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 (tt)

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 (LA tiến sĩ)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 (LA tiến sĩ)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 (LA tiến sĩ)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 (LA tiến sĩ)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 (LA tiến sĩ)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 (LA tiến sĩ)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 (LA tiến sĩ)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 (LA tiến sĩ)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 (LA tiến sĩ)

MỞ ĐẦU

Các làng nghề chế biến tinh bột dong riềng và miến dong ở Việt Nam đang góp phần phát triển kinh tế các vùng nông thôn Tuy nhiên, mặt trái của hoạt động sản xuất làng nghề là vấn nạn ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, điểm nóng bức xúc của xã hội

do chất thải giàu hữu cơ chưa được xử lý thích hợp, ảnh hưởng lớn đến đời sống người dân và xã hội

Các giải pháp công nghệ hiện nay chưa giải quyết dứt điểm và triệt để vấn đề chất thải làng nghề sản xuất tinh bột dong riềng do gặp nhiều khó khăn (diện tích chật hẹp khó xây dựng, kinh phí đầu tư lớn, thời gian khởi động dài, chi phí cao và vận hành phức tạp )

Hướng tới mục tiêu xử lý môi trường làng nghề sản xuất tinh bột dong riềng, đồng thời tận thu, tái chế chất thải thành các sản phẩm có giá trị khác, tác giả đã nghiên cứu phát triển và ứng dụng giải pháp công nghệ xử lý và khai thác ô nhiễm với

đề tài:

“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”

 Mục tiêu nghiên cứu

- Tạo được hệ vi sinh vật thích ứng với giải pháp công nghệ xử lý và khai thác chất thải trong bể xử lý sinh học hiếu khí tích hợp 5 chức năng điều chỉnh được có tách sớm phân ly thu bùn hoạt tính ngay trong quá trình xử lý Hệ vi sinh sẽ được bổ sung vào giai đoạn khởi động nhằm rút ngắn thời gian vận hành hay xác lập lại trạng thái làm việc ổn định khi có sự cố và sẵn sàng để sử dụng khi mùa vụ sản xuất

- Xây dựng được quy trình lên men thu sinh khối, sản xuất chế phẩm và thử nghiệm năng lực xử lý nước thải ở phòng thí nghiệm và hiện trường của chế phẩm

- Xử lý và tận dụng bã thải để nuôi trồng nấm sò trắng (Pleurotus florida)

 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu xác định các thông số ô nhiễm trong nước thải làng nghề sản xuất tinh bột dong riềng và miến dong

- Phân lập, tuyển chọn các chủng vi khuẩn Bacillus bản địa, có các đặc tính

mới (năng lực sử dụng cơ chất đa dạng, thích nghi tốt với nước thải, xử lý làm giảm nhanh ô nhiễm và tạo bùn hoạt tính kết lắng thuận lợi) làm tác nhân chủ đạo trong hệ thống bể xử lý tích hợp 5 chức năng

- Nghiên cứu xây dựng quy trình lên men thu sinh khối tạo chế phẩm vi sinh vật xử lý nước thải từ các chủng tuyển chọn

- Nghiên cứu thử nghiệm năng lực xử lý nước thải của chế phẩm ở quy mô phòng thí nghiệm và hiện trường

- Nghiên cứu xử lý, tận dụng bã thải để nuôi trồng nấm sò trắng (Pleurotus florida) và bước đầu đánh giá hiệu quả kinh tế thu được

 Những đóng góp mới của luận án

1 Đề tài đã phân lập và tuyển chọn được 3 chủng vi khuẩn bản địa: Bacillus subtilis NT1; Bacillus methylotrophycus Ba1 và Bacillus amyloliquefaciens H12 (hiếu khí, thích nghi nhanh với môi trường nước thải; năng lực giảm nhanh ô nhiễm - COD giảm ≥ 90%; tạo bông bùn kết lắng thuận lợi - sau 10 phút hầu hết lượng bùn lớn đã lắng hết với SVI nằm trong khoảng 90 – 120 ml/g, nước sau xử lý trong) phù hợp với công nghệ bể xử lý sinh học hiếu khí tích hợp 5 chức năng

