Tài liệu Xử lý nước thải của cơ sở sản xuất hủ tiếu ở làng nghề bánh bún hủ tiếu mỹ tho tiền giang bằng vi khuẩn bacillus amyloliquefaciens cố định trong tháp lọc sinh học

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HUỲNH THÁI PHỤNG XỬ LÝ NƢỚC THẢI CỦA CƠ SỞ SẢN XUẤT HỦ TIẾU Ở LÀNG NGHỀ BÁNH BÚN HỦ TIẾU MỸ THO - TIỀN GIANG BẰNG VI KHUẨN Bacillus amyloliquefaciens CỐ ĐỊNH TRONG THÁP LỌC SINH HỌC Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ SINH HỌC Mã số: 604280 LUẬN VĂN THẠC SỸ TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 5 năm 2015 CÔNG TRÌNH ĐƢỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐHQG - HCM Cán bộ hƣớng dẫn khoa học: PGS. TS. Nguyễn Đức Lƣợng Cán bộ chấm nhận xét 1 : PGS. TS. Lê Phi Nga Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS. Nguyễn Tấn Trung Luận văn thạc sỹ đƣợc bảo vệ tại trƣờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. Hồ Chí Minh ngày 08 tháng 8 năm 2015 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sỹ gồm: 1. PGS. TS. Nguyễn Thúy Hƣơng 2. TS. Hoàng Anh Hoàng 3. PGS. TS. Lê Phi Nga 4. TS. Nguyễn Tấn Trung 5. PGS. TS. Phan Phƣớc Hiền Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trƣởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã đƣợc sửa chữa (nếu có). CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƢỞNG KHOA………… TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SỸ Họ và tên học viên: Huỳnh Thái Phụng MSHV:11310618 Ngày, tháng, năm sinh: 04/01/1985 Nơi sinh: Tiền Giang Chuyên ngành: Công nghệ sinh học Mã số: 604280 TÊN ĐỀ TÀI: Xử lý nƣớc thải của cơ sở sản xuất hủ tiếu ở làng nghề bánh bún I. hủ tiếu Mỹ Tho - Tiền Giang bằng vi khuẩn Bacillus amyloliquefaciens cố định trong tháp lọc sinh học. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: 1. Xác định khả năng sinh enzyme amylase và protease ngoại bào; xây dựng đƣờng cong sinh trƣởng của Bacillus amyloliquefaciens trong môi trƣờng nƣớc thải hủ tiếu khử trùng (môi trƣờng huấn luyện thích nghi). 2. Xác định khả năng xử lý của Bacillus amyloliquefaciens tự do đối với nƣớc thải hủ tiếu. 3. Xác định hiệu suất xử lý nƣớc thải hủ tiếu của tháp lọc sinh học nhỏ giọt có cố định Bacillus amyloliquefaciens; so sánh với hiệu suất xử lý của tháp lọc sinh học nhỏ giọt không bổ sung Bacillus amyloliquefaciens cố định. II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 07/7/2014 III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 08/5/2015 IV. CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: PGS.TS. Nguyễn Đức Lƣợng Tp. HCM, ngày . . . . tháng…… năm 2015 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên và chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên và chữ ký) TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC (Họ tên và chữ ký) i LỜI CÁM ƠN Trân trọng cám ơn PGS.TS. Nguyễn Đức Lƣợng cùng quý Thầy, Cô đã tận tình hƣớng dẫn, truyền đạt nhiều kiến thức bổ ích trong thời gian tôi tham gia học tại Trƣờng đại học Bách Khoa và trong quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp. Chân thành cám ơn quý Anh, Chị đồng nghiệp; chủ cơ sở sản xuất bánh hủ tiếu Trƣơng Văn Thuận đã nhiệt tình hỗ trợ để tôi hoàn thành nghiên cứu. Trân trọng cám ơn Ban lãnh đạo Trung tâm Kỹ thuật và Công nghệ Sinh học Tiền Giang, Sở Khoa học và Công nghệ Tiền Giang, Sở Nội vụ Tiền Giang đã tạo điều kiện về thời gian để tôi tham gia khóa đào tạo cao học tại Tp. Hồ Chí Minh. Cuối cùng, xin gửi lời tri ân sâu sắc đến các thành viên trong gia đình đã luôn hỗ trợ và động viên để tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Tiền Giang, ngày 08 tháng 5 năm 2015 Huỳnh Thái Phụng ii ABSTRACT This study was mainly performed to investigate the efficiency of addition of Bacillus amyloliquefaciens biomass to treat starch wastewater from Hu tieu Mytho craft village - Tiengiang province. Though investigating the growth curve of B. amyloliquefaciens cultured on the sterilized starch wastewater to train the bacterial adaptation, we found that the stationary phase of this strain is from 36 to 48 hour. Therefore, we used the biomass after 36 cultured hours for experiments of starch wastewater treatment. Fractions