, ngày 10 tháng 01 năm 2016 Học viên Nguyễn Ngọc Ánh ii LỜI CẢM ƠN Luận văn này được thực hiện tại phòng thí nghiệm của phòng Vi sinh vật môi trường, Viện công nghệ môi trường. Để hoàn thành được luận văn này tôi đã nhận được rất nhiều sự động viên, giúp đỡ của nhiều cá nhân và tập thể. Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS. TS. Tăng Thị Chính đã hướng dẫn tôi thực hiện nghiên cứu của mình. Xin cùng bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến TS. Nguyễn Thị Hòa và tập thể cán bộ phòng Vi sinh vật môi trường đã đem lại cho tôi những kiến thức bổ trợ, vô cùng có ích và tạo điều kiện tốt nhất giúp tôi thực hiện nghiên cứu của mình. Cũng xin gửi lời cám ơn chân thành tới TS. Trần Thị Huyền Nga, Bộ môn Công nghệ môi trường, Khoa Môi trường, Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo sau đại học - Đại học khoa học tự nhiên đã tạo điều kiện cho tôi trong quá trình học tập cũng như trong thời gian thực hiện nghiên cứu. Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, những người đã luôn bên tôi, động viên và khuyến khích tôi trong quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu của mình. Hà Nội, ngày 10 tháng 01 năm 2016 Học viên Nguyễn Ngọc Ánh iii MỤC LỤC MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU .................................................................. 3 1.1. Thực trạng ô nhiễm nước thải từ các làng nghề chế biến tinh bột ....................... 3 1.1.1. Đặc điểm nước thải chế biến tinh bột ..................................................... 3 1.1.2. Thực trạng ô nhiễm nước thải các làng nghề chế biến tinh bột ................ 4 1.2. Tác động của nước thải chế biến tinh bột đến môi trường sinh thái ................... 6 1.2.1. Ô nhiễm nguồn nước............................................................................. 6 1.2.2. Ô nhiễm đất .......................................................................................... 7 1.2.3. Ô nhiễm không khí ............................................................................... 7 1.2.4. Ảnh hưởng đến con người ..................................................................... 8 1.3. Các phương pháp xử lý nước thải chế biến tinh bột ............................................ 8 1.3.1. Phương pháp hóa học ............................................................................ 8 1.3.2. Phương pháp hóa lý .............................................................................. 9 1.4. Công nghệ vi sinh trong xử lý nước thải chế biến tinh bột ................................ 16 1.4.1. Cấu tạo và quá trình phân hủy tinh bột ................................................. 16 1.4.2. Một số vi sinh vật phân hủy tinh bột và lợi ích thu được khi ứng dụng chúng vào trong quá trình xử lý nước thải chứa nhiều tinh bột ......................... 18 1.4.3. Sự phát triển của vi sinh vật trong các công trình xử lý ......................... 19 1.4.4. Ưu thế của phương pháp vi sinh vật ..................................................... 20 1.4.5. Bùn hạt hiếu khí ................................................................................. 21 1.5. Xử lý nước thải bằng công nghệ SBR ................................................................ 24 CHƢƠNG 2. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................... 27 2.1. Đối tượng nghiên cứu......................................................................................... 27 2.1.1. Đối tượng nghiên cứu ........................................................................... 27 2.1.2. Dụng cụ và hoá chất ............................................................................. 27 2.2. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................... 28 iv 2.2.1. Phương pháp lấy mẫu nước thải ............................................................ 28 2.2.2. Phương pháp xác định sinh khối tế bào theo mật độ quang ..................... 28 2.2.3. Phương pháp phân lập vi sinh vật ......................................................... 28 2.2.4. Tuyển chọn chủng vi sinh vật có hoạt tính phân giải tinh bột ................. 29 2.2.5. Phương pháp tinh sạch, giữ giống và hoạt hóa vi sinh vật ..................... 29 2.2.6. Phương pháp đánh giá khả năng sinh amylase của các chủng vi sinh vật tuyển chọn .................................................................................................... 30 2.2.7. Phương pháp xác định ảnh hưởng của điều kiện nuôi cấy đến sự sinh trưởng và sinh tổng hợp amylase của các chủng vi sinh vật đã tuyển chọn ....... 31 2.2.8. Phương pháp xác định các đặc điểm hình thái, sinh lý hoá của các chủng vi khuẩn ............................................................................................................... 31 2.2.9. Phương pháp xác định nhu cầu oxy hóa học (COD) ............................... 32 2.2.10. Phương pháp xác định nito tổng số .......................................................... 33 2.2.11. Phương pháp xác định photpho tổng số .................................................. 34 2.2.12. Phương pháp xác định amoni ................................................................... 34 2.2.13. Phương pháp xác định giá trị SV30 (solid value 30) ............................... 35 2.2.14. Nghiên cứu xử lý nước thải chế biến tinh bột bằng phương pháp bùn hạt hiếu khí ................................................................................................................ 35 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ......................................................... 36 3.1. Phân lập, tuyển chọn các chủng vi sinh vật sinh amylase có khả năng phân giải tinh bột sống cao ....................................................................................................... 36 3.2. Đặc điểm sinh học của các chủng vi sinh vật tuyển chọn .................................. 39 3.2.1. Đặc điểm hình thái của các chủng vi sinh vật tuyển chọn ........................ 39 3.2.2. Phân loại đến loài các chủng vi khuẩn tuyển chọn .................................... 42 3.3. Xác định khả năng sinh enzyme của các chủng vi sinh vật tuyển chọn ................... 44 3.4. Xác định ảnh hưởng của điều kiện nuôi cấy đến sinh trưởng và sinh tổng hợp amylase của các chủng vi sinh vật tuyển chọn .......................................................... 46 3.4.1. Ảnh hưởng của pH ..................................................................................... 46 3.4.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ ............................................................................ 48 v 3.5. Nghiên cứu xử lý nước thải làng nghề chế biến tinh bột bằng phương pháp bùn hạt hiếu khí qui mô phòng thí nghiệm ............................................................... 52 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 ....................................... 53 3.5.2. Sự phát triển của các chủng vi sinh vật tuyển chọn trong quá trình tạo bùn hạt hiếu khí ................................................................................................... 54 3.5.3. Sự hình thành và phát triển của bùn hạt hiếu khí ...................................... 54 3.5.4. Kết quả xử lý nước thải làng nghề chế biến tinh bột bằng phương pháp bùn hạt hiếu khí qui mô phòng thí nghiệm .......................................................... 