Nghiên cứu ứng dụng vi sinh vật và vi tảo lam Spirulina trong xử lý nước thải làng nghề bún Phú Đô - Phần 3

Nghiên cứu ứng dụng vi sinh vật và vi tảo lam Spirulina trong xử lý nước thải làng nghề bún Phú Đô - Phần 3.

Với quy trình xử lý được chỉ ra trên bảng 12, chúng tôi tiến hành lặp lại thínghiệm 2 lần Các thông số COD, BOD5, Nts, Pts được phân tích ở tất cả các giaiđoạn xử lý, bao gồm:

- Giai đoạn 1: để lắng 14 tiếng Ở giai đoạn này, nước thải sau khi lấy về

được cho vào thùng nhựa to dung tích 80 lít và để lắng trong 14 tiếng

- Giai đoạn 2: Sau thời gian lắng 14 tiếng, nước thải được chia đều vào các

bình thí nghiệm và chuyển sang giai đoạn sục khí trong 16 giờ có và không bổ sungbùn hoạt tính

- Giai đoạn 3: Sau 16 giờ sục ở giai đoạn 2 là giai đoạn nuôi chủng tảo lam

Spirulina platensis CNTĐB trong nước thải sản xuất bún trong 20 ngày

Hình 9 mô tả thí nghiệm trước và sau 1, 6 và 20 ngày nuôi chủng tảo

Spirulina platensis CNTĐB trong nước thải.

Hình 9A Thí nghiệm

trước khi bổ sung tảo

Hình 9B Thí nghiệm sau 1 ngày nuôi cấy tảo trong nước thải

Hình 9C Thí nghiệm sau 6 ngày

nuôi cấy tảo trong nước thải

Hình 9D Thí nghiệm sau 20 ngày nuôi cấy tảo trong nước thải

Kết quả về sự thay đổi các thông số COD, BOD5, Nts, Pts và VSV phân giảitinh bột trong các giai đoạn xử lý nước thải sản xuất bún được chỉ ra trên bảng 13

Bảng 13 Sự thay đổi các thông số COD, BOD 5 , N ts, P ts và VSV phân giải tinh bột

trong các giai đoạn xử lý nước thải sản xuất bún Phú Đô

thức thí

nghiệm

(MPN/ml)Vi

khuẩn

Nấmmen

Nấmmốc

Xạkhuẩn

VSVtổng số

M1.2: là công thức M1.1 sau 20 ngày;

M2.2: là công thức M2.1 sau 20 ngày;

M3.2: là công thức M3.1 sau 20 ngày;

nuôi

Kết quả trong bảng 13 cho thấy tại địa điểm thu mẫu nước thải bún Phú Đô,

hệ VSV phân giải tinh bột hiếu khí và kị khí đều rất phong phú Số lượng VSV kỵkhí phân giải tinh bột của nước thải sau khi để lắng 14 giờ đạt 0,21 x 102 MPN/ml.Trong nhóm VSV hiếu khí phân giải tinh bột, số lượng vi khuẩn phân giải tinh bộtđạt 20,5 x 109 CFU/ml, nấm men có khả năng phân giải tinh bột đạt 1,7 x 109 CFU/

ml, nấm mốc có khả năng phân giải tinh bột đạt 0,18 x 109 CFU/ml Các VSV kị khícùng với các VSV hiếu khí phân giải tinh bột tổng số này góp phần quan trọngtrong quá trình tự làm sạch của nước thải

Kết quả thí nghiệm cũng cho thấy nước thải sản xuất bún tại cống chung cuốilàng sau khi được xử lý bằng bùn hoạt tính và chủng tảo lam CNTĐB có hàm lượng

BOD5 sau xử lý là 52,02 mg/l, giảm đi 11,94 lần so với hàm lượng BOD5 của nướcthải ban đầu (621 mg/l); hàm lượng COD sau xử lý là 70,36 mg/l, giảm đi 19,56 lần

so với hàm lượng COD của nước thải ban đầu (1376 mg/l); hàm lượng Nts sau xử lýđạt 7,43 mg/l, giảm đi 11,47 lần so với hàm lượng Nts trong nước thải ban đầu(85,24 mg/l); hàm lượng Pts sau xử lý đạt 2,71 mg/l, giảm đi 2,55 lần so với hàmlượng Pts trong nước thải ban đầu (6,92 mg/l) Mẫu nước thải sản xuất bún tại cốngchung cuối làng sau khi được xử lý bằng bùn hoạt tính và chủng tảo lam CNTĐB làmẫu nước thải duy nhất có cả ba chỉ tiêu về hàm lượng COD, Nts và Pts đều đạtQCVN 24:2009/BTNMT (bảng 5)

3.8 Sinh trưởng của tảo lam Spirulina platensis CNTĐB thu được trong nước

thải làng nghề bún Phú Đô

Sau giai đoạn xử lý nước thải làng nghề bún Phú Đô bằng bùn hoạt tính và

sục khí trong 14 giờ, nước thải tiếp tục được sử dụng để nuôi chủng tảo lam S platensis CNTĐB trong điều kiện có bùn hoạt tính và sục khí Chúng tôi tiến hành

đo mật độ ở bước sóng 420 nm để xác định tốc độ sinh trưởng của tảo qua các ngày

nuôi cấy trong nước thải Sự thay đổi mật độ OD của chủng tảo lam S platensis

CNTĐB được nuôi trong nước thải sản xuất bún sau khi được xử lý bằng bùn hoạttính và sục khí được trình bày ở hình 10

Sinh trưởng của tảo qua các ngày nuôi cấy trong nước thải

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

Kết quả trình bày ở hình 10 cho thấy chủng tảo lam S platensis CNTĐB

phát triển tốt trong môi trường nước thải sản xuất bún Tốc độ sinh trưởng của tảotuy giảm trong ngày đầu tiên được nuôi cấy trong nước thải (mật độ OD giảm từ0,202 xuống còn 0,183) song bắt đầu tăng dần từ ngày thứ 2 được nuôi trong nướcthải (từ 0,183 trong ngày thứ 2 đến 0,301 trong ngày thứ 7) nhưng tăng với tốc độchậm Sở dĩ mật độ OD tăng chậm như vậy có thể được giải thích do đây là giaiđoạn thích nghi của tảo trong môi trường nước thải Từ ngày thứ 8 được nuôi cấytrong nước thải, tốc độ sinh trưởng của tảo bắt đầu tăng với tốc độ nhanh hơn vàđến ngày thứ 15, tốc độ sinh trưởng của tảo đã đạt 0,758 Bắt đầu từ ngày thứ 16,sinh trưởng của tảo đã vào giai đoạn ổn định Sau 18 ngày nuôi cấy trong nước thải,mật độ OD của tảo đạt 0,779 Đến ngày thứ 20 được nuôi cấy trong nước thải, mật

độ OD của tảo đạt 0,781 (gấp 3,87 lần so với tốc độ sinh trưởng ban đầu là 0,202)

Như vậy, với đặc thù nước thải sản xuất bún Phú Đô, chúng ta có thể sử

dụng chủng tảo S platensis CNTĐB để nuôi thử nghiệm thu sinh khối tảo, đồng

thời góp phần xử lý triệt để nước thải sau giai đoạn xử lý bằng VSV

Ngoài ra, trong quá trình nuôi trồng chủng tảo S platensis CNTĐB trong

nước thải sản xuất bún, chúng tôi cũng đã tiến hành quan sát hình thái sợi tảo Hình

thái của sợi tảo S platensis CNTĐB trước và sau khi nuôi cấy trong nước thải sản

xuất bún được trình bày ở hình 11 Kết quả trên hình 11 cho thấy hình thái sợi tảokhông bị thay đổi, sợi tảo không bị đứt gẫy, vẫn giữ được màu sắc đặc trưng của tảo

lam S platensis CNTĐB

Hình 11A Hình thái sợi tảo chủng

CNTĐB trước khi nuôi trong

nước thải

Hình 11B Hình thái sợi tảo chủng

CNTĐB sau khi nuôi trong nước thải

20 ngày

Kết quả chỉ ra trên hình 11 cho thấy chủng tảo lam Spirulina platensis

CNTĐB có thể sinh trưởng và phát triển tốt trong môi trường nước thải sản xuấtbún