of 5%, 10% and 15% (v/v) of the B. amyloliquefaciens biomass were added to starch wastewater. Fraction of 10% was suitable to remove starch wastewater’s organics with initial chemical oxygen demand (COD) of 600 mg/L, 750 mg/L and 900 mg/L. The final CODs were 133,3 mg/L (after 36 hour of treating), 130 mg/L and 146,7 mg/L (after 48 hour of treating) respectively. These results met the Vietnamese standard (QCVN 40:2011/BTNMT) for type B wastewater in which COD concentration is 150 mg/L. The performance of a lab-scale trickling filter for the treatment of starch wastewater was conducted. B. amyloliquefaciens cultured on sterilized starch wastewater after 36 hours was attached on bamboo media of trickling filter. Experiment parameters were 50 L/min air rate, 3,6 L/h flow rate and 600 mg/L initial COD concentration. The final COD was 118,7 mg/L, and the organic removal efficiency was 80,2%. Whereas, for the trickling filter without Bacillus amyloliquefaciens addition, the final COD was 159 mg/L; this made the organic removal efficiency decrease to 73,5 %. iii TÓM TẮT LUẬN VĂN Trong luận văn này, chúng tôi khảo sát ảnh hƣởng của việc bổ sung sinh khối vi khuẩn Bacillus amyloliquefaciens đối với hiệu quả xử lý nƣớc thải hủ tiếu ở làng nghề bánh bún hủ tiếu Mỹ Tho - Tiền Giang. Đƣờng cong sinh trƣởng của B. amyloliquefaciens đƣợc khảo sát trong môi trƣờng nƣớc thải hủ tiếu khử trùng (dùng làm môi trƣờng huấn luyện thích nghi) và cho thấy giai đoạn ổn định trong khoảng thời gian 36 - 48 giờ. B. amyloliquefaciens đƣợc nuôi trong nƣớc thải hủ tiếu khử trùng trong 36 giờ đƣợc sử dụng cho các thí nghiệm xử lý nƣớc thải hủ tiếu. Tỷ lệ 5%, 10% và 15% (v/v) canh trƣờng nƣớc thải hủ tiếu khử trùng có nuôi B. amyloliquefaciens đƣợc bổ sung vào nƣớc thải để khảo sát hiệu quả xử lý của B. amyloliquefaciens tự do. Tỷ lệ vi khuẩn 10% phù hợp để xử lý nƣớc thải với COD đầu vào 600 mg/L, 750 ml/L và 900 mg/L. COD đầu ra lần lƣợt là 133,3 mg/L (sau 36 giờ xử lý), 130 mg/L và 146,7 mg/L (sau 48 giờ xử lý); đạt yêu cầu nƣớc thải loại B theo QCVN 40:2011/BTNMT với COD chuẩn là 150 mg/L. Xử lý nƣớc thải bằng B. amyloliquefaciens cố định trên đệm lọc tre trong tháp lọc sinh học nhỏ giọt: Các thông số thí nghiệm gồm tốc độ thổi khí 50 L/phút, tốc độ nƣớc bơm vào tháp lọc là 3,6 L/giờ, COD đầu vào 600 mg/L. COD đầu ra là 118,7 mg/L; hiệu suất xử lý đạt 80,2%. Trong khi đó, xử lý nƣớc thải hủ thiếu bằng tháp lọc sinh học không bổ sung B. amyloliquefaciens trong quá trình tạo màng biofilm có COD đầu ra 159 mg/L và hiệu suất xử lý đạt 73,5 %. iv MỤC LỤC LỜI CÁM ƠN .................................................................................................................... i ABSTRACT ...................................................................................................................... ii TÓM TẮT LUẬN VĂN ................................................................................................... iii MỤC LỤC ....................................................................................................................... iv DANH MỤC BẢNG ...................................................................................................... viii DANH MỤC HÌNH .......................................................................................................... x DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT.................................................................................. xii CHƢƠNG 1. GIỚI THIỆU ................................................................................................ 1 CHƢƠNG 2. TỔNG QUAN.............................................................................................. 3 2.1. Tổng quan về tinh bột và enzyme amylase thủy phân tinh bột ................................ 3 2.1.1. Tổng quan về tinh bột ............................................................................................ 3 2.1.2. Enzyme amylase thủy phân tinh bột ....................................................................... 4 2.2. Chi Bacillus và vi khuẩn Bacillus amyloliquefaciens .............................................. 