56 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 63 PHỤ LỤC ................................................................................................................. 66 vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT BOD Nhu cầu ôxi sinh hóa COD Nhu cầu ôxi hóa học DO Lượng ôxi hòa tan MLSS Nồng độ bùn hạt KPH Không phát hiện SBR Sequency Batch Reator SS Tổng chất rắn lơ lửng QCVN Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia TBC Tinh bột chín TBS Tinh bột sống VK Vi khuẩn VSV Vi sinh vật vii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Thải lượng các chất ô nhiễm trong nước thải của một số làng nghề .......... 5 Bảng 1.2. Quần thể vi sinh vật trong bùn hoạt tính ................................................ 13 Bảng 1.3. Một số vi sinh vât có hệ amylase ............................................................. 19 Bảng 3.1. Hoạt tính amylase của các chủng VSV phân lập. ..................................... 36 Bảng 3.2. Hoạt tính amylase của 9 chủng VSV có đường kính............................... 39 Bảng 3.3. Đặc điểm hình thái khuẩn lạc và tế bào của hai chủng VSV tuyển chọn . 41 Bảng 3.4. Phản ứng sinh hóa của hai chủng VSV tuyển chọn .................................. 42 Bảng 3.5. Khả năng sinh một số enzyme phân giải protein, xenlulose và tinh bột của 2 chủng VSV tuyển chọn ............................................................................. 44 Bảng 3.6. Ảnh hưởng của pH đến sự sinh trưởng của VSV ..................................... 46 Bảng 3.7. Hoạt tính sinh enzyme amylase ở các độ pH khác nhau của môi trường . 47 Bảng 3.8. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng sinh trưởng của VSV .................. 49 Bảng 3.9. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên khả năng sinh amylase của VSV ............... 50 Bảng 3.10. Mật độ vi sinh trong bùn hạt hiếu khí ..................................................... 54 Bảng 3.11. Kết quả phân tích đánh giá hiệu quả xử lý ............................................. 60 viii DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Lưu lượng nước thải sản xuất của một số làng nghề chế biến .................... 4 Hình 1.2. Cấu tạo tinh bột ......................................................................................... 18 Hình 1.3. Đường cong sinh trưởng của vi sinh vật ................................................... 20 Hình 1.4. Màu sắc bùn hạt trưởng thành ................................................................... 23 Hình 1.5. Đặc tính của bùn hạt và bùn hoạt tính truyền thống ................................. 23 Hình 1.6. Các pha trong chu trình hoạt động của SBR ............................................. 25 Hình 2.1. Sơ đồ bể phản ứng SBR sử dụng trong nghiên cứu tạo bùn hạt hiếu khí . 35 Hình 3.1. Đánh giá hoạt tính amylase của các chủng VSV phân lập ...................... 38 Hình 3.2. Khuẩn lạc của chủng VSV tuyển chọn .................................................... 40 Hình 3.3. Hình thái tế bào chủng PD17 trên kính hiển vi quang học ....................... 40 Hình 3.4. Hình thái tế bào chủng DL21 trên kính hiển vi quang học ....................... 41 Hình 3.5. Hoạt tính sinh enzyme của hai chủng vi khuẩn tuyển chọn ...................... 45 Hình 3.6. Sinh trưởng của VSV ở các độ pH khác nhau ......................................... 46 Hình 3.7. Hoạt tính sinh amylase ở các độ pH khác nhau. ....................................... 48 Hình 3.8. Sinh trưởng của VSV ở các mức nhiệt độ nuôi cấy khác nhau ................ 49 Hình 3.9. Khả năng sinh enzyme của chủng PD17 ở các mức nhiệt độ ................... 50 Hình 3.10. Hoạt tính sinh amylase của chủng DL21 ở các mức nhiệt độ ................. 