Ngoài ra, việc thu hồi sinh khối tảo trong nước thải sau xử lý có thể thực hiện một cách dê dàng và thuận tiện bằng cách vớt hay lọc bằng lưới, góp phần làm giảm giá thành xử lý. Mẫu nước thải trong nghiên cứu được lấy tại hệ thống cống chung cuối làng của các hộ gia đình làm bún trong làng bún Phú Đô, một làng nghề làm bún truyền thống lâu đời tại xã Tây Mô, Từ Liêm, Hà Nội. Chủng tảo lam Spirulina platensis CNTĐB (tên chủng tảo lam mà nhóm tác giả đặt) thuộc tập đoàn giông của Phòng Công nghê Tảo, Viện Công nghệ Sinh học. Các phương pháp xác định số lượng vsv, phương pháp nuôi tạo bùn hoạt tính, xác định hiệu quả xử lý nước thải sau từng giai đoạn xử lý, xác định tốc độ sinh trưởng phát triển của tảo lam bằng phương pháp đo mật độ quang học được áp dụng.1. MỞ ĐẦU
Thời gian qua, sự phát triển của làng nghề đã đem lại nhiều lợi ích kinh tế nhưng song song với nó là tiềm ẩn những nguy cơ gây ô nhiễm môi trường. Là một trong những làng nghề truyền thống vốn có từ lâu đời của Hà Nội, làng nghề sản xuất bún Phú Đô đang phải đối mặt với vấn đề ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Nước thải của làng nghề luôn trong tình trạng bị ô nhiễm hữu cơ nặng với nồng độ nitơ, photpho và hàm lượng BOD5, COD trong nước thải rất lớn. Đối với nước thải loại này, việc kết hợp sử dụng các loài tảo cùng các VSV để xử lý được coi là một giải pháp phù hợp, mang ý nghĩa khoa học và thực tiến cao. Ở nước ta, các thử nghiệm nuôi trồng tảo Spirulina bằng nguồn nước thải ươm tơ tằm, nước thải của nhà máy phân đạm, nước thải từ hầm biogas đã được triển khai [5]. Tảo lam Spirulina cũng được các nhà khoa học Tây Ban Nha chứng minh có khả năng xử lý nước thải ô nhiễm nitơ và photpho một cách có hiệu quả [4].
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. 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 tảo lam Spirulina [3], [6]. Những nghiên cứu trước đây cho thấy, Spirulina có khả năng tích lũy 0,3% hàm lượng PHAs dưới điều kiện quang tự dưỡng và hàm lượng này tăng lên 3,0% khi nuôi cấy ở điều kiện tạp dưỡng [2].
Trong nghiên cứu này, chúng tôi xin trình bày kết quả nghiên cứu bước đầu ứng dụng VSV và tảo lam Spirulina đột biến để làm sạch nước thải và sản xuất nguồn nguyên liệu chất dẻo sinh học dùng cho công nghiệp ở làng nghề bún Phú Đô.
2. GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ
2.1. Phương pháp nghiên cứu
2.1.1. Xác định số lượng các nhóm vi sinh vật trong nước thải và trong bùn hoạt tính:
- Môi trường nuôi cấy VSV:
Môi trường MPA, Hansen, Gause và Czapecdox được sử dụng để xác định số lượng vi khuẩn dị dưỡng hiếu khí tổng số, số lượng nấm men, số lượng xạ khuẩn và số lượng nấm mốc có khả năng phân giải tinh bột. Số lượng VSV kỵ khí được xác định theo phương pháp MPN.
- Phương pháp nuôi tạo bùn hoạt tính và phương pháp nghiên cứu xác định các thông số xử lý nước thải tối ưu: xác định thời gian để lắng (trước khí xử lý) tối ưu; tỷ lệ bùn hoạt tính tối ưu cho quá trình xử lý; nồng độ N, P tối ưu; thời gian sục khí tối ưu.
2.1.2. Xác định hiệu quả xử lý nước thải sau từng giai đoạn
Các thông số COD, BOD5, Nts, Pts được xác định theo phương pháp chuẩn xác định thành phần hóa lý trong môi trường nước được mô tả trong phương pháp chuẩn của Mỹ, 1975. Ở từng công đoạn xử lý: trước và sau khi sục khí, có bổ sung bùn hoạt tính và sau khi nuôi tảo đều tiến hành xác định cả bốn thông số COD, BODs, Nts, Pts.
2.1.3. Xác định tốc độ sinh trưởng phát triển của tảo lam Spirulina latensis:
Tốc độ sinh trưởng phát triển của tảo lam Spirulina platensis được xác định bằng phương pháp đo mật độ quang học (OD) tại bước sóng 420 nm.
