Thạc Sĩ Nghiên cứu ứng dụng vi sinh vật và vi tảo lam Spirulina trong xử lý nước thải làng nghề bún Phú Đô

MỞ ĐẦU
Nền kinh tế xã hội nông nghiệp ở nước ta đã hình thành và phát triển từ rất lâu đời cùng với lịch sử lâu dài dựng nước và giữ nước của dân tộc. Trong suốt tiến trình phát triển lâu dài ấy, các làng nghề truyền thống cũng đã hình thành và phát triển trong nông thôn Việt Nam và đóng một vai trò quan trọng trong nền kinh tế. Sự phát triển của các làng nghề không những góp phần giải quyết việc làm cho nhiều lao động, nâng cao thu nhập cho người dân địa phương nói riêng mà còn góp phần vào sự phát triển nền kinh tế của cả nước nói chung. Đặc biệt, trong nền kinh tế thị trường với chính sách phát triển kinh tế nhiều thành phần ở nước ta hiện nay, các làng nghề truyền thống vẫn đang phát triển mạnh mẽ.
Sự phát triển của làng nghề đem lại nhiều lợi ích kinh tế nhưng song song với nó là tiềm ẩn những nguy cơ gây ô nhiễm môi trường. Thực trạng ô nhiễm môi trường trong các làng nghề truyền thống và các cơ sở ngành nghề nông thôn ngày nay đang ngày càng gia tăng. Do ý thức bảo vệ môi trường còn thấp của con người trong quá trình sản xuất, các loại chất thải được thải ra môi trường sống xung quanh mà không được thu gom và xử lý triệt để nên tình trạng ô nhiễm môi trường đã và đang xảy ra rất nghiêm trọng ở các làng nghề truyền thống ở Việt Nam.
Là một trong những làng nghề truyền thống vốn có từ lâu đời của thành phố Hà Nội, làng nghề sản xuất bún Phú Đô cũng đang phải đối mặt với vấn đề ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Từ trước tới nay, nước thải của làng nghề này vẫn được xả trực tiếp xuống một con mương chung của làng mà không qua bất kỳ một hệ thống xử lý nước thải nào. Vì vậy, nước thải của làng nghề bún Phú Đô luôn trong tình trạng bị ô nhiễm hữu cơ nặng nề với nồng độ nitơ, photpho và hàm lượng BOD5, COD trong nước thải rất lớn. Do đặc thù của nước thải sản xuất bún là ô nhiễm chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học nên việc áp dụng các biện pháp sinh học nói chung hay xử lý bằng bùn hoạt tính nói riêng để xử lý nước thải là hoàn toàn phù hợp. Việc kết hợp sử dụng các loài tảo cùng các vi sinh vật (VSV) để xử lý nước thải ô nhiễm hữu cơ được coi là một giải pháp khá hợp lý do trong nước thải, hàm lượng nitơ và photpho là nguồn dinh dưỡng rất tốt cho sự sinh trưởng và phát triển của tảo. Ngoài ra, việc thu hồi sinh khối tảo trong nước thải sau xử lý có thể thực hiện một cách dễ dàng và thuận tiện bằng cách vớt hay lọc bằng lưới, góp phần làm giảm giá thành xử lý.
Chất dẻo sinh học (bioplastic) là một loại vật liệu mới đang ngày càng thu hút sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nhà khoa học trên thế giới. Không giống như các chất dẻo thông thường khác, chất dẻo sinh học là loại vật liệu “xanh” thân thiện môi trường với thời gian phân hủy ngắn do chúng có nguồn gốc chủ yếu từ thực vật và các loại VSV. Sự ra đời của chất dẻo sinh học có thể được coi là cuộc cách mạng quan trọng trong công nghệ chất dẻo và được xem như một giải pháp nhằm giảm dần sự lệ thuộc vào dầu mỏ đang có nguy cơ cạn kiệt, đồng thời góp phần bảo vệ môi trường. Là một trong những chất dẻo sinh học, poly-3-hydroxyalkanoates – PHA được tìm thấy trong cơ thể các VSV và vi tảo, trong đó có vi tảo lam Spirulina.
Việc kết hợp sử dụng các VSV và vi tảo lam Spirulina trong xử lý nước thải giàu hữu cơ tại làng nghề bún Phú Đô và thu nhận chất dẻo sinh học từ sinh khối tảo mang ý nghĩa về mặt khoa học và thực tiễn cao. Do vậy, chúng tôi đã tiến hành thực hiện đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng vi sinh vật và vi tảo lam Spirulina trong xử lý nước thải làng nghề bún Phú Đô” với các nội dung sau:
- Đánh giá hiện trạng và xác định đặc trưng của nước thải sản xuất bún tại làng nghề bún Phú Đô;
- Nghiên cứu xác định các thông số tối ưu cho quá trình xử lý nước thải sản xuất bún, gồm các thông số sau: thời gian lắng tối ưu, nồng độ bùn hoạt tính tối ưu, nồng độ nitơ, nồng độ photpho và thời gian sục khí tối ưu cho quá trình xử lý;
- Dựa vào kết quả nghiên cứu xác định các thông số tối ưu cho quá trình xử lý nước thải, đưa ra được quy trình xử lý nước thải sản xuất bún Phú Đô bằng VSV và vi tảo lam Spirulina platensis;
- Đánh giá khả năng sinh trưởng và phát triển của chủng tảo lam Spirulina platensis qua các ngày nuôi cấy trong nước thải;
- Xác định hàm lượng PHA trong sinh khối tảo Spirulina thu được sau xử lý;
- Sơ bộ đánh giá hiệu quả xử lý nước thải làng bún Phú Đô bằng bùn hoạt tính và vi tảo lam Spirulina platensis.



MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 4
1.1 Điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội vùng nghiên cứu 4
1.1.1 Điều kiện tự nhiên 4
1.1.2 Đặc điểm kinh tế xã hội 4
1.1.3 Công nghệ sản xuất bún truyền thống tại làng bún Phú Đô 5
1.2 Nước thải và phương pháp xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính 6
1.2.1 Phân loại nước thải và các chất gây ô nhiễm trong nước thải 6
1.2.2 Hệ vi sinh vật trong nước thải 8
1.2.3 Cơ sở sinh học của quá trình làm sạch nước thải 9
1.2.4 Cơ chế phân giải tinh bột nhờ vi sinh vật 11
1.2.5 Xử lý nước thải bằng phương pháp bùn hoạt tính 12
1.3 Nghiên cứu khả năng xử lý nước ô nhiễm bằng vi tảo 15
1.4 Giới thiệu chung về tảo lam Spirulina 17
1.4.1 Đặc điểm hình thái và cấu trúc tế bào của tảo lam Spirulina 17
1.4.2 Đặc điểm sinh lý, sinh hóa và thành phần dinh dưỡng của tảo lam
Spirulina 18
1.4.3 Tình hình nghiên cứu tảo lam Spirulina 23
1.5 Giới thiệu chung về chất dẻo sinh học và PHAs 28
1.5.1 Giới thiệu chung về chất dẻo sinh học 28
1.5.2 Giới thiệu về PHAs 30
CHƯƠNG 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 34
2.1 Vật liệu nghiên cứu 34
2.2 Phương pháp nghiên cứu 37
2.2.1 Phương pháp xác định số lượng các nhóm VSV trong nước thải và trong
bùn hoạt tính 37
2.2.2 Phương pháp nuôi tạo bùn hoạt tính 40
2.2.3 Phương pháp xác định các thông số xử lý nước thải tối ưu 41
2.2.4. Xác định tốc độ sinh trưởng phát triển của tảo lam Spirulina platensis bằng phương pháp đo mật độ quang học (OD) tại bước sóng 420 nm 43
2.2.5. Xác định hiệu quả xử lý nước thải sau từng giai đoạn 43
2.2.6. Phương pháp xác định hàm lượng PHA của tảo Spirulina platensis 45
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 46
3.1 Kết quả đánh giá hiện trạng và đặc trưng của nước thải sản xuất bún tại
làng bún Phú Đô 46
3.2 Kết quả xác định thời gian lắng tối ưu cho VSV phát triển 48
3.3 Kết quả nuôi tạo bùn hoạt tính từ nước thải sản xuất bún 50
3.4 Kết quả xác định hàm lượng bùn hoạt tính tối ưu cho quá trình xử lý 52
3.5 Kết quả xác định nồng độ Nitơ và Photpho tối ưu 53
3.5.1 Kết quả xác định nồng độ Nitơ tối ưu 53
3.5.2 Kết quả xác định nồng độ Photpho tối ưu 54
3.6 Kết quả xác định thời gian sục tối ưu đối với nước thải 55
3.7 Kết quả về sự thay đổi các thông số đặc trưng của nước thải và VSV phân
giải tinh bột trong các giai đoạn xử lý nước thải sản xuất bún Phú Đô 56
3.8 Sinh trưởng của tảo lam Spirulina platensis CNTĐB thu được trong nước thải làng nghề bún Phú Đô 61
3.9 Kết quả phân tích hàm lượng PHA ở chủng Spirulina platensis CNT và
CNTĐB 63
3.9.1 Kết quả phân tích hàm lượng PHA tích lũy ở chủng Spirulina platensis CNT dưới điều kiện tạp dưỡng và chiếu tia UV 63
3.9.2 Xác định hàm lượng PHA trong sinh khối tảo Spirulina thu được sau 20 ngày nuôi cấy trong môi trường nước thải sản xuất bún 66
3.10 Đánh giá sơ bộ hiệu quả xử lý nước thải sản xuất bún 66
CHƯƠNG 4 . KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 68
Kết luận 68
Kiến nghị 69
TÀI LIỆU THAM KHẢO 71
PHỤ LỤC 80

DANH MỤC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. Quần thể VSV trong bùn hoạt tính 14
Bảng 2. Tính chất vật lý của một vài dạng PHA và polypropylene 31
Bảng 3. Thành phần môi trường SOT 36