51 Hình 3.11. Hoạt tính sinh amylase ở các mức nhiệt độ nuôi cấy khác nhau .......... 51 Hình 3.12. Tính đối kháng của hai chủng vi sinh vật tuyển chọn ............................. 53 Hình 3.13. Bùn hạt hiếu khí sau 3 tuần ..................................................................... 55 Hình 3.14. Sự phát triển của bùn hạt qua 4 tuần ....................................................... 56 Hình 3.15. Hiệu quả xử lý COD trong nước thải làng nghề chế biến tinh bột ........ 57 Hình 3.16. Kết quả xử lý amoni trong nước thải ..................................................... 57 Hình 3.17. Kết quả xử lý nito trong nước thải ......................................................... 58 Hình 3.18. Kết quả xử lý tổng photpho trong nước thải .......................................... 59 1 MỞ ĐẦU Các làng nghề thủ công truyền thống là nét đặc trưng của nhiều vùng nông thôn Việt Nam. Trong những năm qua, các làng nghề truyền thống ở Viêt Nam đã và đang có nhiều đóng góp cho sự phát triển kinh tế của đất nước nói chung và nền kinh tế nông thôn nói riêng. Nhiều làng nghề truyền thống hiện nay đã được khôi phục, đầu tư phát triển với quy mô và kỹ thuật cao hơn. Hàng hóa thủ công truyền thống không những phục vụ nhu cầu trong nước mà còn xuất khẩu ra thế giới với giá trị lớn. Một trong những loại hình làng nghề phổ biến nhất ở nông thôn Việt Nam là làng nghề chế biến lương thực (làm bún, miến, bánh đa, chế biến tinh bột). Sự ô nhiễm môi trường nước ở các làng nghề này đang ở mức báo động, gây bức xúc cho xã hội. Nước thải từ các làng nghề chế biến lương thực có chứa hàm lượng các chất hữu cơ rất cao (các loại đường đơn, axit hữu cơ, protein, xenluloza,...), đây là nguồn dinh dưỡng thích hợp cho nhiều loại vi sinh vật phát triển. Sự phát triển của các loài vi sinh vật trong môi trường nước thải giàu hữu cơ không có sự kiểm soát của con người thường tạo ra các sản phẩm có mùi hôi thối như là H2S, CH4, NH4 + tác dụng xấu đến môi trường sinh thái. Do vậy, nước thải cần được xử lý trước khi thải ra môi trường tự nhiên. Hiện nay, có nhiều phương pháp xử lý nước thải làng nghề như: phương pháp cơ học, hoá lý, hoá học và sinh học đã được áp dụng và cho hiệu quả xử lý khác nhau. Trong đó, phương pháp sinh học (bể sinh học hiếu khí) cho hiệu quả xử lý tốt và thân thiện với môi trường. Hiện nay, quá trình bùn hoạt tính vẫn đang là công nghệ xử lý nước thải phổ biến đang được áp dụng trên thế giới cũng như tại Việt Nam. Tuy nhiên, nhược điểm của quá trình bùn hoạt tính thông thường chỉ xử lý được chất thải ô nhiễm tải lượng thấp (<5kgCOD/m3.ngày) và khả năng chịu sốc tải rất kém. Các nghiên cứu về quá trình tạo bùn hạt trong điều kiện hiếu khí và ứng dụng nó chỉ mới được thực hiện trên thế giới trong vòng 10 năm trở lại đây và bước đầu đã có một số kết quả 2 khả quan. Các nghiên cứu trên thế giới đã chỉ ra rằng, bùn hạt hiếu khí có đặc điểm nổi trội như khả năng lắng tốt, duy trì nồng độ sinh khối cao, khả năng xử lý chất hữu cơ cao lên đến 10 – 15 kg COD/m3.ngày (trong khi đó khả năng xử lý của bùn hoạt tính <5 kg COD/m3.ngày), chịu sốc tải trọng, xử lý đồng thời được nito. Mặc dù có nhiều ưu điểm nhưng các nghiên cứu về tạo bùn hạt hiếu khí và áp dụng trong xử lý nước thải ở nước ta còn hạn chế. Trước thực tế đó, chúng tôi tiến hành nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu tuyển chọn một số chủng vi sinh vật bổ sung vào quá trình tạo bùn hạt hiếu khí để xử lý nước thải làng nghề chế biến tinh bột” Mục tiêu của đề tài: Nghiên cứu tạo bùn hạt hiếu khí để ứng dụng trong xử lý nước thải làng nghề chế biến tinh bột từ quy mô phòng thí nghiệm. Nội dung đề tài: - Thu thập các tài liệu, dữ liệu có liên quan đến đề tài nghiên cứu. - Nghiên cứu tuyển chọn một số chủng vi sinh vật hữu ích có khả năng phân hủy tinh bột cao để bổ sung vào quá trình tạo bùn hạt hiếu khí. - Nghiên cứu các đặc điểm sinh lý hóa của các chủng vi sinh vật tuyển chọn và bổ sung vào bùn hạt hiếu khí để xử lý nước thải làng nghề sản xuất bún miến - Đánh giá hiệu quả xử lý nước thải làng nghề sản xuất bún miến bằng phương pháp xử lý hiếu khí theo mẻ (SBR) sử dụng bùn hạt hiếu khí ở quy mô phòng thí nghiệm. 