5 2.2.1. Chi Bacillus ........................................................................................................... 5 2.2.2. Vi khuẩn Bacillus amyloliquefaciens ...................................................................... 6 2.2.3. Các nghiên cứu ứng dụng Bacillus trong xử lý nƣớc thải. ....................................... 8 2.3. Phƣơng pháp sinh học trong xử lý nƣớc thải ........................................................... 9 2.4. Cơ sở lý thuyết của công nghệ sinh học hiếu khí và lọc sinh học .......................... 11 2.4.1. Công nghệ sinh học hiếu khí ................................................................................ 11 2.4.2. Lọc sinh học ........................................................................................................ 13 2.4.3. Lọc sinh học nhỏ giọt ........................................................................................... 15 2.4.4. Các nghiên cứu về lọc sinh học ............................................................................ 17 2.5. Nƣớc thải hủ tiếu tại làng nghề và xử lý nƣớc thải chứa tinh bột theo phƣơng án sinh học hiếu khí ........................................................................................... 19 2.5.1. Nƣớc thải hủ tiếu tại làng nghề ............................................................................. 19 2.5.2. Các nghiên cứu xử lý nƣớc thải chứa tinh bột theo phƣơng án sinh học hiếu khí .. 20 CHƢƠNG 3. NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................... 22 v 3.1. Nguyên liệu ......................................................................................................... 22 3.1.1. Nguồn nƣớc thải .................................................................................................. 22 3.1.2. Giống vi sinh vật .................................................................................................. 22 3.2. Vật liệu, thiết bị - dụng cụ và hóa chất ................................................................. 22 3.2.1. Vật liệu làm đệm lọc ............................................................................................ 22 3.2.2. Thiết bị - dụng cụ ................................................................................................. 23 3.2.3. Hóa chất ............................................................................................................... 23 3.3. Phƣơng pháp nghiên cứu ...................................................................................... 24 3.3.1. Sơ đồ nghiên cứu ................................................................................................. 24 3.3.2. Thuyết minh sơ đồ nghiên cứu ............................................................................. 26 3.3.2.1. Kiểm tra đại thể, vi thể và xây dựng đƣờng cong sinh trƣởng của vi khuẩn B. amyloliquefaciens.......................................................................................... 26 3.3.2.2. Xử lý nƣớc thải hủ tiếu bằng B. amyloliquefaciens tự do ............................... 26 3.3.2.3. Xử lý nƣớc thải hủ tiếu bằng B. amyloliquefaciens cố định trong tháp lọc sinh học ................................................................................................................ 28 3.4. Phƣơng pháp nghiên cứu hình thái vi khuẩn ......................................................... 30 3.5. Phƣơng pháp xác định mật số vi sinh vật .............................................................. 31 3.6. Phƣơng pháp kiểm tra định tính enzyme amylase và protease ............................... 31 3.6.1. Kiểm tra định tính enzyme amylase...................................................................... 31 3.6.2. Kiểm tra hoạt tính enzyme protease...................................................................... 32 3.7. Các phƣơng pháp phân tích hóa lý........................................................................ 32 3.7.1. Xác định pH ......................................................................................................... 32 3.7.2. Xác định nhu cầu oxy hóa học (COD) .................................................................. 