Bảng 4. Bảng tra MPN dùng cho loạt 3 ống nghiệm ở 3 nồng độ pha loãng liên
tiếp 39
Bảng 5. Đặc trưng của nước thải sản xuất bún tại hệ thống cống chung cuối làng
Phú Đô 47
Bảng 6. Sự biến động về thành phần VSV tổng số trong nước thải được lấy từ hệ
thống cống chung cuối làng 48
Bảng 7. Thành phần và số lượng VSV trong bùn hoạt tính đã nuôi được
(CFU/ml) 50
Bảng 8. VSV tổng số có mặt trong nước thải được bổ sung bùn hoạt tính nuôi tạo
được ở các nồng độ khác nhau 52
Bảng 9. Số lượng VSV phân giải tinh bột có trong nước thải sau khi được bổ sung
phân đạm có nồng độ khác nhau 54
Bảng 10. Số lượng VSV phân giải tinh bột có trong nước thải sau khi được bổ
sung phân lân có nồng độ khác nhau 55
Bảng 11. Sự thay đổi VSV tổng số phân giải tinh bột theo thời gian sục ở nước
thải được bổ sung 5% bùn hoạt tính, phân đạm là 100 mg/l và phân lân là
80 mg/l 56
Bảng 12. Quy trình xử lý nước thải sản xuất bún tại hệ thống cống chung cuối làng
bún Phú Đô bằng bùn hoạt tính và chủng tảo lam Spirulina platensis CNTĐB 57
Bảng 13. Sự thay đổi các thông số COD, BOD5, Nts, Pts và VSV phân giải tinh bột
trong các giai đoạn xử lý nước thải sản xuất bún Phú Đô 60
Bảng 14. Hàm lượng PHAs tích lũy ở S. platensis CNT khi môi trường được bổ
sung các nguồn cácbon khác nhau 64
Bảng 15. Hiệu quả xử lý nước thải sản xuất bún bằng bùn hoạt tính và chủng tảo
lam Spirulina platensis CNTĐB 67
DANH MỤC HÌNH
Hình 1A. Hình ảnh về Spirulina platensis 18
Hình 1B. Hình ảnh về Spirulina maxima 18
Hình 2. Hình ảnh về Spirulina platensis trên thị trường dưới dạng dược phẩm 23
Hình 3. Cấu trúc của PHAs 31
Hình 4. Hình thái chủng tảo lam Spirulina platensis CNTĐB được nuôi trong
môi trường SOT 34
Hình 5. Sơ đồ thí nghiệm xử lý nước thải sản xuất bún ở làng nghề bún Phú Đô
bằng bùn hoạt tính và tảo lam Spirulina platensis CNTĐB 44
Hình 6A. Địa điểm thu mẫu nước thải tại cống chung thứ nhất cuối làng 46
Hình 6B. Nước thải tại cống chung thứ nhất cuối làng 46
Hình 6C. Địa điểm thu mẫu nước thải tại cống chung thứ hai cuối làng 46
Hình 6D. Nước thải tại cống chung thứ hai cuối làng 46
Hình 7A. Hình ảnh khuẩn lạc vi khuẩn có mặt trong nước thải sau 6 giờ 50
Hình 7B. Hình ảnh khuẩn lạc nấm men có mặt trong nước thải sau 18 giờ. 50
Hình 7C. Hình ảnh khuẩn lạc nấm mốc có mặt trong nước thải sau 18 giờ 50
Hình 7D. Hình ảnh khuẩn lạc nấm mốc có mặt trong nước thải sau 24 giờ 50
Hình 8A. Vi khuẩn phân giải tinh bột có mặt trong bùn hoạt tính 51
Hình 8B. Nấm men phân giải tinh bột có mặt trong bùn hoạt tính 51
Hình 8C. Nấm mốc phân giải tinh bột có mặt trong bùn hoạt tính 52
Hình 8D. Xạ khuẩn phân giải tinh bột có mặt trong bùn hoạt tính 52
Hình 9A. Thí nghiệm trước khi bổ sung tảo 58
Hình 9B. Thí nghiệm sau 1 ngày nuôi cấy tảo trong nước thải 58
Hình 9C. Thí nghiệm sau 6 ngày nuôi cấy tảo trong nước thải 59
Hình 9D. Thí nghiệm sau 20 ngày nuôi cấy tảo trong nước thải 59
Hình 10. Sinh trưởng của chủng tảo lam Spirulina platensis CNTĐB qua các ngày
nuôi cấy trong nước thải sản xuất bún đã qua giai đoạn xử lý bằng bùn hoạt tính và
sục khí 62
Hình 11A. Hình thái sợi tảo chủng CNTĐB trước khi nuôi trong nước thải 63
Hình 11B. Hình thái sợi tảo chủng CNTĐB sau khi nuôi trong nước thải
20 ngày 63