3 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Thực trạng ô nhiễm nƣớc thải từ các làng nghề chế biến tinh bột 1.1.1. Đặc điểm nước thải chế biến tinh bột Sự phát triển của ngành chế biến tinh bột đã và đang nảy sinh ra những vấn đề bất cập về môi trường, nó tác động không nhỏ đến môi trường sinh thái và sự phát triển bền vững của làng nghề. Nước thải sinh ra từ hoạt động sản xuất, nước thải do mưa chảy tràn tạo ra và nước thải sinh hoạt của người dân. Đặc điểm chung của nước thải sinh hoạt là chứa nhiều chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học như protein (40 – 50 %), hydratcacbon (40 – 50 %), chất béo (5 – 10 %), nồng độ chất hữu cơ trong nước thải sinh hoạt dao động trong khoảng 150 - 450 mg/l [1]. Nước thải do hoạt động sản xuất có chứa hàm lượng tinh bột cao. Do nguyên liệu dùng cho các hoạt động sản xuất bún miến là gạo, củ dong riềng. Trong gạo có chứa khoảng 80% tinh bột, còn trong củ dong riềng là 70,9% [28]. Các làng nghề chế biến nông sản thực phẩm tiêu thụ một khối lượng nước lớn, có nơi lên đến 7000 m 3/ngày. Nước sử dụng cho sản xuất bún, miến chủ yếu ở khâu ngâm bột, tẩy màu, mùi của bột, ngâm trước khi đem chế biến. Nước thải bún, miến có COD tương đối cao 4000 – 6000 mg/l, độ đục tương đối lớn 400 – 600 NTU do trong quá trình ngâm bột một lượng nhỏ tinh bột đi theo nước vào nước thải. Thành phần chủ yếu của gạo, bột dong riềng là tinh bột nên hàm lượng amoni không cao khoảng 40 – 80 mg/l và nitrit thấp (< 3 mg/l), pH của nước thải khá thấp (2 – 3) và có mùi chua rất khó chịu, tất cả nước thải của các công đoạn được thải chung xuống cống chung, cùng với nước thải sinh hoạt gây ô nhiễm nặng về không khí và nguồn nước [2]. 4 Hình 1.1. Lưu lượng nước thải sản xuất của một số làng nghề chế biến lương thực, thực phẩm 1.1.2. Thực trạng ô nhiễm nước thải các làng nghề chế biến tinh bột Hiện nay tại nông thôn, tình trạng ô nhiễm nước đang ở mức báo động trầm trọng nhất là tại các làng nghề. Theo Báo cáo môi trường quốc gia – Môi trường nông thôn năm 2014, đến hết năm 2014 số làng nghề và làng có nghề ở nước ta khoảng 5.096, trong đó số làng nghề truyền thống được công nhận theo tiêu chí làng nghề hiện nay của Chính phủ là 1.748 [1]. Tuy nhiên, mặt trái của các làng nghề nông thôn cũng là tình trạng gây ô nhiễm môi trường: nước thải, chất thải do các làng nghề tại các vùng quê gây ô nhiễm nguồn nước, không khí, đất đai ảnh hưởng đến cây trồng, vật nuôi và sức khỏe người dân. Bên cạnh đó, tỷ lệ làng nghề sử dụng thiết bị xử lý nước thải, chất thải độc hại chỉ đạt 4,1% và thực trạng này đang cho thấy rõ nguy cơ gây ô nhiễm môi trường từ các làng nghề ở nông thôn nước ta [1]. Đặc biệt là nước thải tại các làng nghề chế biến nông sản đang là vấn đề bức xúc gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường. Nước thải của các làng nghề chế biến lương thực, thực phẩm có đặc tính chung là rất giàu chất hữu cơ, dễ phân hủy sinh học. Ví dụ, nước thải của quá trình sản xuất tinh bột từ sắn có hàm lượng ô nhiễm rất cao (COD = 13.300 – 20.000 mg/l, BOD = 5.500 – 14.750 mg/l) [4]. Các làng nghề chế biến tinh bột đã có truyền thống lâu đời và đến nay vẫn tiếp tục phát triển. Ví dụ làng bún Phú Đô, hàng năm sản xuất được khoảng 5000 tấn bún, cung