33 3.7.3. Xác định Nitơ tổng số (Ntổng) ............................................................................... 33 3.7.4. Xác định Phospho tổng số (Ptổng) .......................................................................... 33 3.7.5. Phƣơng pháp xác định Clorua .............................................................................. 34 3.8. Phƣơng pháp xử lý số liệu .................................................................................... 34 3.9. Công thức tính hiệu suất xử lý.............................................................................. 34 CHƢƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ...................................................................... 35 vi 4.1. Kiểm tra đại thể, vi thể và xác định khả năng sinh enzyme amylase và protease ngoại bào ...................................................................................................... 35 4.1.1. Kiểm tra đại thể và vi thể ..................................................................................... 35 4.1.2. Kiểm tra định tính enzyme amylase và protease ................................................... 36 4.2. Khảo sát đƣờng cong sinh trƣởng của vi khuẩn Bacillus amyloliquefaciens trong môi trƣờng 802 và môi trƣờng huấn luyện thích nghi .................................... 38 4.3. Kết quả kiểm nghiệm các chỉ tiêu của nƣớc thải nguồn ........................................ 39 4.4. Khảo sát khả năng xử lý nƣớc thải hủ tiếu của vi khuẩn B. amyloliquefaciens tự do ...................................................................................................................... 40 4.5. Xử lý nƣớc thải với vi khuẩn B. amyloliquefaciens cố định trong tháp lọc sinh học ...................................................................................................................... 48 4.5.1. Giai đoạn thích nghi ............................................................................................. 48 4.5.2. Giai đoạn tiền xử lý.............................................................................................. 49 4.5.3. Giai đoạn xử lý .................................................................................................... 49 4.6. Khảo sát hiệu quả xử lý nƣớc thải hủ tiếu của tháp lọc sinh học nhỏ giọt không bổ sung B. amyloliquefaciens ............................................................................. 55 CHƢƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................... 57 5.1. Kết luận ............................................................................................................... 57 5.2. Kiến nghị ............................................................................................................. 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................... 58 Tài liệu tiếng Việt ............................................................................................................ 58 Tài liệu tiếng nƣớc ngoài ................................................................................................. 60 PHỤ LỤC 64 Phụ lục A. Tổng quan về nƣớc thải hủ tiếu ...................................................................... 64 Phụ lục B. Các phƣơng pháp phân tích ............................................................................ 65 B.1. Phƣơng pháp xác định nhu cầu oxy hóa học COD (SMEWW 5220C) ...................... 65 B.2. Phƣơng pháp xác định hàm lƣợng Nitơ tổng số (TCVN 6638:2000) ......................... 67 B.3. Phƣơng pháp xác định Phospho tổng số (TCVN 6202:2008) .................................... 68 B.4. Phƣơng pháp xác định hàm lƣợng Clorua ................................................................. 71 vii Phụ lục C. Xác định khả năng sinh enzyme amylase và protease ngoại bào ..................... 73 Phụ lục D. Sự tăng sinh của vi khuẩn B.amyloliquefaciens từ 0 - 96 giờ trong môi trƣờng 802 và môi trƣờng nƣớc thải hủ tiếu khử trùng .............................................. 75 Phụ lục E. Các chỉ tiêu của nƣớc thải dùng thực hiện thí nghiệm ..................................... 