2.1.4. Xác định hàm lượng PHAs của Spirulina bằng phương pháp sắc ký khí
Hàm lượng PHAs của Spirulina được xác định theo phương pháp sắc ký khí của Braunegg và cs., 1978; Rivera và cs, 2007.
2.2. Nội dung nghiên cứu
- 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;
- Đưa ra 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.
3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
3.1. Đặc trưng của nước thải sản xuất bún ở làng nghề Phú Đô
Để xem xét đặc trưng nước thải sản xuất bún ở làng nghề Phú Đô, chúng tôi tiến hành lấy nước thải ở cống chung nằm cuối làng. Đặc trưng của nước thải này được chỉ ra (Bảng 1)
Kết quả chỉ ra trên Bảng 1 cho thấy nước thải sản xuất bún ở làng nghề Phú Đô bị ô nhiễm nặng, chủ yếu là ô nhiễm chất hữu cơ dễ phân huy sinh học. Với đặc trưng của nước thải loại này, dùng biện pháp sinh học là thích hợp nhất.3.2. Kết quả nuôi tạo bùn hoạt tính từ nước thải sản xuất bún và xác định thông số xử lý nước thải tối ưu
Với phương pháp nuôi tạo bùn hoạt tính, chúng tôi đã làm giàu thêm được quần thể VSV có mặt trong nước thải. Kết quả cho thấy, tổng số VSV có mặt trong bùn hoạt tính đã nuôi tạo đạt 30041x 109 CFU/ml, cao gấp 1.324 lần so với tổng số VSV có trong nước thải sau khi để lắng 14 giờ. Kết quả thí nghiệm của chúng tôi (kết quả chi tiết không chỉ ra ở đây) cho thấy với thời gian lắng là 14 giờ, hàm lượng bùn hoạt tính là 5%, lượng phân đạm bổ sung vào nước thải là 100 mg/1 và lượng phân lân là 80 mg/1 cho tổng số VSV phân giải tinh bột cao nhất nên chúng tôi chọn các giá trị này là các thông số xử lý tôi ưu cho nước thải làng nghề bún Phú Đô.
3.3. Kết quả về sự thay đổi các thông so đặc trưng của nước thải và VSV phân giải tinh bột trong các giai đoạn xử lý nước thải sản xuất bún Phú Đô
Từ các kết quả thu được về thông số tối ưu cho quá trình xử lý nước thải sản xuất bún, chúng tôi đưa ra quy trình xử lý nước thải sản xuất bún tại hệ thống cống chung cuối làng bún Phú Đô gồm ba giai đoạn:
- Giai đoạn 1: để lắng 14 tiếng. Ớ 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 sung bùn 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.
Các thông SỐCOD, BOD5, Nts, Pts được phân tích ở tất cả các giai đoạn xử lý trên. Hình 1 mô tả thí nghiệm trước và sau 20 ngày nuôi chủng tảo Spirulina platensis CNTĐB trong nước thải.
Kết quả trong 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. Trong nhóm VSV hiếu khí phân giải tinh bột, số lượng vi khuẩn phân giải tinh bột có số lượng cao nhất, đạt 20,5 x 109 CFU/mL. Kếtquả thí nghiệm cũng cho thấy nước thải sản xuất bún tại cống chung cuối làng sau khi được xử lý bằng bùn hoạt tính và chủng tảo lam CNTĐB là mẫu nước thải duy nhất có cả ba chỉ tiêu về hàm lượng COD, Nts và Pts đều đạt QCVN 24:2009/BTNMT.
3.4.Sinh trưởng của tảo lam Spirulina platensis 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, nước thải tiếp tục được sử dụng để nuôi chủng tảo lam S.platensis CNTĐB. Chúng tôi tiến hành đo OD420 để xác định sinh trưởng của tảo qua các ngày nuôi cấy trong nước thải.
Kết quả cho thấy, chủng tảo lam S.platensis CNTĐB phát triển tốt trong môi trường nước thải sản xuất bún. Đến ngày thứ 20 được nuôi cấy trong nước thải, OD của tảo đạt 0,78 (gấp 3,9 lần so với tốc độ sinh trưởng ban đầu là 0,20).
3.5.Kết quả phân tích hàm lượng PHA ở chủng Spirulina platensis CNT và CNTĐB
3.5.1. Kết quả phân tích hàm lượng PHA tích lũy ở chứng 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 glu-coza ở các nồng độ khác nhau (0-5%) đã phát hiện thấy hàm lượng PHA được tăng lên.