2 Đã thử nghiệm ứng dụng chế phẩm xử lý trong phòng thí nghiệm với thời gian khởi động và vận hành ổn định hệ thống là 4 ngày, hiệu suất xử lý COD đạt ≥ 90%, hiệu suất xử lý tổng nitơ đạt ≥ 80% Trên hiện trường ở bể xử lý sinh học hiếu khí tích hợp 5 chức năng, thể tích 33 m3, thời gian cần thiết để xác lập trạng thái vận hành khởi động đạt trạng thái xử lý ổn định là 20 ngày khi giá trị COD nước thải đầu vào cao (≥ 4000ng/l) Kết quả xử lý ổn định với hiệu suất cao, nước đầu ra của hệ thống đạt tiêu chuẩn cột A theo QCVN 40:2011/BTNMT

3 Đã đề ra giải pháp tách bã dong riềng sớm, bảo quản chất lượng bã đảm đáp ứng yêu cầu để nuôi trồng nấm ăn Hiệu quả trồng nấm sò trắng trong điều kiện thử nghiệm đã thu được năng suất 49,52% (495,2 kg nấm tươi/tấn bã dong khô và lược toán hiệu quả kinh tế gia tăng đạt 4.170.000đ/1 tấn bã dong khô)

1 TỔNG QUAN

1.1 Thực trạng nguyên liệu, Công nghệ sản xuất và môi trường làng nghề sản xuất tinh bột dong riềng miến dong

1.2 Thành phần đặc tính chất thải ngành sản xuất tinh bột

1.3 Giải pháp công nghệ xử lý chất thải ngành sản xuất tinh bột

1.4 Phân tích lựa chọn giải pháp công nghệ xử lý chất thải làng nghề sản xuất tinh bột dong riềng và miến dong

2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Đối tượng và vật liệu nghiên cứu

2.2 Phươn h n hi n ứ

2.2.1 Xác định đặc tính nước thải

Nước thải được đánh giá các thông số (COD; BOD5; TN; TP; e.coli; SS, )

theo bộ tiêu chuẩn được quy định tại TCVN

2.2.2 Phân lập, tuyển chọn, định danh các chủng vi khuẩn bản địa

2.2.3 Điều kiện lên men thu sinh khối các chủng vi khuẩn

Lên men và tối ưu các thông số của quá trình thu sinh khối các chủng được tuyển chọn trong môi trường nuôi cấy chìm theo phương pháp bề mặt đáp ứng và quy hoạch Box-

Benken- phần mềm DX 7.15

2.2.4 Nghiên cứu tạo chế phẩm vi sinh từ các chủng tuyển chọn

2.2.5 Thử nghiệm năng lực xử lý nước thải của chế phẩm trong phòng thí nghiệm

Thực hiện thử nghiệm trong bình nón; bình gián đoạn 5 lít và bể liên tục 35 lít

2.2.6 Thử nghiệm năng lực xử lý nước thải của chế phẩm tại hiện trường

Chế phẩm được bổ sung để xử lý nước thải trong bể xử lý sinh học hiếu khí tích hợp 5 chức năng thể tích 33 m3 xây dựng tại làng nghề Minh Hồng, Ba Vì, Hà Nội

2.2.7 Nghiên cứu xử lý, ứng dụng bã dong riềng để nuôi trồng nấm sò trắng

Bã dong riềng được xử lý để nuôi trồng nấm sò trắng Pleurotus florida theo

Đinh Xuân Linh 2012

3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1 Đặ tính nước thải làng nghề sản xuất tinh bột dong riềng

Nước thải xả sau bể lắng chứa chất hữu cơ nồng độ cao, với COD ≥ 6000 mg/l BOD5 ≈ 4000 mg/l (BOD5/COD ≈ 0,67), SS cao và pH thấp

Bảng 3.1: Các thông số nước thải làng nghề sản xuất tinh bột

dong riềng và miến dong

TT Chỉ tiêu Đơn vị Kết quả phân tích QCVN

40:2011/BTNMT(cột B) Sau lắng Trên dòng

-

3.2 Phân lập, tuyển chọn các chủng vi sinh vật bản địa thích ứng với công nghệ trong bể tích hợp 5 chứ năn

a Các chủng có năng lực đồng hóa cơ chất đa dạng

Từ các mẫu nước thải và bùn thải, gia nhiệt 80oC trong 20 phút, phân lập được

45 chủng vi khuẩn trên môi trường thạch 12 chủng có hoạt tính enzyme (amylase; CMCase; xylanase; protease) được phân lập (bảng 3.2)

Bảng 3.2: Hoạt tính enzyme của 12 chủng vi khuẩn phân lập được

TT Ký hiệu Gram Caltalase

Đường kính vòng phân giải ơ hất

(mm) Tinh bột

(D/d)

CMC (D/d)

Sữa gầy (D-d)

Xylan (D-d)

Từ 12 chủng đã sàng lọc 5 chủng có năng lực phát triển sinh khối nhanh trong nước thải: NT1; NT2; Ba1; H12; C5, sau 24 giờ nuôi cấy trong nước thải, mật độ đạt 108– 109Cfu/ml (Hình 3.1 A), năng lực xử lý COD (Hình 3.1 B) tốt

Hình 3.1: Mật độ tế bào (A) và COD nước thải của các chủng được tuyển chọn (B)

c Năng lực kết bông của sinh khối và đặc tính kết lắng thuận lợi của bùn

Bảng 3.3: Đặc điểm và thông số của bùn hoạt tính từ các chủng được

tuyển chọn

SV 30

(ml)

SV 10 (ml)

MLSS (mg/l)

MLVSS

Đặ điểm bùn và nước sau xử lý

NT1 125 120 1324 ± 5,6 1267 ± 6,1 94,4 ± 0,74

Nâu vàng, bông mịn, lắng rất nhanh, nước nâu

Ba1 115 100 1125 ± 5,2 1078 ± 5,3 102,2 ± 0.81

Vàng nâu, bông bùn

to, lắng khá tốt, nước sau xử lý nâu

H12 98 85 827 ± 4,9 787 ± 4,7 118,5 ± 0,91

Vàng nâu, mịn, lắng bình thường, nước sau

Bảng 3.4: Năng lực xử lý màu nước thải làng nghề sản xuất tinh bột dong riềng của các

chủng vi khuẩn được tuyển chọn

Như vậy, từ các kết quả tuyển chọn các chủng kết luận rằng:

Chủng Ba1 chuyển hóa hợp chất hữu cơ hiệu quả nhất, thích nghi tốt với nước thải Chủng NT1 có năng lực tạo bùn và kết lắng tốt nhất; Chủng H12 có năng lực xử lý màu nước thải, sau xử lý nước trong

d Kiểm định khả năng cùng tồn tại của các chủng được tuyển chọn

Khi cấy ria trên cùng môi trường cho thấy: cả 3 chủng không có hoạt tính đối kháng nhau (Hình 3.2)

Hình 3.2: các chủng vi khuẩn trên cùng môi trường

3.3 X định lƣợng chất rắn (SS) lắng theo bùn hoạt tính của các chủng

Xác định năng lực kéo theo các hợp chất polymer không tan trong nước thải

Với hai mẫu nước thải, một mẫu có chứa SS, và một mẫu đã lọc loại SS Bổ sung các chủng được tuyển chọn, sau xác định COD, MLSS, Kết quả trong bảng 3.4

Bảng 3.5: Giá trị các chỉ số của nước thải trước lọc và sau lọc

MLSS (mg/l)