79 Phụ lục F. Ảnh hƣởng của tỷ lệ vi khuẩn B. amyloliquefaciens tự do đến pH và COD đầu ra của nƣớc thải hủ tiếu đƣợc xử lý................................................................ 79 Phụ lục G. Xử lý nƣớc thải hủ tiếu bằng lọc sinh học nhỏ giọt có bổ sung B. amyloliquefaciens cố định ............................................................................. 84 Phụ lục H. Xử lý nƣớc thải hủ tiếu bằng lọc sinh học nhỏ giọt không bổ sung B. amyloliquefaciens.......................................................................................... 87 viii DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1. Vi sinh vật tổng hợp amylase ................................................................ 5 Bảng 2.2. Phân loại vi khuẩn Bacillus amyloliquefaicens ..................................... 6 Bảng 2.3. Các thiết bị xử lý sinh học thông dụng ................................................ 10 Bảng 2.4. Thành phần nƣớc thải của các cơ sở sản xuất bánh hủ tiếu tại làng nghề ........................................................................................ 20 Bảng 3.1. Thành phần môi trƣờng 802 ................................................................ 22 Bảng 3.2. Thành phần môi trƣờng thạch - tinh bột .............................................. 31 Bảng 3.3. Thành phần môi trƣờng thạch đĩa BCG - casein ................................. 32 Bảng 4.1. Hàm lƣợng COD đầu ra trong 1 - 6 ngày tiền xử lý ............................ 49 Bảng 4.2. So sánh kết quả xử lý bằng lọc sinh học nhỏ giọt không bổ sung và có bổ sung B. amyloliquefaciens cố định ....................................... 56 Bảng A.1. Các chỉ tiêu cơ bản của nƣớc thải từ các cơ sở sản xuất hủ tiếu ở làng nghề bánh bún hủ tiếu Mỹ Tho - Tiền Giang ........................... 64 Bảng B.1. Các dụng cụ dùng thử nghiệm COD ................................................... 65 Bảng B.2. Thể tích dãy dung dịch chuẩn PO43-.................................................... 70 Bảng C.1. Đƣờng kính vòng phân giải trên môi trƣờng thạch - tinh bột ............. 73 Bảng C.2. Đƣờng kính vòng phân giải trên môi trƣờng BCG - casein ................ 74 Bảng D.1. Sự tăng sinh của B. amyloliquefaciens trong môi trƣờng 802 ............ 75 Bảng D.2. Sự tăng sinh của B. amyloliquefaciens trong môi trƣờng nƣớc thải hủ tiếu khử trùng .................................................................................. 77 Bảng E.1. Các chỉ tiêu hóa lý của nƣớc thải nguồn ............................................. 79 Bảng F.1. Giá trị pH tại các thời điểm xử lý với CODđầu vào= 600 mg/L ............. 79 Bảng F.2. Hàm lƣợng COD tại các thời điểm xử lý với CODđầu vào= 600 mg/L . 80 Bảng F.3. Giá trị pH tại các thời điểm xử lý với CODđầu vào= 750 mg/L ............. 81 Bảng F.4. Hàm lƣợng COD tại các thời điểm xử lý với CODđầu vào= 750 mg/L . 82 Bảng F.5. Giá trị pH tại các thời điểm xử lý với CODđầu vào= 900 mg/L ............. 83 Bảng F.6. Hàm lƣợng COD tại các thời điểm xử lý với CODđầu vào= 900 mg/L . 84 Bảng G.1. COD từ ngày 1 - ngày 6 ở giai đoạn thích nghi .................................. 84 ix Bảng G.2. Kết quả pH và COD của thí nghiệm CODđầu vào= 600 mg/L, Vnƣớc= 2,8 L/giờ.................................................................................. 86 Bảng G.3. Kết quả pH và COD của thí nghiệm CODđầu vào= 600 mg/L, Vnƣớc= 3,2 L/giờ.................................................................................. 86 Bảng G.4. Kết quả pH và COD của thí nghiệm CODđầu vào= 600 mg/L, Vnƣớc= 3,6 L/giờ.................................................................................. 87 Bảng H.1. pH và CODđầu ra của nƣớc thải xử lý bằng lọc sinh học không bổ sung B. amyloliquefaciens................................................... 87 x DANH MỤC HÌNH Hình 2.1. Dạng amylose của tinh bột ..................................................................... 3 Hình 2.2. Dạng amylopectin của tinh bột .............................................................. 3 Hình 2.3. Cấu tạo màng sinh học ......................................................................... 