3.9 Kết quả phân tích hàm lượng PHA ở chủng Spirulina platensis CNT và

CNTĐB

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

Kết quả phân tích hàm lượng PHA ở chủng Spirulina platensis CNT được

nuôi trên môi trường SOT có bổ sung natri axetat và glucoza ở các nồng độ khácnhau (0-5%) đã cho thấy có phát hiện thấy hàm lượng PHA Kết quả phân tích hàm

lượng PHA tích luỹ trong chủng S platensis CNT khi môi trường được bổ sung

nguồn cácbon là muối natri axetat và glucoza được trình bày ở bảng 14

Bảng 14 Hàm lượng PHA tích lũy ở S platensis CNT khi môi trường

được bổ sung các nguồn cácbon khác nhau

cácbon bổ sung

S platensis CNT

OD420 nm

Hàm lượng PHA(%TLK)

Kết quả trình bày ở bảng 14 cho thấy, dưới điều kiện quang tự dưỡng, chủng

S platensis CNT có khả năng tích lũy một hàm lượng nhỏ PHA (0,68%) ở pha log.

Hàm lượng PHAs nội bào ở chủng này tăng lên rõ rệt khi bổ sung nguồn cácbonngoại bào là muối natri axetat vào môi trường nuôi Sự tích lũy PHA cực đại thểhiện khi bổ sung 3,0% nguồn cácbon này là 1,58% so với TLK

Việc bổ sung glucoza chỉ có hiệu quả làm tăng hàm lượng PHA tổng hợp ở

chủng S platensis CNT với mức độ cực đại là 3,85% so với TLK tế bào ở nồng độ

0,5% glucoza sau 10 ngày nuôi cấy

Sau đó, chủng S platensis CNT được nuôi trong điều kiện tạp dưỡng nêu

trên trong một thời gian dài (trên 3 tháng) và tiến hành tạo đột biến chủng này bằngtia UV ở bước sóng 254 nm, thời gian chiếu mẫu là 5; 10; 15; 20; 25 và 30 phút, vớikhoảng cách đặt mẫu so với đèn UV được thay đổi Kết quả thí nghiệm nêu trên đã

cho phép chọn được điều kiện tối ưu cho quá trình tạo đột biến ở chủng S platensis

CNT với thời gian chiếu tối ưu bằng UV là 15 phút và khoảng cách giữa mẫu vàđèn UV là 10 cm (chi tiết của kết quả nêu trên không chỉ ra ở đây) Chủng đột biến

nhận được ký hiệu là S platensis CNTĐB và chủng này được tiếp tục nuôi cấy trên

môi trường SOT cũng như trong điều kiện tạp dưỡng để thu sinh khối ban đầu chocác thử nghiệm nuôi trồng chúng bằng nước thải sản xuất bún ở làng nghề Phú Đô

Việc tạo đột biến trên tảo bằng tia UV kết hợp với điều kiện chọn lọc thíchhợp là tương đối đơn giản Kết quả nghiên cứu của nhiều tác giả đã cho thấy tia UVvới liều chiếu thấp sẽ làm tăng quá trình phân chia tế bào trong khi liều chiếu cao sẽ

cảm ứng tạo các đột biến về hình thái [38] Do vậy, các chủng tảo đột biến chọn tạođược (với một đặc điểm mong muốn nào đó) cũng cần phải kiểm tra tính ổn địnhcủa tính trạng đó qua nhiều thế hệ Kết quả nghiên cứu của nhiều tác giả đã cho

thấy hàm lượng PHAs ở tảo lam Spirulina có thể lên tới 14% so với TLK của tế bào

nếu áp dụng các kỹ thuật ADN tái tổ hợp [37, 54, 56]

Enzym chìa khoá PHA- synthase đóng vai trò quan trọng trong quá trìnhtổng hợp PHAs ở các cơ thể sinh vật, gồm 2 tiểu phần pha E và pha C Vì vậy, đểnâng cao hàm lượng PHAs trong tảo lam này theo hướng áp dụng các kỹ thuật ditruyền, chúng tôi cũng đã tiến hành nhân gen mã hoá cho 2 tiểu phần này ở tảo lam

Spirulina, sau đó gắn 2 gen này vào vectơ chuyển gen và đưa chúng trở lại cơ thể Spirulina với các promoter mạnh trong Spirulina đã sàng lọc được 2 gen phaE và phaC sẽ được biến nạp trở lại cơ thể Spirulina nhờ sử dụng hệ thống Tn5

transposase/transposon DNA cation liposome complex để nâng cao hàm lượng

PHAs trong tảo này Để nâng cao hiệu suất biến nạp vào cơ thể Spirulina (do kích

thước của véctơ chuyển gen theo tính toán lý thuyết là lớn, khoảng 6Kb), vectơ

pHSG397 đã được chuyển nạp thành công vào cơ thể Spirulina theo phương pháp

thể mỡ (lipofection) theo công bố của Ngô Hoài Thu và cộng sự (2007) Với nhữngkết quả thu được, chúng tôi hi vọng rằng sẽ nâng cao được hàm lượng PHA trong

cơ thể tảo lam Spirulina bằng cách áp dụng kỹ thuật di truyền Các chủng đột biến

thu được được chúng tôi sử dụng trong xử lý nước thải của làng nghề bún Phú Đôsau này

