Tài liệu 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 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 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 i 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 ii 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 iii 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 iv 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 v 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 vi 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 vii 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 viii TÀI LIỆU THAM KHẢO A - Tài liệu tiếng Việt 1. Bộ Tài nguyên Môi trường (2014), Báo cáo môi trường quốc gia năm 2014: Môi trường nông thôn, Hà Nội. 2. Bộ Tài nguyên Môi trường (2009), Báo cáo hiện trạng môi trường quốc gia 2008: Môi trường làng nghề ô nhiễm nghiêm trọng, Hà Nội. 3. Phạm Thị Trân Châu (1992), Hóa sinh học, Nxb Giáo dục Việt Nam. 4. Nguyễn Thị Phương Chi (1997), Giáo trình cao học vi sinh vật học đại cương, Trung tâm Khoa học tự nhiên và công nghệ quốc gia - Viện Sinh thái và Tài nguyên sinh vật, Hà Nội. 5. Tăng Thị Chính (2015), Công nghệ xử lý nước thải, Nxb Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, Hà Nội. 6. Nguyễn Lân Dũng và các cộng sự (1985), Một số phương pháp nghiên cứu vi sinh vật, Nxb Khoa Học Kỹ Thuật Hà Nội. 7. Nguyễn Lân Dũng (1983), Thực tập vi sinh vật học, Nxb Đại học và Trung học chuyên nghiệp, Hà Nội. 8. Nguyễn Lân Dũng, Nguyễn Đình Quyến, Phạm Văn Ty (1997), Vi sinh vật học, Nxb Giáo dục, Hà Nội. 9. Trần Văn Nhân, Ngô Thị Nga (1997), Công nghệ xử lý nước thải, Tủ sách công nghiệp xanh – ĐHBK Hà Nội, tr 58 – 236. 10. Trần Hiếu Nhuệ (2001), Thoát nước và xử lý nước thải công nghiệp, Nxb Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội. 11. Nguyễn Đức Lượng (2014), Công nghệ vi sinh tập 2 - Vi sinh vật học công nghiệp, Nxb Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh. 12. Lương Đức Phẩm, Đình Thị Kim Nhung, Trần Cẩm Vân (2009), Cơ sở khoa học trong công nghệ bảo vệ môi trường, tập 2 – Cơ sở vi sinh trong công nghệ bảo vệ môi trường, Nxb Giáo dục, Hà Nội. 63 13. Lê Ngọc Tú (2002), Giáo trình hóa sinh công nghiệp, Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. 14. Trần Văn Tựa, Vũ Văn Vụ (1994), “Nghiên cứu khả năng nuôi trồng tạp dưỡng tảo Spirulia platensis”, Tạp chí Sinh học 16(3), tr 25 – 31. 15. Bùi Thị Vụ (2014), Nghiên cứu xử lý nước thải sản xuất bún bằng phương pháp kị khí kết hợp đĩa quay sinh học, Khoa Môi trường, Đại học dân lập Hải Phòng. 16. Đặng Như Xuyến (1998), Sử dụng một số biện pháp sinh học để làm sạch môi trường đất và nước, Báo cáo khoa học đề tài cấp bộ, tr 23 – 42. 17. TCVN 5987 – 1995, Chất lượng nước – Xác định nito Kenda – Phương pháp vô cơ hóa với Seelen. 18. TCVN 6202:2008, Chất lượng nước – Xác định phospho – Phương pháp đo phổ dùng amoni Molipdat. B - Tài liệu tiếng Anh 19. G. Andreottla (2002), “Treatment of Winery”, Water science And Technology, pp 347-354 20. Barnett J.A., Payne R.W. & Yarow D. (1990), Yeasts Identification PC Program Version2-Use Manual, Cambridger University, United Kingdom. 21. Andrew D. Eaton, Awwa, Chair Lenore S. Clesceri, Wef Arnold E. Greenberg, APHA (1995), Standard methods for the examination of water and wastewater, American Public Health Association 1015 Fifteenth street, NW Washington, DC 20005. 22. Larsdotter K, Jansen JC, Dalhammar G (2010), “Phosphorus removal from wastewater by microalge in Sweden-a year – round perspective”, Environmental Technology, 31 (2), pp.117 – 123,. 23. Liang. W, Min. M, Y. Li, P. Chen, Y. Chen, Y. Liu, Y. Wang and Roger Ruan (2009), “Cultivation of Green Algae Chlorella sp. in Different Wastewater from Municipal Wastewater Treatment Plant”, Applied Biochemistry and Biotechnology, 162 (4), pp. 1174 – 1186. 64 24. Lui, Y., Wang, Z., Yao, J., Sun, X., Cai, W. (2005), Investigation on the properties and kinetics of glucose –fed aerobic granular sludge, Enzyme and microbial Technology, 36, pp. 307 – 313. 25. Jang, A., Yoo, Y.H., Kim, I.S., Kim, K.S, Bishop, P.L. (2003) Characterization and Evaluation of Aerobic Granules in Sequencing Batch Reactor, Journal of Biotechnology, 105, pp. 71 – 82. 65 PHỤ LỤC 1. Thành phần môi trƣờng 1.1. Môi trường MPA Cao thịt: 3g Pepton: 5g NaCl: 5g Thạch: 20g Nước máy: 1000ml 1.2. Môi trường tinh bột Tinh bột: 20g Pepton: 7g NaCl: 0,5g Thạch: 20g Nước máy: 1000ml 1.3. Môi trường phân giải xenlulose (NH4)2SO4: 1,5g KH2PO4: 0,5g K2HPO4: 0,5g MgSO4: 0,4g NaCl: 0,1g MnSO4: vết FeSO4: vết Bột giấy: 2g Thạch: 20g Nước máy: 1000ml 1.4. Môi trường đục thạch Thạch: 20g Cơ chất (TB, casein, CMC – Na, Cell): 2g Nước: 1000ml 66