14 Hình 2.4. Các dạng lọc sinh học nhỏ giọt ............................................................ 16 Hình 2.5. Mô hình lọc sinh học trong thí nghiệm của M. Kornaros và G. Lyberatos .................................................................................... 18 Hình 2.6. Quy trình sản xuất bánh hủ tiếu ........................................................... 19 Hình 3.1. Sơ đồ nghiên cứu.................................................................................. 25 Hình 4.1. Kết quả kiểm tra đại thể vi khuẩn B. amyloliquefaciens ...................... 35 Hình 4.2. Kiểm tra vi thể bằng nhuộm Gram (A) và chụp bằng kính hiển vi điện tử quét (B) .................................................................................... 35 Hình 4.3. Kết quả kiểm tra định tính amylase trên môi trƣờng thạch-tinh bột .... 36 Hình 4.4. Kết quả kiểm tra định tính protease trên môi trƣờng BCG-casein ...... 37 Hình 4.5. Đƣờng cong sinh trƣởng của B. amyloliquefaciens trong môi trƣờng 802 ..................................................................................... 38 Hình 4.6. Đƣờng cong sinh trƣởng của B. amyloliquefaciens trong môi trƣờng huấn luyện thích nghi ........................................................ 39 Hình 4.7. Giá trị pH của thí nghiệm 1 .................................................................. 41 Hình 4.8. Giá trị pH của thí nghiệm 2 .................................................................. 41 Hình 4.9. Giá trị pH của thí nghiệm 3 .................................................................. 42 Hình 4.10. Sự biến đổi hàm lƣợng COD theo thời gian-Thí nghiệm 1 ............... 44 Hình 4.11. Hàm lƣợng COD của các nghiệm thức tại 36 giờ xử lý - Thí nghiệm 1 .............................................................................................................................. 45 Hình 4.12. Sự biến đổi hàm lƣợng COD theo thời gian-Thí nghiệm 2. .............. 45 Hình 4.13. Hàm lƣợng COD của các nghiệm thức tại 48 giờ xử lý - Thí nghiệm 2 .............................................................................................................................. 46 Hình 4.14. Sự biến đổi hàm lƣợng COD theo thời gian-Thí nghiệm 3 ............... 47 xi Hình 4.15. Hàm lƣợng COD của các nghiệm thức tại 48 giờ xử lý - Thí nghiệm 3 .............................................................................................................................. 48 Hình 4.16. Giá trị pH đầu ra của thí nghiệm 4 ..................................................... 50 Hình 4.17. Hàm lƣợng COD đầu ra của thí nghiệm 4 ......................................... 51 Hình 4.18. Giá trị pH đầu ra của thí nghiệm 5 .................................................... 51 Hình 4.19. Hàm lƣợng COD đầu ra của thí nghiệm 5 ......................................... 52 Hình 4.20. Giá trị pH đầu ra của thí nghiệm 6 ..................................................... 52 Hình 4.21. Hàm lƣợng COD đầu ra của thí nghiệm 6 ......................................... 53 Hình 4.22. COD đầu ra của các nghiệm thức khi thay đổi lƣu lƣợng nƣớc ........ 53 Hình 4.23. Hiệu suất xử lý của các nghiệm thức thổi khí khi thay đổi lƣu lƣợng nƣớc .................................................................................... 54 Hình B.1. Kết quả xây dựng đƣờng chuẩn bằng máy quang phổ UV-VIS.......... 71 Hình G.1. Mô hình lọc sinh học nhỏ giọt ở quy mô phòng thí nghiệm ............... 85 xii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT BCG Bromocresol green reagent - Thuốc thử Bromocresol xanh BOD Biological oxygen demand - Nhu cầu oxy sinh hóa BOD5 Nhu cầu oxy sinh hóa sau 5 ngày COD Chemical oxygen demand - Nhu cầu oxy hoá học GRAS Generally recognized as safe - Đƣợc xem nhƣ an toàn MPN Most probable number - Phƣơng pháp đếm có xác xuất cao nhất (phƣơng pháp định lƣợng vi sinh vật) TOC Total organic carbon - Tổng hàm lƣợng carbon hữu cơ TSS Total suspended solids - Tổng chất rắn lơ lửng SEM Scanning electron microscope - Kính hiển vi điện tử quét UASB Upflow anaerobic sludge blanket - Bể bùn kỵ khí dòng chảy ngƣợc 1 CHƢƠNG 1. GIỚI THIỆU Các làng nghề