Hệ số tạo sinh khối

COD (mg/l)

MLSS (mg/l)

Hệ số tạo sinh khối

còn lại trong bùn

Bị phân giải

24 giờ 124 309 1483 0,63 102 1174 0,78 89,4 10.6

Tỷ lệ SS còn lại trong bùn (MLSS) lớn, chiếm 89,4% Điều này chứng tỏ hệ vi

sinh vật chủ yếu sử dụng chất hữu cơ hòa tan để phát triển sinh khối và chỉ phân giải

một phần nhỏ chất ô nhiễm không tan (10,6%)

3.4 Định danh các chủng nghiên cứu

Dựa vào đặc điểm hình thái khuẩn lạc và tế bào của 3 chủng theo sổ tay phân

loại vi sinh vật Begey's: cả 3 chủng đều thuộc chi Bacillus (Bảng 3.5)

Đề tài sau đó đã sử dụng bộ kit thử API 50 CHB (BioMérieu, Pháp) xác định

đến loài các chủng và kết quả như sau:

- Chủng Ba1 thuộc loài B methylotrophycus, tương đồng 97,2%

- Chủng NT1 thuộc loài B subtilis, tương đồng 96,6%

- Chủng H12 thuộc loài B amyloliquefaciens, tương đồng 97,4%

Kết quả tách chiết DNA, giải trình tự gen và xây dựng cây phân loại của các chủng thể hiện trên hình 3.3 và 3.4

Bảng 3.6: Hình thái khuẩn lạc và đặc điểm tế bào các chủng vi khuẩn

TT Chủng

Kích thước khuẩn lạc (mm)

Đặc điểm khuẩn lạc Gra

m Hình thái tế bào

Catalase

Tròn, trắng sữa, bề mặt sần sùi, viền răng cưa, bám chắc thạch

G+

Que, hai đầu tròn, đứng riêng hoặc xếp đôi, có bào tử

+

Khuẩn lạc tròn, nhỏ, trắng kem, mặt nhăn, cạnh có khía, bám chắc

G+ Trực khuẩn, xếp đôi hoặc riêng rẽ, bào tử +

3 H12 0,5 - 2

Tròn, trắng đục, bề mặt nhăn khô, tâm lồi sần sùi, viền răng cưa

G+ Que, nằm riêng hoặc xếp đôi, bào tử lệch tâm +

Hình 3.3: Ảnh điện di DNA của các chủng trên gel agarose

Hình 3.4: Sơ đồ phát sinh chủng loại của 3 chủng NT 1 ; Ba 1 và H 12

Như vậy, khi so sánh với trình tự các chủng có quan hệ họ hàng gần thấy:

- Chủng Ba1 thuộc loài Bacillus methylotrophycus.; Chủng NT1 thuộc loài

Bacillus subtilis; Chủng H12 thuộc loài Bacillus amyloliquefaciens

3.5 Lên men thu sinh khối các chủng đƣợc tuyển chọn

3.5.1 Các yếu tố ảnh hưởng tới lên men thu sinh khối các chủng

a Ảnh hưởng của nguồn cacbon

Lựa chọn nguồn cacbon là đường, tinh bột, CMC Kết quả trong hình 3.5

Hình 3.5: Ảnh hưởng của nguồn cacbon tới phát triển sinh khối các chủng

Nguồn cacbon thích hợp nhất cho phát triển sinh khối NT1 là glucose, sau 24 giờ, mật độ đạt 8,17 Lgcfu/ml Hai chủng: Ba1 và H12 thích hợp với tinh bột, mật độ đạt lần lượt 8,12 và 7,73 Lgcfu/ml sau 24 giờ nuôi cấy

b Ảnh hưởng của nguồn nitơ

Chọn nguồn nitơ hữu cơ: Pepton, cao nấm men và vô cơ: muối amon, muối nitrat và kết hợp các nguồn, kết quả trong hình 3.6