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

Chủng S platensis CNTĐB sau khi đã nuôi trồng 20 ngày trong nước thải

sản xuất bún được sục khí và có bổ sung bùn hoạt tính 5% theo mô hình thí nghiệm

đã được mô tả trong phần vật liệu và phương pháp nghiên cứu cũng đã được chúngtôi thu hoạch sinh khối bằng cách lọc qua giấy lọc Hàm lượng PHA được tích luỹtrong sinh khối tảo đạt đến 5,21% so với TLK so với chủng gốc có hàm lượng PHA

chỉ đạt cực đại là 3,85% so với TLK tế bào ở nồng độ 0,5% glucoza sau 10 ngàynuôi cấy như đã nêu ở trên.

3.10 Đánh giá sơ bộ hiệu quả xử lý nước thải sản xuất bún

Chúng tôi cũng sơ bộ đánh giá hiệu quả xử lý nước thải sản xuất bún đượclấy tại hệ thống cống chung cuối làng thôn Phú Đô trước khi đổ vào mương chungchạy quanh làng trước khi đổ ra sông Nhuệ bằng bùn hoạt tính và chủng tảo lam

Spirulina platensis CNTĐB Hiệu quả xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính và chủng tảo lam Spirulina platensis CNTĐB được chỉ ra trên bảng 15.

Bảng 15 Hiệu quả xử lý nước thải sản xuất bún

bằng bùn hoạt tính và chủng tảo lam Spirulina platensis CNTĐB

Các giai đoạn

hoạt tính

Sục + bùn hoạttính + chủng tảoCNTĐBHiệu quả xử lý

đạt 94,89%, hiệu quả xử lý BOD5 đạt 91,62%, hiệu quả xử lý Pts đạt 60,84% vàhiệu quả xử lý Nts đạt 91,28%

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận

Từ các kết quả nghiên cứu được trình bày ở phần trên chúng tôi xin rút ramột số kết luận như sau:

1/ Nước thải sản xuất bún tại hệ thống cống chung cuối làng Phú Đô khôngđược qua hệ thống xử lý nước thải nào mà đổ trực tiếp xuống con mương chung củalàng trước khi đổ vào sông Nhuệ Nước thải có giá trị pH đạt trung tính, hàm lượngtinh bột cao và bị ô nhiễm hữu cơ nặng nề Hàm lượng COD đạt 1376 mg/l, cao gấp13,76 lần so với QCVN 24:2009/BTNMT loại B Hàm lượng BOD5 đạt 621 mg/l,cao gấp 12,42 lần so với QCVN 24:2009/BTNMT loại B Hàm lượng photpho tổng

số đạt 6,92 mg/l vượt quá QCVN 24:2009/BTNMT (6 mg/l) Hàm lượng nitơ tổng

số cao gấp 2,84 lần so với QCVN 24:2009/BTNMT (85,24 mg/l so với 30 mg/l)

2/ Quần thể vi sinh vật tại địa điểm thu mẫu nước thải rất phong phú Tổng

số vi sinh vật phân giải tinh bột trong nước thải sau 14 giờ đạt 22690 x 106 CFU/ml,trong đó, số lượng vi khuẩn phân giải tinh bột đạt 21050 x 106 CFU/ml; số lượngnấm men phân giải tinh bột đạt 1560 x 106 CFU/ml, số lượng nấm mốc phân giảitinh bột đạt 80 x 106 CFU/ml

3/ Với phương pháp nuôi tạo bùn hoạt tính, quần thể vi sinh vật có mặt trongnước thải được làm giàu cao gấp 1.324 lần so với tổng số vi sinh vật có trong nướcthải sau khi để lắng 14 giờ Tổng số vi sinh vật có mặt trong bùn hoạt tính nuôi tạođạt 30041 x 109 CFU/ml, xạ khuẩn phân giải tinh bột đạt 18 x 106 CFU/ml, vi khuẩnphân giải tinh bột đạt 22400 x 109 CFU/ml, nấm men phân giải tinh bột đạt 7640 x