thủ công truyền thống là nét đặt trƣng của nhiều vùng nông thôn Việt Nam. Trong những năm qua, cùng với sự phát triển của kinh tế - xã hội, nhiều ngành nghề thủ công truyền thống đƣợc khôi phục và phát triển khá mạnh; đóng góp không nhỏ vào sự phát triển kinh tế nông thôn. Bên cạnh thành tựu về kinh tế, làng nghề đã và đang gây ra các hậu quả nghiêm trọng về mặt môi trƣờng. Sự ô nhiễm môi trƣờng nƣớc tại các làng nghề đang ở mức báo động, gây nhiều bức xúc cho xã hội. Một trong các loại hình làng nghề phổ biến nhất ở nông thôn Việt Nam là làng nghề chế biến lƣơng thực (làm bún, miến, bánh đa, chế biến tinh bột). Tại Tiền Giang, làng nghề sản xuất bánh bún hủ tiếu cũng đƣợc chú ý duy trì và phát triển cùng với thƣơng hiệu “Hủ tiếu Mỹ Tho”. Tuy nhiên, sự phát triển của làng nghề này mang tính nông hộ nhỏ lẻ, chƣa chú ý đến vấn đề nƣớc thải với đặc trƣng là thành phần tinh bột. Nƣớc thải chứa tinh bột thƣờng thải trực tiếp ra sông, không qua xử lý nên các chỉ tiêu cơ bản của nƣớc thải nhƣ pH, BOD, COD, TSS, Nitơ tổng số, Phospho tổng số, Coliforms đều vƣợt quá tiêu chuẩn cho phép. Từ đó, sự ô nhiễm ảnh hƣởng nghiêm trọng đến chất lƣợng môi trƣờng làng nghề và sức khỏe cộng đồng. Để kiểm soát ô nhiễm nguồn nƣớc, nhiều phƣơng pháp xử lý nƣớc thải khác nhau đƣợc sử dụng nhƣ: phƣơng pháp cơ học, phƣơng pháp hóa học, phƣơng pháp sinh học. Và phƣơng pháp luôn đƣợc hƣớng tới trong các nghiên cứu và ứng dụng hiện nay là xử lý sinh học, do đây là công nghệ có chi phí vận hành thấp nhờ vào tác nhân chủ đạo là các vi sinh vật (Nguyễn Văn Phƣớc, 2012). Ngoài ra, xử lý nƣớc thải bằng phƣơng pháp sinh học không gây ra những ô nhiễm thứ cấp giống nhƣ xử lý bằng phƣơng pháp hóa học. Tác nhân vi sinh vật tham gia quá trình xử lý đa dạng về chủng loài. Trong đó, các loài thuộc chi Bacillus ngày càng trở thành những vi sinh vật quan trọng hàng đầu về mặt ứng dụng. Các ứng dụng của chúng bao trùm hàng loạt lĩnh vực, từ sản xuất thủ công truyền thống đến công nghệ lên men hiện đại, y học, mỹ phẩm, CHƢƠNG 1. GIỚI THIỆU 2 xử lý môi trƣờng ô nhiễm, thu hồi bạc kim loại từ các phế liệu. Chính vì lẽ đó, ngày càng có nhiều nghiên cứu sâu về chi Bacillus cũng nhƣ mở rộng ứng dụng của chúng với đời sống con ngƣời. Vi khuẩn thuộc chi Bacillus có tiềm năng lớn về các enzyme ngoại bào. Nhiều trong số các enzyme ngoại bào này là những enzyme thủy phân các phân tử hữu cơ lớn (Ngô Tự Thành và cộng sự, 2009). Việc sử dụng vi sinh vật có thể thực hiện bằng hai hình thức: sử dụng tế bào tự do hoặc tế bào đƣợc cố định. Tế bào cố định là tế bào vi sinh vật đƣợc gắn vào một chất mang; các chất mang và vi sinh vật gắn vào đó đƣợc đƣa vào bể phản ứng sinh học (bioreactor). Hiện nay, phƣơng pháp cố định tế bào đƣợc ứng dụng rộng rãi và đem lại hiệu quả kinh tế rõ rệt bởi vì cố định tế bào vi sinh vật giúp bảo vệ tế bào tốt hơn với các điều kiện nhiệt độ, pH, độc chất trong môi trƣờng so với tế bào tự do. Hơn nữa, quá trình sản xuất có thể thực hiện liên tục và tế bào ít bị rửa trôi vào môi trƣờng (Nguyễn Đức Lƣợng và cộng sự, 2010). Trong xử lý nƣớc thải, thiết bị lọc sinh học đƣợc sử dụng nhƣ một bể phản ứng sinh học. Với thiết bị này, nƣớc thải đƣợc lọc qua lớp vật liệu (chất mang) bao phủ bởi màng vi sinh vật - đóng vai trò tƣơng tự nhƣ bùn hoạt tính, hấp thụ và phân hủy chất hữu cơ trong nƣớc thải. Ƣu điểm của thiết bị lọc sinh học là khởi động nhanh, khả năng loại bỏ cơ chất phân hủy chậm, khả năng chịu biến động về nhiệt độ và tải lƣợng ô nhiễm, sự đa dạng về thiết bị xử lý và hiệu quả cao đối với nƣớc thải có nồng độ ô nhiễm thấp (Nguyễn Văn Phƣớc, 2012). Do các yếu tố trên, đề tài “Xử lý nƣớc thải của cơ sở sản xuất hủ tiếu ở làng nghề bánh bún hủ tiếu Mỹ Tho-Tiền Giang bằng vi khuẩn Bacillus amyloliquefaciens cố định trong tháp lọc sinh học” đƣợc tiến hành để khảo sát ảnh hƣởng của việc bổ sung sinh khối vi khuẩn B. amyloliquefaciens ở dạng tự do và cố định trong tháp lọc sinh học đến hiệu quả xử lý nƣớc thải hủ tiếu; xây dựng quy trình xử lý bằng lọc sinh học nhỏ giọt ở quy mô phòng thí nghiệm. CHƢƠNG 1. GIỚI THIỆU 3 CHƢƠNG 2. TỔNG QUAN 2.1. Tổng quan về tinh bột và enzyme amylase thủy phân tinh bột 