Chủng NT1 và H12, thích hợp nhất là pepton, mật độ đạt lần lượt là 8,5 và 8,18 Lgcfu/ml Chủng Ba1 thích hợp cao nấm men, mật độ đạt 8,32 Lgcfu/ml

Hình 3.6: Ảnh hưởng nguồn nitơ tới phát triển sinh khối các chủng

c Ảnh hưởng của hàm lượng cacbon và nitơ

 Chủng NT1 (Hình 3.7)

Lượng glucose 10g/l và pepton 5g/l thích hợp nhất cho thu sinh khối NT1

Hình 3.7: Ảnh hưởng của nồng độ glucose và pepton tới NT 1

 Chủng Ba1 (Hình 3.8)

Hình 3.8: Ảnh hưởng của hàm lượng tinh bột và cao nấm men tới Ba 1

Chủng Ba1, sinh khối phát triển tốt nhất đạt 8,72 LgCfu/ml trong môi trường chứa tinh bột 10g/l và 4 g/l cao nấm men

 Chủng H12 (Hình 3.9)

Hình 3.9: Ảnh hưởng của hàm lượng tinh bột và pepton tới H 12

sinh khối H12 lớn nhất, 8,48 LgCfu/ml trong môi trường 15g/l tinh bột và 3g/l pepton

d Ảnh hưởng của pH môi trường và tỉ lệ cấp giống

Cả 3 chủng thích hợp nhất ở pH 6, mật độ đạt là 9,79; 9,96 và 9,69 LgCuf/ml Hai chủng H12 và NT1 tỷ lệ cấp giống thích hợp 5% (v/v), chủng Ba1, tỉ lệ cấp giống thích hợp ở 7% (v/v) (Hình 3.10)

Hình 3.10: Ảnh hưởng của tỉ lệ giống cấp và pH tới sinh khối các chủng

e Ảnh hưởng của nhiệt độ và tốc độ lắc

Hình 3.11: Ảnh hưởng của nhiệt độ và tốc độ lắc

Khi tốc độ lắc tăng, hàm lượng sinh khối tăng và mật độ đạt cao nhất, lần lượt

là 10,25, 10,41 và 9,75 LgCfu/ml khi tốc độ lắc 200 v/p

Nhiệt độ: chủng NT1 phát triển tốt nhất ở 30oC, hai chủng Ba1 và H12 phát triển tốt nhất ở 35oC, sinh khối các chủng đạt lần lượt: 10,89; 10,67 và 9,89 LgCfu/ml

f Ảnh hưởng của thời gian lên men

Hình 3.12: Ảnh hưởng của thời gian lên men

Các chủng sinh trưởng mạnh nhất từ 12 - 24 giờ, mật độ tế bào từ 1010 đến

1011 cfu/ml Sau 36 và 48 giờ, mật độ giảm Từ thời điểm bắt đầu pha cân bằng (36 giờ) lượng bào tử các chủng tăng mạnh kể cả trong pha suy vong (Hình 3.12)

3.5.2 Tối ưu các yếu tố nuôi cấy thu sinh khối các chủng

Sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm Box–Behnken design và phần mềm DX7.1.5 để tối ưu hóa các thông số thu được kết quả như sau:

Tinh bột: 10,95g/l; nhiệt độ 35,97oC, pH = 6,91; Sinh khối: 9,71 lgCuf/ml

3.5.3 Nghiên cứu lên men thử nghiệm môi trường thay thế

Để tiết giảm chi phí khi lên men lớn, đề tài nghiên cứu thử nghiệm lựa chọn môi trường đơn giản, chi phí thấp:

MT1: nước thải dong riềng (COD = 2000mg/l) + 5g/l pepton

MT2: nước thải đậu phụ (COD = 2000 mg/l) + 5g/l tinh bột

MT3: nước thải đậu phụ COD 2000mg/l (50%) + nước thải dong riềng COD 2000mg/l (50%)