109 CFU/ml, nấm mốc phân giải tinh bột đạt 52 x 107 CFU/ml

4/ Các thông số tối ưu cho quá trình xử lý nước thải làng nghề bún Phú Đô

bằng bùn hoạt tính và chủng tảo lam Spirulina platensis CNTĐB đã được xác định,

cụ thể là:

- Thời gian để lắng: 14 giờ

- Tỷ lệ bùn hoạt tính bổ sung: 5%

- Giá trị pH: 7 – 7,5

- Lượng phân đạm bổ sung: 100 mg/l

- Lượng phân lân bổ sung: 80 mg/l

- Thời gian sục khí: 16 giờ

- Thời gian sục nuôi tảo: 20 ngày

- Mật độ OD420 khi thu sinh khối tảo đạt: 0,781

5/ Chủng tảo lam Spirulina platensis CNTĐB có thể sinh trưởng và phát

triển tốt trong môi trường nước thải sản xuất bún Sau 20 ngày nuôi cấy, tốc độ sinhtrưởng của tảo tăng 3,87 lần so với ban đầu

6/ Hàm lượng PHA trong sinh khối tảo đạt đến 5,21% so với trọng lượng khô

so với chủng gốc có hàm lượng PHA cực đại là 3,85% so với trọng lượng khô tếbào ở nồng độ 0,5% glucoza sau 10 ngày nuôi cấy

7/ Hiệu quả xử lý các thông số COD, BOD5, nitơ tổng sốvà photpho tổng sốcủa mẫu nước thải sau khi được xử lý bằng bùn hoạt tính và chủng tảo lam

Spirulina platensis CNTĐB đạt hiệu quả cao, cụ thể là hiệu quả xử lý COD đạt

94,89%, hiệu quả xử lý BOD5 đạt 91,62%, hiệu quả xử lý photpho tổng số đạt60,84% và hiệu quả xử lý nitơ tổng số đạt 91,28% Hàm lượng COD, nitơ tổng số

và photpho tổng số đã đạt QCVN 24:2009/BTNMT loại B

Kiến nghị

Trong quá trình thực hiện đề tài, do thời gian và điều kiện thí nghiệm có hạnnên chúng tôi xin đưa ra một số hướng nghiên cứu tiếp theo như sau:

- Mô hình thí nghiệm cần được mở rộng với quy mô lớn hơn (ở mức từ 10,

50, 100 lít nước thải) và tính toán hiệu suất xử lý nước thải ở từng giai đoạn;

- Có thể tiến hành thí nghiệm nuôi tảo Spirulina platensis trong điều kiện

nước thải có độ pH cao để tạo điều kiện tối ưu hơn nữa cho sự sinh trưởng và pháttriển của tảo;

- Tiến hành nuôi thử nghiệm trong nước thải sản xuất bún các chủng tảo lam

Spirulina platensis khác nhau để lựa chọn được chủng tảo lam có hiệu quả xử lý

nước thải cao nhất, đồng thời hàm lượng PHA thu được trong sinh khối tảo sau xử

lý cũng đạt giá trị cao nhất;

- Có thể tiến hành sử dụng các tác nhân vật lý, sử dụng hóa chất hay áp dụngcác kỹ thuật di truyền như kỹ thuật ADN tái tổ hợp để tạo ra được các chủng tảo

lam Spirulina platensis có khả năng tổng hợp PHA cao;

- Giá thành xây dựng hệ thống xử lý nước thải làng nghề bún Phú Đô cầnđược tính toán cụ thể, đặc biệt tính đến hiệu quả kinh tế từ hàm lượng PHA thuđược trong sinh khối tảo sau xử lý dùng trong công nghiệp sản xuất chất dẻo sinhhọc

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt

1 Hoàng Kim Cơ, Trần Hữu Uyển, Lương Đức Phẩm, Lý Kim Bảng, Dương

Đức Hồng (2001), Kỹ thuật môi trường, Nhà Xuất bản Khoa học và Kỹ thuật,

Hà Nội

2 Đặng Kim Chi (2006), Hóa học môi trường, Nhà Xuất bản Khoa học và Kỹ

thuật, Hà Nội, tr 180 - 182