2.1.1. Tổng quan về tinh bột Tinh bột có công thức hóa học: (C6H10O5)n là một polysaccharide carbohydrate chứa hỗn hợp amylose (Hình 2.1) và amylopectin (Hình 2.2), tỷ lệ phần trăm amylose và amylopectin thay đổi tùy thuộc vào từng loại tinh bột, tỷ lệ này thƣờng từ 20:80 đến 30:70. Tinh bột có nguồn gốc từ các loại cây khác nhau có tính chất vật lí và thành phần hóa học khác nhau. Chúng đều là các polymer carbohydrate phức tạp của glucose (công thức phân tử là C6H12O6). Hình 2.1. Dạng amylose của tinh bột Hình 2.2. Dạng amylopectin của tinh bột CHƢƠNG 2. TỔNG QUAN 4 Trong tự nhiên, tinh bột đƣợc thực vật tạo ra trong các củ, quả và ngũ cốc. Tinh bột đƣợc tách ra từ hạt (ngô, lúa mì), từ rễ và củ (sắn, khoai tây, dong) là những loại tinh bột chính dùng trong công nghiệp. 2.1.2. Enzyme amylase thủy phân tinh bột Enzyme amylase có khả năng thủy phân tinh bột tạo thành các dextrin có khối lƣợng phân tử khác nhau. Khi cho tác dụng với I2, chúng sẽ tạo thành màu; và hoạt độ của amylase đƣợc tính thông qua việc đo cƣờng độ màu tạo thành. Đơn vị hoạt độ của amylase là lƣợng enzyme xúc tác thủy phân đƣợc 1g tinh bột thành dextrin có phân tử lƣợng khác nhau ở nhiệt độ 30oC trong 1 giờ (Nguyễn Đức Lƣợng và Cao Cƣờng, 2003). pH hoạt động tối ƣu đối với amylase của malt là 4,8 - 4,9, của nấm mốc là 4,7 và của vi khuẩn là 6,0 (Nguyễn Đức Lƣợng và Cao Cƣờng, 2003). Amylase xúc tác cho các phản ứng thủy phân tinh bột, glycogen và các polysaccharid tƣơng tự. Amylase đƣợc chia thành ba loại: - α-amylase (1,4-α-D-Glucan-glucanohydrolase; EC 3.2.1.1) có trong nƣớc bọt, hạt hòa thảo này mầm, trong tụy tạng, nấm mốc, vi khuẩn. Nó phân giải liên kết 1,4-glucosid ở giữa chuỗi polysaccharid (nên gọi là endoamylase) tạo thành maltose, glucose và chủ yếu là dextrin phân tử thấp. Dƣới tác dụng của enzyme này, dung dịch tinh bột mau chóng bị mất khả năng tạo màu với dung dịch I2 và bị giảm độ nhớt mạnh. α-amylase bền với nhiệt nhƣng kém bền với acid (Nguyễn Đức Lƣợng, 2006). - β-amylase (EC 3.2.1.2) có nhiều ở hạt, củ thực vật. Nó xúc tác cho phản ứng thủy phân liên kết 1,4 - glucosid từ đầu không khử tạo thành chủ yếu maltose và dextrin phân tử lớn. Mất hoạt tính ở nhiệt độ trên 70oC, nhƣng bền với acid hơn α-amylase (Nguyễn Đức Lƣợng, 2006). - Glucoamylase (EC 3.2.1.3) có nhiều ở vi sinh vật, gan động vật. Nó xúc tác cho phản ứng thủy phân liên kết 1,4 - và 1,6 - glycosid bắt đầu từ đầu không khử của chuỗi polysaccharid. Sản phẩm chủ yếu của glucose và dextrin. Nó bị mất hoạt tính ở nhiệt độ trên 70oC. Nhiều glucoamylase hoạt động mạnh ở pH 3,5 - 5,5 (Nguyễn Đức Lƣợng và Cao Cƣờng, 2003). CHƢƠNG 2. TỔNG QUAN 5 Enzyme amylase đƣợc nghiên cứu sớm nhất và có nhiều công trình đƣợc công bố nhất. Trong những công trình nghiên cứu về enzyme amylase của vi sinh vật thì amylase từ nấm sợi và từ vi khuẩn đƣợc nghiên cứu nhiều hơn cả. Những kết quả nghiên cứu amylase của vi sinh vật đƣợc tóm tắt trong Bảng 2.1. Bảng 2.1. Vi sinh vật tổng hợp amylase (Nguyễn Đức Lƣợng, 2006) Vi sinh vật Enzyme pH tối ƣu Nhiệt độ tối ƣu Aspergillus awamori α-amylase 4,5 - 6,2 400C β-amylase 3,5 - 7,0 500C glucoamylase 4,5 - 4,7 55 - 700C α-amylase 4,7 - 4,6 650C glucoamylase 3,8 500C α-amylase 3,8 500C glucoamylase 5,0 550C α-amylase 5,5 - 5,9 50 - 570C β-amylase 4,8 300C glucoamylase 4,8 500C Bacillus amyloliquefaciens α-amylase 5,7-6,0 55 - 600C Bacillus diastaticus α-amylase 5,8 700C Bacillus substilis α-amylase 4,6-5,1 370C Endomyces sp. glucoamylase 4,8 550C Rhizopus delemar glucoamylase 5,5 450C Aspergillus niger Aspergillus usami Aspergillus oryzea 2.2. Chi Bacillus và vi khuẩn Bacillus amyloliquefaciens 2.2.1. Chi Bacillus Bacillus là một trong những vi sinh vật đầu tiên đƣợc phát hiện và mô tả trong giai đoạn đầu của tiến trình phát triển ngành vi sinh vật học ở cuối thế kỷ XIX (Trịnh Thành Trung và cộng sự, 2013). Đây là một chi lớn với gần 200 loài vi khuẩn hiếu khí, hình que, Gram dƣơng và có khả năng sinh nội bào tử để chống chịu các điều kiện bất thƣờng của môi trƣờng sống (P. D. Vos và cộng sự, 2009). Chi Bacillus phân bố rất rộng trong tự nhiên, nhất là trong đất, chúng tham gia tích CHƢƠNG 2. TỔNG QUAN