Bảng 3.7: Mật độ tế bào của 3 chủng ở các môi trường thay thế

ba chủng đạt cao nhất, tới 109 và 1010 Cfu/ml Do đó, khi lên men trong thể tích lớn có thể dùng môi trường thay thế để tiết giảm chi phí

3.5.4 Thử nghiệm lên men trong thiết bị lên men thể tích 5 lít

Lên men các chủng được tuyển chọn trong thiết bị lên men thể tích 5 lit Ảnh hưởng của lưu lượng sục khí đến hiệu quả thu hồi sinh khối các chủng đã được nghiên

cứu, kết quả thu được thể hiện trong hình 3.13

Hình 3.13: Ảnh hưởng của tốc độ cấp khí tới sự phát triển sinh khối các chủng

Đối với 2 chủng Ba1 và NT1, sinh khối phát triển tốt nhất ở tốc độ cấp khí mức 1,25 lít khí/ lít môi trường/phút Chủng H12, tốc độ cấp khí tốt nhất ở mức 1 lít khí/lít môi trường/ phút

Vậy thông số của quá trình lên men thu sinh khối các chủng như sau:

- Chủng B subtilis NT1: lên men trong MT3; 30oC, cấp giống 5% (v/v); pH 6, cấp khí 1,25 v/v/p

- Chủng B methylotrophycus Ba1: MT3; nhiệt độ 35oC; pH 6; cấp giống 7% (v/v), cấp khí 1,25 v/v/p

- Chủng B amyloliquefaciens H12: MT3; nhiệt độ 36oC, cấp giống 5% (v/v),

pH 7, cấp khí 1,0 v/v/p

3.6 Tạo chế phẩm vi sinh vật từ ba chủng Bacillus bản địa đƣợc tuyển chọn

3.6.1 Lựa chọn chất mang

Mật độ vi sinh vật cao trên cao lanh, mỗi chủng riêng rẽ đạt 109 – 1010 Cfu/g và

ổn định sau 30 ngày Với than bùn mật độ vi sinh vật thấp hơn, 107 – 108

Cfu/g

Bảng 3.8: Mật độ vi sinh trên chất mang

Than Bùn

0 giờ 2,3.107 1,8.108 2,6.107

30 ngày 1,9.107 1,2.108 2,2.107 Cao

lanh

0 giờ 1,3.1010 1,7.1010 4,2.109

30 ngày 1,5.1010 1,4.1010 3,9.109

3.6.2 Thành phần các vi sinh vật nghiên cứu trong chế phẩm

Bảng 3.9: Thành phần phối trộn chủng tới hiệu suất xử lý

MLVSS (mg/l) SV10 SV30 SVI

Thời gian

xử lý (giờ)

Mật độ vi sinh/chất mang (Cfu/g)

0 giờ 30 ngày 1:1:1 89,7 1108±6,9 1021± 8,3 90 95 85,74 20 5,6.109 5,2.109 1:2:1 92,3 1140±7,5 1061± 8,8 98 102 89,47 18 6,3.109 6,2.109 2:1:2 88,6 1030±7,9 958 ± 7,2 95 100 97,08 18 5,2.109 4,9.1091:1:2 84,8 970±8,2 894 ± 8,6 82 87 89,69 24 3,8.109 3,6.109 2:2:1 90,8 1102±5,4 998 ± 7,8 93 98 88,77 18 6,1.109 5,9.109

Tỉ lệ kết hợp các chủng là 1:2:1 cho hiệu suất xử lý COD (92,3% sau 18 giờ), lượng bùn lớn: 1140 mg/l, bùn kết bông và lắng nhanh với SVI đạt 89,47 ml/g

3.6.3 Xác định nhiệt độ sấy

Bảng 3.10: Ảnh hưởng của nhiệt độ sấy chế phẩm

Nhiệt độ sấy (oC) Mật độ (Cfu/g) Độ ẩm (%) Thời gian sấy (giờ)