Kết quả cho thấy, chủng S.platensis CNT có tích lũy PHA cực đại khi bổ sung 3,0% nguồn cácbon là muối natri axetat (1,58% so với TLK). Bổ sung glucoza ở nồng độ 0,5% glucoza sau 10 ngày nuôi cấy cũng làm tăng hàm lượng PHA ở chủng S.platensis CNT đến 3,85% so vớii TLK tế bào. Kết quả thí nghiệm 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 và đèn 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 cho các thử nghiệm nuôi trồng chúng bằng nước thải sản xuất bún ở làng nghề Phú Đô. 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 [3].
3.5.2. 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
Hàm lượng PHA được tích lũy trong sinh khối tảo sau khi nuôi trong môi trường nước thải sản xuất bún 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% glu-coza sau 10 ngày nuôi cấy như đã nêu ở trên.
3.6. Đánh giá sơ bộ hiệu quả xử lý nước thải sản xuất bún
Hiệu quả xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính và chủng tảo lam Spirulina platensis CNTĐB được chỉ ra trên (Bảng 2).
Kết quả trên bảng 2 cho thấy, mẫu nước thải sau khi được xử lý bằng bùn hoạt tính và chủng tảo lam spirulina platensis có hiệu quả xử lý COD, BODs, Nts,Pts đạt cao nhất.TÀI LIỆU THAM KHÁO
1/Braunegg G, Sonnleitner B and Lafferty RM (1978) A rapid gas chromatographic method for determination of poly--hydroxybutyric acid in microbial biomass". Appl. Microbiol 6, 29-37
2/Đặng Đình Kim, Đặng Hoàng Phước Hiền (1999), Công nghệ sinh học vi tảo. Nxb. Nông nghiệp.
3/Jau MH, Yew SP, Toh PSY, Chong ASC, Chu WL, Phang AM, Najỉmudin N, Sudesh K (2005) Biosynthesis and mobilization of poly (3-hydroxybutyrate) [P(3HB)] by Spirulina platensis. International journal of Biological Macromoiecules, 36, 144-151
4/Godos i..,Vargas V.A.,Blanco S.,González M.C.G.,Soto. R.,García-Encina. P.A.,Becares, E. Mu#oz. R. (2010), "A comparative evaluation of microalgae for the degradation o/piggery wastewater underphotosynthetic oxygenation", Bioresource Technology, 101(14), ọp. 5150-5158.
5/Trần Văn Tựa, Vũ Văn Vụ (1994), Nghiên cứu về khả năng nuôi trong tạp dường tảo Spirulina platensis ", Tạp Chí Sinh học 16(3), tr. 2 5 - 31.
6//Keshavarz. T., Roy, I. (2010), "Polyhydroxyalkanoates: bioplastics with a green agenda", Current Opinion in Microbiology,13 (3), 321-326.
7/Rivera FM, Betancount A, TraAV, Yezza A, Hawari J(2007) ụ se oýheadspace solid-phase microextraction for the quantiýication ofpoly (3-hydroxybutyrate) in microbial cells. J. Chromatography A, 1154, 34-41.
8/ Vinceniini M, sui c, De Philippis R, Ena A, and Materassi R ị1990) Occurrence of poly-a-hydroxybutyrate in Spirulina species. J. Bacteriol. 2791-2792.
Initial application of genetically modiiied microorganism and Spirulina to Ireat wastewater in Phu Do vermicelli manufacturing village
MSc. Nguyễn Minh Phương
Natural Science College- Ha Noi National University
Đinh Thị Ngọc Mai, Ngô Hoài Thu, Ass.Prot Dr Đặng Diễm Hồng
Biotechnology Institute - Viet Nam Science and Technology Academy
The application of spirulina and microorganisms for organic wastewater treatment proves to be effective because nitrogen and phosphorous are good nutrition sources for spirulina. In addition, the collection of biomass aíter the treatment can be easily períbrmed by basic nets, hence reducing treatment costs. Wastewater samples were collected át sewage of Phu Do vermicelli manufacturing village in Tay Mo, Tu Liêm, Ha Noi. Platensis spirulina was used by Alga Technology Division, Biotechnology Institute. Methods of VSV, activated sludge cultivation, assessing effectiveness of treatment stages and assessing alga development were applied.
ThS. Nguyễn Minh Phương
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội
Đinh Thị Ngọc Mai, Ngô Hoài Thu, PGS. TS. Đặng Diễm Hồng
Viện Công nghệ Sinh học, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam