nghien cuu ung dung vi sinh vat va vi tao lam spirulina trong xu ly nuoc thai lang nghe bun phu do
TRANSCRIPT
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
1
LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới TS. Đặng Diễm
Hồng – Trưởng Phòng Công nghệ Tảo đã tận tình hướng dẫn và truyền đạt những
kinh nghiệm quý báu cho tôi trong suốt quá trình thực tập và làm luận văn tốt
nghiệp.
Để hoàn thành luận văn này, tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, hướng
dẫn của học viên cao học Đinh Thị Ngọc Mai, ThS. NCS. Ngô Thị Hoài Thu, KS.
Đinh Đức Hoàng cùng tập thể cán bộ Phòng Công nghệ Tảo, Viện Công nghệ sinh
học – Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Đồng thời, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến tập thể thầy cô giáo
Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội
đã truyền thụ những kiến thức quý báu cho tôi trong suốt quá trình học tập.
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Ban lãnh đạo Viện Công nghệ sinh học – Viện
Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi có thể hoàn
thành luận văn tốt nghiệp này.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè, những người đã quan tâm giúp
đỡ và động viên, khuyến khích tôi trong suốt thời gian qua để tôi hoàn thành luận
văn được tốt hơn.
Hà Nội, tháng 12 năm 2010
Học viên cao học
Nguyễn Minh Phương
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
2
CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN
ADN Axit deoxyribonucleotit
BOD Biological oxygen demand
COD Chemical oxygen demand
CFU Colony Form Unit
Nitơ tổng số Nts
OD Optical density
PHA Poly-3-hydroxyalkanoates
Photpho tổng số Pts
TLK Trọng lượng khô
Spirulina platensis S. platensis
VSV Vi sinh vật
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
3
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
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
4
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
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
5
Kết luận .....................................................................................................................68
Kiến nghị ...................................................................................................................69
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................71
PHỤ LỤC .................................................................................................................80
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
6
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
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
7
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
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
8
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
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
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
9
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;
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
10
- 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.
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
11
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1 Điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội vùng nghiên cứu
1.1.1 Điều kiện tự nhiên
Làng bún Phú Đô thuộc xã Mễ Trì, huyện Từ Liêm, ở cách trung tâm thành
phố Hà Nội khoảng 10 km về phía Tây Nam. Vị trí ranh giới cụ thể của làng bún
Phú Đô như sau:
- Phía Bắc giáp xã Mỹ Đình;
- Phía Nam giáp đường cao tốc Láng -Hoà lạc;
- Phía Đông giáp thôn Mễ Trì Thượng (thuộc xã Mễ Trì);
- Phía Tây giáp với sông Nhuệ.
Tổng diện tích tự nhiên của làng nghề là 258,6 ha, trong đó đất nông nghiệp
là 164,6 ha [79].
Bao quanh phía Bắc của làng nghề sản xuất bún Phú Đô có một con mương
tiêu nước chảy qua và chảy vào sông Nhuệ. Tình trạng ô nhiễm môi trường xảy ra
nghiêm trọng khi vào mùa mưa, lưu lượng nước lớn gây ra tình trạng ngập úng do
nước thải sản xuất bún hòa trộn cùng toàn bộ nước thải sinh hoạt và chăn nuôi từ
các chuồng trại của các hộ gia đình đều đổ ra kênh dẫn. Nước thải sản xuất bún
cùng nước thải sinh hoạt và nước thải chăn nuôi đều chưa qua xử lý mà xả thải trực
tiếp vào hệ thống cống chung cuối làng. Sau đó, nước được thải trực tiếp xuống con
mương chảy ra sông Nhuệ, gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, ảnh hưởng đến
đời sống của người dân trong vùng.
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
12
1.1.2 Đặc điểm kinh tế xã hội
Theo số liệu thống kê năm 1999, cả làng nghề bún Phú Đô có 1.113 hộ với
5.111 nhân khẩu. Trong số đó có 700 hộ gia đình với 1.600 lao động hành nghề làm
bún. Hàng năm, làng nghề Phú Đô sản xuất được khoảng 5.000 tấn bún, cung cấp
bún cho khoảng 50% thị trường bún ở Hà Nội [87]. Sau hơn 5 năm, tính đến năm
2004, làng Phú Đô có khoảng 5.600 người, với 1.068 hộ gia đình. Trung bình mỗi
hộ có khoảng 4,5 người. Mật độ dân số khoảng 202 người/ha. Trong làng, số hộ làm
bún chiếm khoảng 50%, còn lại 10% số hộ sản xuất phục vụ làng nghề như: sản
xuất công cụ làm bún (cơ khí); xay xát gạo; cung cấp than củi; 20% số hộ làm dịch
vụ thương mại cho nhân dân trong thôn và các khách nơi khác đến; 20% số hộ còn
lại làm các nghề khác [12]. Tuy nhiên, những năm gần đây, ở Phú Đô, số gia đình
làm bún đã giảm nhiều do phần lớn chuyển sang buôn bán, kinh doanh. Từ gần
ngàn hộ gia đình, nay chỉ còn khoảng vài trăm hộ vẫn còn theo nghề làm bún. Trình
độ văn hóa của người dân trong làng không cao. Trong số lao động chuyên nghiệp
làm bún ở Phú Đô hiện nay, chỉ có khoảng 30% tốt nghiệp phổ thông trung học, còn
lại chỉ đạt trình độ văn hoá phổ thông cơ sở [87]. Trong thời đại công nghiệp hóa
với sự phát triển mạnh mẽ của nhiều phương tiện sản xuất hiện đại, nghề làm bún
ngày nay đã được cơ giới hoá với các máy xay bột, đánh bột, góp phần nâng cao sản
lượng sản xuất bún trong làng.
1.1.3 Công nghệ sản xuất bún truyền thống tại làng bún Phú Đô
Nguyên liệu sản xuất bún là gạo. Công đoạn đầu tiên trong quy trình sản xuất
bún là gạo được sát trắng. Sau đó, gạo được vo kỹ và được ngâm trong nước. Sau
khi ngâm trong nước khoảng 10 giờ, gạo được xóc sạch và đưa vào cối xay nhuyễn
tạo thành bột gạo dẻo, trắng mịn.
Công đoạn tiếp theo là ủ bột và chắt bỏ nước chua và tiến hành nhào bột. Bột
sau khi được nhào và đưa qua màn lọc sạn sẽ được đưa vào khuôn để vắt bột.
Khuôn bún được làm bằng chất liệu dạng ống dài, phía đầu khuôn có một
miếng kim loại đục các lỗ tròn. Để tiến hành vắt bột phải chuẩn bị một nồi nước khá
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
13
lớn, rộng miệng đặt trên bếp than hồng để đun sôi. Bột bún được cho vào chiếc
khăn vải thô rộng, ở giữa khăn có khoét một khoảng hình tròn để khâu vào miệng
khuôn bún có nhiều lỗ nhỏ. Bột bún sau đó được vắt mạnh cho chảy thành dòng qua
khuôn xuống nồi nước đang sôi tạo thành sợi bún. Sau khi luộc khoảng vài ba phút,
sợi bún trong nồi sẽ được vớt ra và đem tráng qua nước lạnh cho khỏi bết dính và
trở nên săn chắc. Công đoạn cuối cùng là vớt bún trong nồi nước tráng. Sau khi vớt
ra khỏi nồi nước tráng, bún thành phẩm được đặt trên các thúng bằng tre có lót sẵn
lá chuối xanh rồi mới được đem ra chợ bán [79].
Như vậy, quy trình sản xuất bún tiêu thụ một lượng nước khá lớn. Hầu hết
các công đoạn như vo gạo, ngâm gạo, vắt bột, luộc bột…đều thải ra một lượng nước
thải giàu tinh bột đáng kể. Chính vì vậy, đặc thù của nước thải sản xuất bún là giàu
chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học.
1.2 Nước thải và phương pháp xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính
1.2.1 Phân loại nước thải và các chất gây ô nhiễm trong nước thải
Nước thải là nước đã qua sử dụng vào các mục đích như sinh hoạt, dịch vụ,
tưới tiêu, thủy lợi, chế biến công nghiệp, chăn nuôi... Dựa vào nguồn gốc phát sinh,
nước thải có thể phân thành các loại chính sau đây:
+/ Nước thải sinh hoạt: là nước thải từ các khu vực dân cư bao gồm nước sau
khi sử dụng từ các hộ gia đình, bệnh viện, khách sạn, trường học, cơ quan, khu vui
chơi giải trí. Đặc trưng của nước thải sinh hoạt thường chứa các chất hữu cơ dễ
phân hủy sinh học (cacbonhydrat, protein, lipit), các chất vô cơ dinh dưỡng (nitơ,
photpho). Các VSV trong nước thải sinh hoạt phần lớn ở dạng các vi khuẩn gây
bệnh như vi khuẩn tả, lỵ, thương hàn và một số loài kí sinh trùng như trứng giun,
sán…Ngoài ra, trong nước thải còn chứa các chất như H2S, NH3 gây mùi khó chịu.
+/ Nước thải công nghiệp: Nước thải từ các cơ sở sản xuất công nghiệp, tiểu
thủ công nghiệp, giao thông vận tải gọi chung là nước thải công nghiệp. Nước thải
công nghiệp không có đặc điểm chung mà phụ thuộc vào đặc điểm của từng ngành
sản xuất. Nước thải của xí nghiệp làm acquy có nồng độ axit và chì cao, nước thải
của nhà máy thuộc da chứa nhiều kim loại nặng và sunfua, nước thải từ các cơ sở
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
14
sản xuất chế biến nông sản, thực phẩm (đường, sữa, bột, tôm, cá, bia rượu) chứa các
chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học. Nói chung, nước thải của các ngành công nghiệp
hoặc các xí nghiệp khác nhau có thành phần hóa học và hóa sinh rất khác nhau [15].
+/ Nước thải nông nghiệp: Nước thải nông nghiệp là nước thải ra trong quá
trình canh tác nông nghiệp, thường chứa hàm lượng phân hóa học cao và các hóa
chất bảo vệ thực vật. Nước thải nông nghiệp bị ô nhiễm làm cho đất bị thoái hóa,
các tài nguyên sinh vật bị suy giảm, gây hậu quả nghiêm trọng đến môi trường. Các
chất độc còn tồn dư trong nước thải nông nghiệp gây tác động xấu đến sức khỏe con
người [6].
Các chất gây ô nhiễm môi trường nước có nhiều loại, chúng thường được xếp
thành 9 loại như sau:
+/ Các chất hữu cơ bền vững, khó bị phân hủy;
+/ Các chất hữu cơ dễ bị phân hủy; chủ yếu do tác nhân sinh học (VSV);
+/ Các kim loại nặng;
+/ Các ion vô cơ;
+/ Dầu mỡ và các chất hoạt động bề mặt;
+/ Các chất có mùi hoặc màu;
+ Các chất rắn;
+/ Các chất phóng xạ;
+/ Các VSV.
Dựa vào đặc điểm dễ hay khó bị phân hủy bởi VSV có trong nước thải mà các
chất hữu cơ gây ô nhiễm trong nước thải có thể được chia thành hai loại:
+/ Các chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học: Nhóm các chất hữu cơ dễ bị phân
hủy gồm các chất protein, cacbonhydrat, các chất béo có nguồn gốc động và thực vật.
Các chất gây ô nhiễm này thường có trong nước thải sinh hoạt, nước thải từ các xí
nghiệp chế biến nông sản, thực phẩm, thủy sản…Trong thành phần các chất hữu cơ
từ nước thải ở các khu dân cư có khoảng 40 – 60% protein, 25 – 50% cacbonhydrat,
10% chất béo. Các hợp chất này chủ yếu làm suy giảm oxy hòa tan trong nước dẫn
đến suy thoái tài nguyên thủy sản và làm giảm chất lượng nước cấp sinh hoạt. Trong
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
15
thực tế, người ta thường áp dụng các biện pháp sinh học để xử lý nước thải bị ô
nhiễm bởi các chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học.
+/ Các chất hữu cơ khó bị phân hủy sinh học: Nhóm các chất hữu cơ khó bị
phân hủy sinh học gồm các chất thuộc dạng chất hữu cơ có vòng thơm (cacbuahydro
của dầu khí), các chất đa vòng ngưng tụ, các hợp chất clo hữu cơ, photpho hữu cơ.
Trong đó, có nhiều chất là các chất hữu cơ tổng hợp và có độc tính cao đối với con
người và động thực vật. Hàng năm, trên thế giới có khoảng 60.106 tấn các chất hữu
cơ tổng hợp khó phân hủy sinh học được sản xuất trên thế giới như các chất màu,
chất hóa dẻo, thuốc trừ sâu...[2]. Trong tự nhiên, các chất hữu cơ khó bị phân hủy
sinh học khá bền vững, có khả năng tích lũy và lưu giữ lâu dài trong môi trường và
cơ thể sinh vật, làm ảnh hưởng xấu đến hệ sinh thái và sức khỏe con người. Các chất
này thường có trong nước thải công nghiệp và nguồn nước ở các vùng nông, lâm
nghiệp sử dụng nhiều thuốc trừ sâu, thuốc kích thích sinh trưởng cây trồng, các chất
làm rụng lá, thuốc diệt cỏ...[16].
1.2.2 Hệ vi sinh vật trong nước thải
VSV là những sinh vật có kích thước vô cùng nhỏ bé. Tế bào của chúng
không thể nhìn thấy được bằng mắt thường mà phải sử dụng kính hiển vi với độ
phóng đại từ 400 đến 1000 lần.
Số lượng và chủng loại VSV trong nước phụ thuộc vào nhiều yếu tố như:
các chất hữu cơ hòa tan trong nước, pH môi trường, các chất độc, tia tử ngoại... Mỗi
loại nước thải có hệ VSV đặc trưng. Nước thải sinh hoạt và nước thải của các xí
nghiệp chế biến nông sản, thực phẩm rất giàu các chất hữu cơ, vì vậy số lượng VSV
trong các loại nước này là rất lớn và chủ yếu là vi khuẩn. Những thủy vực tiếp nhận
nguồn nước thải công nghiệp chứa nhiều axit như nước thải ngành công nghiệp mạ
thường làm tiêu diệt các nhóm VSV ưa trung tính có trong thủy vực.
Các VSV trong nước thải rất phong phú, bao gồm các loại vi khuẩn, vi rút,
xạ khuẩn, nấm men, nấm mốc. Trong số đó, vi khuẩn chiếm tỉ lệ cao nhất. Nước thải
ở các nhà máy thải ra nhiều xenluloza và nhà máy chế biến thực phẩm thường có
nhiều vi khuẩn Sphaerptilus natans. Loại vi khuẩn này trước đây thường hay bị nhầm
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
16
với vi nấm trong nước thải do nó phủ lên bề mặt tế bào một lớp nước cực bẩn, thường
tạo thành các sợi, khi vỡ ra sẽ trôi nổi đầy trên mặt nước. Nhóm vi khuẩn này phát
triển mạnh ở nước nhiều oxygen. Ngoài ra, trong nước thải còn có các vi khuẩn phân
giải đường như: Clostridium, Micrococcus urea, Cytophaga sp.; các vi khuẩn gây
thối: Pseudomonas fluorecens, Proteus vulgaris, Bacillus cereus; các vi khuẩn oxy
hóa lưu huỳnh: Thiobacillus, Thiothrix, Beggiatoa; vi khuẩn phản nitrat hóa:
Thiobacillus denitrificans, Micrococcus denitrificans. Trong nước thải chứa dầu
người ta tìm thấy vi khuẩn phân giải cacbonhydrat: Pseudomonas, Nocardia... [18].
Ngoài vi khuẩn, trong nước thải còn có nhiều loại nấm, nhất là nấm men như:
Saccharomyces, Candia, Cryptococcus, Rhodotorula, Leptomitus lacteus, Fusarium
aquaeducteum....[18]. Trong đó, nấm Leptomitus lacteus có khả năng phát triển thành
khối nhầy cùng vi khuẩn Sphaerptilus natans trong 90 – 120 phút và có thể bịt kín
hoàn toàn các song chắn rác làm cản trở dòng chảy, gây phiền hà trong việc thải
nước. Leptomitus lacteus có thể sống quanh năm ở sông hồ và phát triển mạnh vào
mùa đông [15].
1.2.3 Cơ sở sinh học của quá trình làm sạch nước thải
Các quá trình vật lý, hóa học như sự sa lắng và sự oxy hóa giữ vai trò quan
trọng trong quá trình làm sạch nước thải. Tuy nhiên, đóng vai trò quyết định trong
làm sạch nước thải vẫn là các quá trình sinh học. Tại chỗ nước thải đổ ra, thường tụ
tập các loại chim, cá. Chúng sử dụng các phế thải từ đồ ăn và rác làm thức ăn. Tiếp
sau đó là các động vật bậc thấp như ấu trùng của côn trùng, giun và nguyên sinh động
vật. Chúng sử dụng các hạt thức ăn cực nhỏ làm nguồn dinh dưỡng. Song cần phải
nhấn mạnh vai trò quyết định của các VSV trong quá trình làm sạch nước thải. Cơ
chế của quá trình làm sạch nước thải do các VSV bao gồm ba giai đoạn sau:
+/ Các hợp chất hữu cơ tiếp xúc với bề mặt tế bào VSV;
+/ Quá trình khuyếch tán và hấp thụ các chất ô nhiễm nước qua màng bán
thấm vào trong tế bào VSV;
+/ Chuyển hóa các chất ô nhiễm trong nội bào để sinh ra năng lượng và tổng
hợp vật liệu mới cho tế bào VSV.
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
17
Cả ba giai đoạn này có mối liên quan rất chặt chẽ với nhau làm nồng độ các
chất gây ô nhiễm trong nước giảm dần.
Theo phương thức dinh dưỡng, các VSV được chia làm hai nhóm chính:
- Nhóm VSV tự dưỡng: Nhóm VSV này có khả năng oxi hóa chất vô cơ để thu
năng lượng và sử dụng CO2 làm nguồn cacbon cho quá trình sinh tổng hợp. Trong
nhóm này có các vi khuẩn nitrat hóa, vi khuẩn sắt, vi khuẩn lưu huỳnh...
- Nhóm VSV dị dưỡng: Nhóm VSV này sử dụng các chất hữu cơ làm nguồn
cacbon dinh dưỡng và nguồn năng lượng để sinh trưởng, xây dựng tế bào và phát
triển. Các VSV dị dưỡng có thể chia thành ba nhóm nhỏ dựa theo hoạt động sống của
chúng đối với nhu cầu oxy:
+/ Nhóm VSV hiếu khí: là nhóm VSV cần oxy để sống, giống như quá trình
hô hấp ở động vật bậc cao. Sự phân hủy các chất hữu cơ ở điều kiện hiếu khí thể hiện
ở phản ứng sau:
VSV hiếu khí
Chất hữu cơ + O2 CO2 + H2O + sinh khối VSV + năng lượng
+ NH4+ + H2S + NO3
- + SO42-
Sản phẩm của quá trình phân hủy hiếu khí bao gồm khoảng 40% là sinh khối
VSV và gần 60% là CO2 + H2O.
+/ Nhóm VSV kỵ khí: là nhóm VSV có thể sống và hoạt động ở điều kiện kị
khí (không cần có oxy của không khí). Các VSV này có khả năng sử dụng oxy trong
những hợp chất nitrat, sunfat để oxy hóa các chất hữu cơ. Sự phân hủy các chất hữu
cơ ở điều kiện kị khí được thể hiện ở các phản ứng sau:
VSV kị khí
Chất hữu cơ + NO3- + SO4
2- CO2 + H2O + CH4 + N2 + H2S + NH4+
+ axit hữu cơ + CH4 + sinh khối VSV + năng lượng
+/ VSV tùy nghi hay còn gọi là VSV kỵ khí tùy tiện: Nhóm VSV này có thể
sinh trưởng trong điều kiện có hoặc không có oxy. Chúng luôn có mặt trong nước
thải. Năng lượng được giải phóng ngoài một phần thoát ra ở dạng nhiệt, phần còn lại
được sử dụng cho việc sinh tổng hợp hình thành tế bào mới [15].
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
18
Trong số các nhóm VSV làm sạch nước thải, vi khuẩn có số lượng nhiều nhất
và cũng đóng vai trò quan trọng nhất. Ngoài ra, cũng có các nhóm VSV khác như
nấm men, nấm mốc, xạ khuẩn nhưng số lượng ít hơn vi khuẩn. Những nhóm này là
các VSV dị dưỡng hiếu khí. Nhiều loại nấm, kể cả nấm độc có khả năng phân hủy
xenlulozơ, hemixenlulozơ và đặc biệt là lignin. Tuy nhiên, vai trò của nấm, kể cả nấm
mốc, nấm men, cũng như xạ khuẩn trong quá trình xử lý nước thải không quan trọng
bằng vi khuẩn [16].
1.2.4 Cơ chế phân giải tinh bột nhờ vi sinh vật
Nước thải của các cơ sở sản xuất lương thực, đặc biệt là nước thải từ các làng
nghề sản xuất bún, bánh phở, miến....có hàm lượng tinh bột rất cao. Tinh bột bao gồm
các mạch amilo và amilopectin. Amilo là những chuỗi không phân nhánh bao gồm
hàng trăm đơn vị glucoza liên kết với nhau bằng dãy nối 1,4 glucozit. Amilopectin là
các chuỗi phân nhánh, các đơn vị glucoza liên kết với nhau bằng liên kết 1,4 và 1,6
glucozit. Cơ chế quá trình phân giải tinh bột nhờ VSV được mô tả như sau:
VSV phân giải tinh bột có khả năng tiết ra môi trường hệ enzym amilaza bao
gồm 4 enzym:
+/ α – amilaza có khả năng tác động vào bất kỳ mối liên kết 1,4 glucozit nào
trong phân tử tinh bột. Bởi vậy, α – amilaza còn được gọi là endoamilaza. Dưới tác
động của α – amilaza, phân tử tinh bột được cắt thành nhiều đoạn ngắn gọi là sự dịch
hóa tinh bột. Sản phẩm của sự dịch hóa thường là các đường 3 cacbon gọi là
mantotrioza.
+/ β - amilaza chỉ có khả năng cắt đứt mối liên kết 1,4 glucozit ở cuối phân tử
tinh bột, bởi thế còn gọi là exoamilaza. Sản phẩm của β - amilaza thường là đường
disaccarit mantoza.
+/ Amilo 1,6 glucosidaza có khả năng cắt đứt mối liên kết 1,6 glucozit tại
những chỗ phân nhánh của amilopectin.
+/ Glucoamilaza phân giải tinh bột thành glucoza và các oligosaccarit. Enzym
này có khả năng phân cắt cả hai loại liên kết 1,4 và 1,6 glucozit.
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
19
Dưới tác động của 4 loại enzym trên, phân tử tinh bột được phân giải thành
đường glucoza.
VSV có hệ amilaza rất phong phú và đa dạng. Rất nhiều nhóm VSV ở trong
đất và nước thải như: vi khuẩn, nấm mốc, nấm men, xạ khuẩn có khả năng sinh
amilaza.
Những vi khuẩn hiếu khí có khả năng sinh amilaza cao phần lớn thuộc loài
Bacillus subtilis, B. lichenifomic, B. Circulan chịu nhiệt cao và nhóm vi khuẩn
Cytophaga. Nhóm vi khuẩn kị khí sinh amilaza thường gặp là Clochidium
thermosulfurrogens và Thermoanaerobacter, Pyrococceus thuộc vi khuẩn cổ.
Các loài nấm mốc sinh amilaza thường gặp là Aspergillus niger, A. awamori,
Rizopus niveus, Chalara paradoxa, còn nấm men thường gặp loài Cryptococcus spp.,
Endomycopsis fibulegera, Lipomyces spp.. Xạ khuẩn cũng có một số chi có khả năng
phân hủy tinh bột.
Trong các loại VSV kể trên thì các vi khuẩn nhóm Bacillus có khả năng sinh
amilaza mạnh nhất. Một số VSV có khả năng tiết ra môi trường đầy đủ các loại
enzym trong hệ enzym amilaza nhưng một số loài khác chỉ có thể tiết ra một hoặc vài
enzyme trong hệ đó, các nhóm này cộng tác với nhau trong quá trình phân hủy tinh
bột thành đường [24].
1.2.5 Xử lý nước thải bằng phương pháp bùn hoạt tính
Có nhiều phương pháp khác nhau để xử lý nước thải nhưng có thể chia thành
các phương pháp chính sau: cơ học, hoá lý, hoá học và sinh học. Trong đó, phương
pháp sinh học được sử dụng chủ yếu để xử lý nước thải chứa hàm lượng chất hữu
cơ cao. So với biện pháp vật lý và hóa học, phương pháp sinh học có ưu điểm hơn
cả là giá thành thiết bị không đắt tiền, nguyên liệu xử lý dễ kiếm lại không gây tái ô
nhiễm môi trường. Phương pháp xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính là một trong
những phương pháp sinh học điển hình được áp dụng để xử lý nước thải giàu hữu
cơ.
Trong nước thải luôn tồn tại các chất rắn lơ lửng khó lắng. Trong quá trình
sinh trưởng và phát triển trong nước thải, các tế bào VSV sẽ dính vào các hạt lơ
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
20
lửng này và phát triển thành các hạt bông cặn có hoạt tính phân hủy các chất hữu cơ
gây nhiễm bẩn nước và được lớn dần lên do hấp phụ nhiều hạt chất rắn lơ lửng nhỏ
khác. Khi ngừng thổi khí hoặc các chất hữu cơ làm cơ chất dinh dưỡng cho VSV
trong nước thải cạn kiệt, những hạt bông này sẽ lắng xuống đáy bể hoặc hồ tạo
thành bùn. Bùn này được gọi là bùn hoạt tính. Nhờ bùn hoạt tính mà lượng chất ô
nhiễm trong nước giảm, các chất huyền phù lắng xuống cùng với bùn và nước được
làm sạch.
Bùn hoạt tính là tập hợp các VSV khác nhau có mặt trong nước thải, chủ yếu
là vi khuẩn, kết lại thành dạng hạt bông với trung tâm là các hạt chất rắn lơ lửng ở
trong nước. Các bông cặn này có khả năng hấp thu và phân hủy chất hữu cơ. Màu sắc
của các bông cặn thường là màu vàng nâu. Các bông cặn dễ lắng có kích thước từ 3-
150 μm, gồm các VSV sống và cặn rắn (chiếm khoảng 30 – 40% thành phần cấu tạo
bông). Các bông cặn này có khả năng hấp thu và phân hủy chất hữu cơ. Bùn hoạt tính
lắng xuống là “bùn già”, hoạt tính giảm. Nếu được hoạt hóa (trong môi trường thích
hợp có sục khí) sẽ sinh trưởng trở lại và hoạt tính được phục hồi.
Quần thể VSV trong bùn hoạt tính rất phong phú với các loại vi khuẩn, nấm
men, nấm mốc, xạ khuẩn, động vật nguyên sinh. Số lượng vi khuẩn trong bùn hoạt
tính dao động trong khoảng 108 – 1012 trong 1 mg chất khô. Phần lớn chúng là
Pseudomonas, Achomobacter, Alcaligenes, Bacillus, Micrococcus,
Flavobacterium…Trong khối nhầy có các loài Zooglea, đặc biệt là Zooglea ramigola,
rất giống Pseudomonas, chúng có khả năng sinh ra một bao nhầy xung quanh tế bào.
Bao nhầy này là một polyme sinh học, thành phần là polysaccarit, có tác dụng kết các
tế bào vi khuẩn lại thành các hạt bông [16]. Ngoài ra, trong bùn hoạt tính còn có mặt
các vi khuẩn phân hủy các polyme, vi khuẩn phản nitrat hóa, vi khuẩn khử sunfat.
Một số giống vi khuẩn điển hình có mặt trong bùn hoạt tính được thể hiện trên bảng
1.
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
21
Bảng 1. Quần thể VSV trong bùn hoạt tính
TT Vi khuẩn Chức năng
1 Pseudomonas Phân huỷ cacbonhydrat, protein, các hợp chất hữu cơ
và phản nitrat hóa
2 Arthrobacter Phân huỷ cacbonhydrat
3 Bacillus Phân huỷ cacbonhydrat, protein
4 Cytophaga Phân huỷ các polyme
5 Zooglea Tạo thành chất nhầy, hình thành các chất keo tụ
6 Acinetobacter Tích luỹ polyphotphat, phản nitrat
7 Nitrobacter Nitrat hoá
8 Sphaerotilus Sinh nhiều tiên mao, phân hủy các chất hữu cơ
9 Acaligenes Phân hủy protein, phản nitrat hóa
10 Flavobacterium Phân hủy protein
11 Acinetobacter Phản nitrat hóa
12 Hyphomicrobium Phản nitrat hóa
13 Desulfovibrio Khử sunfat, khử nitrat
Các động vật nguyên sinh cũng có mặt trong bùn hoạt tính và tham gia vào
quá trình làm sạch nước thải. Chúng ăn các vi khuẩn già hoặc đã chết, tăng cường
loại bỏ vi khuẩn gây bệnh, làm đậm đặc màng nhầy nhưng lại làm xốp khối bùn, kích
thích VSV tiết enzyme ngoại bào để phân hủy chất hữu cơ nhiễm bẩn và làm kết lắng
bùn nhanh.
Để xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính có hiệu quả, cần sử dụng nhiều biện
pháp khác nhau để tạo bùn hoạt tính nhằm tăng số lượng cũng như hoạt lực của các
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
22
VSV có trong đó như: lấy bùn hoạt tính ở nơi xử lý khác có tính chất giống như nước
thải nghiên cứu, hồi lưu bùn đã dùng ở những bể xử lý nước thải trước trở lại các bể
sục khí. Ngoài ra, cần chú ý đến các yếu tố ảnh hưởng đến sinh trưởng và phát triển
của VSV có trong bùn hoạt tính như:
- Nhiệt độ của nước thải: Nếu nhiệt độ cao thì phải có thiết bị hạ nhiệt độ
xuống khoảng 25 – 300C;
- pH của nước thải: cần phải điều chỉnh pH của nước thải đạt khoảng 6,5 – 7,5;
- Các nguyên tố có tính độc có thể tiêu diệt hoặc kìm hãm sinh trưởng của
VSV. Nước thải có chứa các độc tố đặc biệt này cần phải có biện pháp xử lý riêng
trước khi được xử lý bằng bùn hoạt tính;
- Tỷ số BOD5: N: P: Đây là các chỉ số cần được quan tâm khi cân bằng dinh
dưỡng cho VSV trong nước thải. Tỷ lệ BOD5: N: P được đề xuất tối ưu là 100: 5: 1.
Ngoài chất hữu cơ, nitơ và photpho là hai nguồn dinh dưỡng quan trọng cho sự tạo
thành tế bào mới và hoạt động của VSV trong bùn hoạt tính. Ngoài ra, để phát huy
được vai trò của bùn hoạt tính đến điều kiện hiếu khí hay nồng độ oxy hòa tan trong
nước, chúng ta phải quan tâm trong các quy trình công nghệ xử lý nước thải bằng bùn
hoạt tính. Có thể làm tăng nồng độ oxy hòa tan bằng cách tăng mặt thoáng của ao hồ,
áp dụng các biện pháp sục khí và khuấy cưỡng bức [16].
- Cách tạo bùn hoạt tính:
+/ Môi trường tạo bùn hoạt tính: là nước thải có cùng hoặc gần giống với phổ
nhiễm bẩn của nước thải cần xử lý. Môi trường tạo bùn cần được bổ sung các nguồn
dinh dưỡng N, P theo tỉ lệ BOD5: N: P = 100: 5: 1, đường kính (hoặc glucoza,
mantoza) với hàm lượng khoảng 50 g/l môi trường;
+/ Giống VSV: là bùn hoạt tính lấy từ các nơi khác hoặc những bể chứa nước thải
cần xử lý đã hình thành bùn ở điều kiện hiếu khí trong các nguồn nước thải giống
nhau. Bùn này được cho vào bình tam giác theo tỷ lệ 5 – 10% rồi đặt trên máy lắc có
tốc độ 180 – 200 vòng/phút ở 25- 30 0C, trong thời gian từ 24 – 48 tiếng. Sau đó lấy
cặn bùn từ bình tam giác đưa vào các thùng lớn chứa môi trường có sục khí để kích
thích sinh trưởng trong điều kiện hiếu khí rồi chuyển sang hệ thống xử lý. Bùn hồi lưu
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
23
có thể được làm tái sinh hay hoạt hóa để tăng hoạt lực của bùn trong các bể xử lý đã
có tỉ lệ môi trường thích hợp và sục khí tích cực trong vài giờ, sau đó bùn được quay
trở lại các bể xử lý hiếu khí khác [1].
1.3 Nghiên cứu khả năng xử lý nước ô nhiễm bằng vi tảo
Tảo là thực vật bậc thấp, sống theo kiểu quang tự dưỡng, dị dưỡng hoặc tạp
dưỡng. Có loại tảo có cấu trúc đơn bào, có loại mọc nhánh dài. Chúng là thực vật
phù du, có thể trôi nổi ở trong nước hay móc vào các giá đỡ (loài thực vật khác).
Trong số khoảng 50.000 loài tảo trên thế giới thì vi tảo chiếm đến 2/3 [90]. Nhiều
loài tảo, như vi tảo còn được xếp vào nhóm VSV, tảo lam được xếp vào nhóm vi
khuẩn lam. Tảo phát triển làm nước có màu sắc, thực chất là màu sắc của tảo (tảo
lam Anabaena cylindrica làm cho nước có màu xanh lam, Oscilatoria rubecens làm
cho nước ngả màu hồng, các loài khuê tảo Melorisa, Navicula làm cho nước có màu
vàng nâu...) [16].
Trong nước thải giàu nguồn N và P là điều kiện tốt cho tảo phát triển. Nguồn
CO2 có thể do VSV hoạt động thải ra trong nước, phân hủy các chất hữu cơ tạo
thành và cung cấp cho tảo hoặc từ không khí.
Cơ sở sinh học của việc sử dụng một số loài tảo để xử lý nước thải là dựa
vào đặc tính sinh trưởng tự nhiên của chúng. Tảo sử dụng CO2 hoặc bicacbonat làm
nguồn cacbon và nguồn nitơ, photpho vô cơ để cấu tạo tế bào dưới tác dụng của
năng lượng ánh sáng mặt trời, đồng thời thải ra khí oxy. Quá trình quang hợp của
tảo được biểu diễn như sau:
ánh sáng
CO2 + NH4+ + PO4
3- Tế bào tảo mới (tăng sinh khối) + O2
Các khí oxy phân tử sinh ra làm giàu thêm hàm lượng oxy hòa tan trong
nước, tạo điều kiện thuận lợi giúp vi khuẩn hiếu khí phát triển và thúc đẩy các phản
ứng oxy hóa - khử trong quá trình phân hủy hiếu khí các chất hữu cơ xảy ra nhanh
hơn.
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
24
Vai trò chính của tảo và thực vật thủy sinh là khử nguồn amonium hoặc
nitrat, cùng nguồn photphat có trong nước. Việc làm giảm các chất hữu cơ ô nhiễm
trong nước chủ yếu là nhờ một số loại vi khuẩn, tảo và thực vật khác chỉ sinh oxy
và có rễ để vi khuẩn bám vào, cùng tán lá che chắn làm giảm tác động của ánh sáng
mặt trời giúp vi khuẩn khỏi chết và tạo điều kiện cho chúng hoạt động tốt hơn.
Các loài vi tảo có thể làm thức ăn tự nhiên trong nuôi trồng thủy sản. Một số
loài tảo có khả năng phát triển trên một số loại nước thải đóng vai trò quan trọng
trong quá trình làm sạch nước thải. Cùng với các VSV khác, vi tảo giữ vai trò như
máy lọc sinh học tự nhiên, trực tiếp hấp thu tất cả những sản phẩm thừa, sản phẩm
sau cùng của phân huỷ hữu cơ và chuyển hoá chúng sang dạng ít độc hại hơn hoặc
phân giải chúng thành những vật chất khác đơn giản và vô hại. Những loại tảo và vi
khuẩn lam nước ngọt được sử dụng phổ biến trong quá trình xử lý nước thải chủ
yếu thuộc các chi Chlorella, Spirulina, Scenedessmus…Từ nhiều năm qua đã có
nhiều nghiên cứu trong và ngoài nước về việc ứng dụng các loài tảo trong xử lý
nước ô nhiễm. Tại Việt Nam, năm 2010, nghiên cứu tại trường Đại học Bách khoa
TP. Hồ Chí Minh đã chứng minh loài tảo Tetraselmis sp. có khả năng làm sạch
nước thải nuôi tôm sú [80]. Tại Trung Quốc, năm 2009, nghiên cứu của trường Đại
học Nanchang cũng đã chứng minh được khả năng xử lý nước thải đô thị rất hiệu
quả của loài tảo Chlorella [47]. Năm 2010, các nhà nghiên cứu của Thụy Điển cũng
chỉ ra các loài vi tảo có hiệu quả xử lý nitơ và photpho có trong nước thải rất tốt,
hiệu suất xử lý nitơ đạt 60 - 80% và photpho đạt từ 60 – 100% trong các tháng của
mùa hè [43].
1.4 Giới thiệu chung về tảo lam Spirulina
1.4.1 Đặc điểm hình thái và cấu trúc tế bào của tảo lam Spirulina
Tảo lam được xếp vào nhóm vi khuẩn lam, là loài VSV đầu tiên có khả năng
quang hợp và sinh ra khí oxy được phát hiện từ hơn 3,5 tỷ năm trước [39].
Spirulina (Athrospira) platensis thuộc ngành vi khuẩn lam (Cyanophyta), lớp
Cyanophyceae, bộ Oscillatoriales, họ Oscillatoraceae, chi Spirulina.
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
25
Spirulina là tảo đa bào, dạng sợi. Có hai loài quan trọng là Spirulina maxima
và Spirulina platensis. Chiều dài sợi tảo Spirulina có thể đạt 250 µm. Spirulina có 5
– 7 vòng xoắn, dạng lò xo không phân nhánh. Bước xoắn có chiều dài khoảng 60
µm, đường kính xoắn khoảng 35 – 50 µm [13]. Sợi tảo có khả năng tự chuyển động
theo kiểu thanh trượt quanh trục của sợi. Một số hình ảnh về tảo Spirulina được
minh họa trên hình 1.
Error!
�
Hình 1A. Hình ảnh về
Spirulina platensis
[Nguồn:
http://erectomaxx.com/ingredients.htm]
Hình 1B. Hình ảnh về
Spirulina maxima
[Nguồn:
http://www.naturezadivina.com.br/loja
/product_info.php?products_id=56]
Tế bào tảo Spirulina chưa có nhân điển hình, vùng nhân là vùng giàu axit
nucleic chưa có màng nhân bao bọc, phân bố trong nguyên sinh chất. Ngoài ra, tế
bào Spirulina không có không bào thực, chỉ có không bào chứa khí làm chức năng
điều chỉnh tỷ trọng tế bào. Nhờ có không bào chứa khí mà Spirulina có thể nổi lên
mặt nước. Mặc dù không có ty thể và mạng lưới nội chất song tế bào Spirulina vẫn
có ribosom và một số thể vùi như các hạt polyphotphat, glycogen, phycocyanin,
carboxysome và hạt mesosome.
Thành tế bào Spirulina có cấu trúc nhiều lớp, không chứa xenlulo mà chứa
mucopolyme pectin và các loại polisaccarit khác. Màng tế bào nằm sát ngay bên
dưới thành tế bào và nối với màng quang hợp thylakoid tại một vài điểm. Spirulina
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
26
không có lục lạp mà chỉ chứa thylakoid quang hợp nằm rải rác trong nguyên sinh
chất [7].
1.4.2 Đặc điểm sinh lý, sinh hóa và thành phần dinh dưỡng của tảo lam
Spirulina
1.4.2.1 Đặc điểm sinh lý
Tảo lam Spirulina có thể phân bố rộng rãi trong đất, nước ngọt, nước lợ,
nước mặn và cả trong những suối nước nóng. Ngoài hàm lượng chất dinh dưỡng
cần thiết cho tảo là nguồn cacbon và nguồn nitơ, photpho, sinh trưởng của loài tảo
này còn chịu ảnh hưởng bởi một số yếu tố vật lý như sau:
+/ Yếu tố nhiệt độ: Sinh trưởng của Spirulina đạt tối ưu ở 35 – 370C trong
điều kiện phòng thí nghiệm. Spirulina phát triển rất chậm dưới 250C. Ở những
nguồn nước có nhiệt độ 450C hay những suối nước nước nóng có nhiệt độ 600C vẫn
thấy sự hiện diện của tảo này [82].
+/ Yếu tố ánh sáng: Tảo Spirulina ít bị chi phối bởi chu kì sáng tối. Cường
độ ánh sáng thích hợp nhất cho Spirulina phát triển nằm trong khoảng 25 – 30 klux.
+/ Yếu tố pH: Spirulina phát triển trong khoảng pH từ 8,3 – 11. Tuy nhiên,
pH của môi trường tối ưu cho sinh trưởng và phát triển của tảo là từ 8,5 – 9. Tại
khoảng pH này, nguồn cacbon vô cơ được đồng hóa nhiều nhất [30].
Chu kì phát triển của tảo Spirulina rất ngắn, thời gian thế hệ chỉ kéo dài
trong 24 giờ. Tảo lam Spirulina có hai hình thức sinh sản:
+/ Sinh sản sinh dưỡng: Hình thức sinh sản này được thực hiện bằng cách
đứt từng khúc trên sợi tảo;
+/ Sinh sản vô tính: Spirulina sinh sản vô tính bằng cách tạo bào tử khi điều
kiện sống không thuận lợi [13].
1.4.2.2 Đặc điểm sinh hóa
Đặc điểm sinh hóa nổi bật của Spirulina là có hàm lượng protein rất cao,
chiếm khoảng 50 – 70% trọng lượng của tế bào, trong khi các thực phẩm được coi
là giàu đạm như đậu đỗ, thịt, phomat cũng chỉ có 20% đạm. Nhiều nghiên cứu đã
chỉ ra rằng đạm trong Spirulina hoàn toàn không có hại. Và cũng khác với các loại
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
27
đạm khác, đạm trong Spirulina rất dễ hấp thụ do các axit amin hầu như ở dạng tự
do. Tỷ lệ hấp thụ đạm trong Spirulina là hơn 90% [73].
Thành phần hóa học của tảo Spirulina so với % trọng lượng khô (TLK) như
sau: protein tổng số 50 – 70%; gluxit 13 – 16%; lipit 7 – 8%; axit nucleic 4,29%;
chlorophylla 0,76%; carotenoit 0,23%; tro 4 – 5%. Tuy nhiên, thành phần sinh hóa
của tảo Spirulina thay đổi tùy thuộc vào điều kiện nuôi trồng [13].
Protein của tảo Spirulina chứa hầu hết các loại axit amin thay thế và không
thay thế, tỉ lệ của các axit amin này khá cân đối. Tổ chức lương thực thực phẩm thế
giới (FAO) đã công nhận loại tảo này là nguồn thực phẩm chức năng bổ sung cho
người rất tốt [17]. Trong số các axit amin trong tảo có 4 loại axit amin không thể
thay thế quan trọng sau: lyzin, methionin, phenylanalin, tryptophan (là nguyên liệu
gốc để tổng hợp vitamin B3). Không chỉ cung cấp các axit amin không thể thay thế,
tảo Spirulina còn là nguồn cung cấp các axit béo không bão hòa quan trọng mà cơ
thể không thể tự tổng hợp được, trong đó đặc biệt quan trọng là các axit γ –linolenic
khiến cho Spirulina trở thành một loại thực phẩm có giá trị chống suy dinh dưỡng
và chống béo phì. Các carotenoit chính ở Spirulina là oscillaxanthin,
mycoxanthophyll, zeaxanthin, hydro-echinenon, β-carotene, β-crytoxanthin,
echinenon. Các lipit chủ yếu của Spirulina là mono-di-galactosyldiglycerrid và
phosphatidyglycerol [7].
Đặc biệt, tảo Spirulina là loại thực vật chứa hàm lượng β-carotene (tiền
Vitamin A) cao nhất, gấp 10 hàm lượng β-carotene có trong cà rốt, được biết đến
như loại rau quả thông dụng giàu β-carotene nhất trong thực phẩm hàng ngày [35].
β-carotene trong Spirulina là chất chống ôxy hóa mạnh nhất, giúp tiêu diệt các gốc
tự do là nguyên nhân của bệnh tật và gây chết. Dùng liều cao β-carotene trong khẩu
phần dinh dưỡng hàng ngày sẽ phòng chống rất hiệu quả các dạng ung thư [42].
Tảo Spirulina còn có vitamin thuộc nhóm B – loại vitamin rất cần thiết cho
hoạt động của các cơ, hệ tiêu hóa, rất tốt cho mắt, gan, da, vòm miệng, tóc, giúp
điều hòa hệ thần kinh, điều chỉnh lượng cholesterol trong máu. Trong tảo Spirulina
còn có sắc tố màu lam phycocyanil, không tồn tại trong bất kỳ thực phẩm nào khác.
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
28
Phycocyanil giúp ổn định quá trình trao đổi chất và tăng cường hệ miễn dịch, hỗ trợ
hoạt động của gan trong các trường hợp phải điều trị bằng nhiều loại thuốc. Kết hợp
cùng với các vitamin, phycocyanil được sử dụng trong điều chế các dược phẩm điều
trị ung thư [74].
1.4.2.3 Thành phần dinh dưỡng
Năm 1964, nhà thực vật học người Bỉ đã phát hiện ra một bộ tộc thổ dân ở
châu Phi có nhiều người già ở tuổi bách niên, hơn nữa họ hầu như không đau ốm,
trong khi tuổi thọ trung bình của người dân châu Phi thời đó chỉ là 35. Nguyên nhân
là do trong khẩu phần ăn hàng ngày của bộ tộc đó đều có một loại bánh màu xanh,
hình thù tương tự như bánh mỳ dẹt. Những chiếc bánh này được làm từ loại rong
vớt trên mặt hồ và sau đó được sấy khô dưới nắng. Loại tảo đó chính là Spirulina
platensis [72]. Hai mươi năm sau, vào những năm cuối thập kỷ tám mươi thế kỷ 20
- nhiều giá trị dinh dưỡng và chức năng sinh học của tảo Spirulina đã được khám
phá và công bố rộng rãi ở nhiều nước khác trên thế giới như Mỹ, Nhật, Canada,
Mehico, Đài Loan…
Là một loại tảo quang tự dưỡng, Spirulina sử dụng CO2 và đồng hóa nitơ chủ
yếu ở dạng NO3- và nhiều dạng nitơ khác như NH4
+, NO2-, (NH2)CO dưới tác dụng
của ánh sáng mặt trời. Các thành phần dinh dưỡng trong tảo gồm có:
- Dinh dưỡng cacbon: Nguồn cacbon được sử dụng để nuôi cấy tảo Spirulina là CO2
và NaHCO3. Spirulina phát triển thuận lợi ở môi trường có HCO3- hơn CO3
2-. Khi
tiến hành sục khí CO2 vào môi trường nuôi cần phải kết hợp với cung cấp muối
bicacbonat để tạo pH thích hợp cho tảo phát triển. Trong thực tế nuôi trồng
Spirulina, người ta thường bổ sung 16,8g/l NaHCO3 và sục khí CO2 1%, ở nhiệt độ
33-350C, cường độ ánh sáng 25 klux. Ngoài ra, tế bào tảo Spirulina platensis có thể
sinh trưởng theo kiểu tạp dưỡng do có khả năng sử dụng đồng thời cacbon hữu cơ
và vô cơ dưới tác dụng của ánh sáng [23].
- Dinh dưỡng nitơ: Các muối nitrat là nguồn nitơ thích hợp cho tảo Spirulina phát
triển. Hàm lượng nitrat cho vào môi trường phải lớn hơn 100 mg/l. Urê cũng là
nguồn nitơ thông dụng với nồng độ thường được sử dụng là 1,5 mg/l. Ngoài ra, axit
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
29
nitric cũng được sử dụng làm nguồn nitơ cho tảo Spirulina nhưng ở nồng độ thấp
[13].
- Dinh dưỡng photpho: Photpho được tế bào tảo sử dụng để tổng hợp ATP, axit
nucleic và các hợp chất cấu tạo khác. Năng suất của tảo Spirulina đạt tối đa ở nồng
độ photpho là 90 – 180 mg/l sau 14 ngày [21]. Nếu thiếu hoàn toàn photpho trong
môi trường nuôi, quang hợp của tảo Spirulina giảm sau 14 ngày, còn sinh trưởng
giảm sau 5 ngày [23].
- Dinh dưỡng khoáng: là nguồn dinh dưỡng đóng vai trò quan trọng cho sự sinh
trưởng và phát triển của tảo.
+/ Tảo Spirulina rất ưa muối. Trong môi trường ưu trương, hàm lượng kali
có thể lên tới 5 g/l và natri có thể lên tới 18 g/l. Trong nuôi trồng tảo Spirulina, cần
chú ý đến tỉ lệ K/Na phải nhỏ hơn 5. Nếu tỉ lệ này lớn hơn 5, tảo sẽ bị chậm phát
triển hoặc cấu trúc tảo sẽ bị phá vỡ.
+/ Mg đóng vai trò tương tự như photpho trong việc tổng hợp các
polyphotphat. Canxi không ảnh hưởng rõ đến sinh trưởng của tảo.
+/ Fe ảnh hưởng trực tiếp đến sinh trưởng và hàm lượng protein trong tảo.
Tảo Spirulina có thể sinh trưởng bình thường trong giới hạn nồng độ sắt khá rộng,
từ 0,55 – 56 mg/l môi trường [21].
+/ Các nguyên tố vi lượng khác như Zn, Cu, Mn….không ảnh hưởng rõ rệt
đến hàm lượng protein, nhưng có ảnh hưởng tới một số thành phần vitamin của tảo
Spirulina [13].
Nhờ những đặc điểm về sinh hóa và thành phần dinh dưỡng mà tảo Spirulina
được coi là nguồn thực phẩm bổ sung rất tốt để chăm sóc và tăng cường sức khỏe
cho con người ở mọi lứa tuổi. Bắt đầu từ việc đưa tảo Spirulina vào khẩu phần dinh
dưỡng không thể thiếu cho các phi hành gia vũ trụ, các nhà thám hiểm và các lực
lượng tác chiến cơ động trong quân đội, từ những năm 1980 đến nay, tảo Spirulina
đã trở nên rất thông dụng trên toàn thế giới. Sau hơn 50 năm được sản xuất công
nghiệp, Spirulina vẫn được coi là sản phẩm an toàn, sử dụng nhiều nhất trong nhóm
bổ sung dinh dưỡng. Loài tảo này đang được nghiên cứu để sử dụng rộng rãi trong
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
30
công nghiệp thực phẩm làm thức ăn bồi bổ sức khỏe, làm thuốc điều trị suy dinh
dưỡng, thực phẩm chống béo phì. Axit béo gamma linolenic (GLA) chứa trong tảo
Spirulina rất cần thiết cho sức khỏe. Hiện nay các sản phẩm chứa Spirulina đã có
mặt rộng rãi trên thị trường như bột dinh dưỡng Enalac, Linafort,
Supermilk…Ngoài dạng thực phẩm quen thuộc, tảo Spirulina còn có mặt trên thị
trường dưới dạng dược phẩm như Linavina (Mekophar), viên bọc đường hoặc viên
nang dùng bổ sung dinh dưỡng cho những người cần cung cấp protein khi đang điều
trị viêm gan, xơ gan, tiểu đường hoặc loét dạ dày. Hình 2 minh họa một vài hình
ảnh về Spirulina platensis trên thị trường dưới dạng dược phẩm.
�
[Nguồn:
http://en.wikipedia.org/wiki/Spirulina_(diet
ary_supplement)]
[Nguồn:
http://www.la-boutique-bio.com/specials.php]
Hình 2. Hình ảnh về Spirulina platensis trên thị trường dưới dạng dược phẩm
Theo số liệu của Tổ chức Y tế Thế giới WHO, tảo Spirulina có thể giúp con
người phòng chống ít nhất là 70% các loại bệnh. Chính vì vậy, tảo Spirulina đã
được EC khuyến cáo, được WHO và Bộ Y tế của nhiều quốc gia trên thế giới công
nhận không chỉ là nguồn thực phẩm sạch mà còn là giải pháp cho phòng và điều trị
một số bệnh của thế kỉ 21 [88].
1.4.3 Tình hình nghiên cứu tảo lam Spirulina
1.4.3.1 Tình hình nghiên cứu tảo lam Spirulina trên thế giới
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
31
Năm 1974, DIC – một tập đoàn hóa chất lớn của Nhật Bản đã bắt đầu tập
trung nghiên cứu tảo Spirulina. Đây là tập đoàn đầu tiên đã thành công trong việc
nuôi trồng Spirulina ở qui mô công nghiệp và thương mại hóa tảo Spirulina trên thế
giới [35]. Ngày nay, với 3 trang trại nuôi trồng tại Mỹ, Trung Quốc và Thái Lan, tập
đoàn DIC đã nuôi trồng và sản xuất tảo Spirulina với sản lượng hàng năm lên đến
900 tấn. Năm 1979, tại Mỹ, tập đoàn Earthrise cũng đã nghiên cứu và đưa Spirulina
đến với thị trường thực phẩm thiên nhiên. Sau đó, vào năm 1982, Earthrise xây
dựng trang trại nuôi trồng Spirulina đầu tiên tại Mỹ. Cho đến nay đây là trang trại
nuôi trồng Spirulina lớn nhất trên thế giới [86].
Không chỉ được biết đến như một nguồn thực phẩm chức năng trên thế giới,
khả năng xử lý môi trường của tảo lam Spirulina đã được nghiên cứu tại nhiều
nước. Năm 2000, tại Malaysia, Spirulina được ứng dụng trong xử lý nước thải từ
nhà máy sản xuất dầu cọ [57]. Năm 2003, tại Thái Lan, khả năng làm sạch nước thải
ao nuôi tôm của Spirulina cũng đã được chứng minh [32]. Tại Nhật Bản, cùng với
chủng vi khuẩn tía Rhodobacter sphaeroides và một chủng Chlorella sorokiniana,
tảo lam Spirulina cũng được nghiên cứu để ứng dụng trong xử lý nước thải giàu
hàm lượng hữu cơ. Hiện nay, việc áp dụng kỹ thuật ADN tái tổ hợp và công nghệ
gen để chuyển gen vào tảo Spirulina đang được tiến hành ở Nhật Bản nhằm tạo ra
những chủng giống tảo có đặc tính mong muốn là một hướng đầy triển vọng trong
việc sử dụng tảo này trong xử lý một số loại nước thải [53]. Các nhà khoa học tại
Mehico đã nghiên cứu sử dụng Spirulina để loại bỏ NH4+ và PO4
3- trong nước thải
chăn nuôi lợn có hiệu quả [55]. Năm 2010, 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 [34].
Ngoài ra, cũng có nhiều công trình nghiên cứu về khả năng sử dụng tảo lam
Spirulina loại bỏ một số kim loại nặng trong nước thải. Năm 2006, công trình
nghiên cứu tại Trường Đại học Goana, Italia về khả năng của tảo lam Spirulina
trong việc loại bỏ đồng trong nước thải cũng đã được công bố [62]. Năm 2007,
Trường Đại học Iowa, Mỹ cũng đã công bố khả năng hấp thụ thủy ngân của chủng
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
32
Spirulina platensis [28]. Spirulina cũng được chứng minh có hiệu suất hấp thụ
cadimi trong nước rất tốt [60, 51].
1.4.3.2 Tình hình nghiên cứu tảo lam Spirulina tại Việt Nam
Từ cuối những năm 1970, tảo Spirulina được sản xuất đại trà ở một số nước
như Mỹ, Nhật Bản, Mêhicô, Trung Quốc, Ấn Độ, Thái Lan, Đài Loan, Cuba và
Việt Nam.
Ở nước ta, tảo Spirulina được nhập nội từ Pháp năm 1972. Nó đã trở thành
một đối tượng nghiên cứu sinh lý, sinh hoá, tại Viện Sinh Vật học (nay là Viện
Công nghệ Sinh học) do cố Giáo sư Nguyễn Hữu Thước chủ trì. Những nghiên cứu
về tác động của ánh sáng, nhiệt độ, pH đã cho phép đẩy nhanh quá trình thích ứng
của tảo này với điều kiện khí hậu của Việt Nam. Một môi trường dinh dưỡng rẻ tiền,
thích hợp cho tảo này cũng đã được đưa ra dựa trên những nghiên cứu về tác động
của các nguyên tố khoáng lên sinh trưởng và quang hợp của tảo Spirulina. Sử dụng
các môi trường này tảo Spirulina đã được đưa vào nuôi trồng thử nghiệm đại trà tại
Hà Nội, Bình Thuận, Bến Tre, Thành phố Hồ Chí Minh với một kỹ thuật bổ sung
môi trường trong nuôi trồng đại trà đã được thiết lập [10]. Trong khoảng thời gian
1981 – 1985, nuôi trồng Spirulina ở quy mô lớn tại suối nước khoáng Vĩnh Hảo
giàu bicacbonat và các chất khoáng khác, có nhiệt độ cao, gió và ánh sáng quanh
năm đã được tiến hành với quy mô ban đầu là 60 bể (mỗi bể 45m3) với năng suất 8 –
10g khô/m2/ngày. Cũng trong thời gian này, hàng loạt nghiên cứu ứng dụng sinh
khối Spirulina cho gia cầm, cá, vịt, ong, tằm cũng đã được thực hiện.
Vào đầu thời điểm những năm 1980s, ở Thuận Hải hai sản phẩm Spirulina -
“Linavina” và “Lactogyl” đã có mặt trên thị trường được dùng làm thuốc bổ dưỡng.
Các bệnh viện Thống Nhất, Bệnh viện phụ sản Từ Dũ, Bệnh viện tỉnh Thuận Hải,
Trung tâm dinh dưỡng trẻ em thành phố Hồ Chí Minh cũng tiến hành thử nghiệm sử
dụng sinh khối Spirulina trong phòng chống suy dinh dưỡng ở trẻ em và người già
[11, 21]. Trong giai đoạn 1986 – 1990, diện tích nuôi trồng Spirulina ở Thuận Hải
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
33
được nâng lên 5000m2 với sản lượng đạt được 6 tấn khô/ năm, giá bán 10 – 12
USD/ 1kg.
Những nghiên cứu sâu về nguồn cacbon và công nghệ sử dụng CO2 trực tiếp
(không qua phối trộn khí) đã được thử nghiệm thành công tại hai cơ sở nuôi trồng
tảo này ở Bến Tre và Đồng Nai. Hàng loạt công trình nghiên cứu nhằm đánh giá
tổng quát hàm lượng các chất có hoạt tính sinh học của Spirulina cũng đã được các
nhà khoa học Việt Nam nghiên cứu. Nhằm tận dụng nguồn nước biển, nước lợ cho
khả năng sản xuất Spirulina trong tương lai nên những nghiên cứu về khả năng
chống chịu muối NaCl của tảo này cũng đã được nghiên cứu. Khả năng sử dụng
nước khoáng Đắc Min (tỉnh Đắc Lắc) để sản xuất đại trà tảo Spirulina với công
nghệ thích hợp cũng đã được quan tâm nghiên cứu trong giai đoạn này [7]. Một quy
trình công nghệ tách chiết sắc tố lam từ Spirulina để ứng dụng cho bệnh nhân ung
thư và tai, mũi, họng cũng đã được hoàn chỉnh. Chế phẩm “Phycobleu” đã được
trường Đại học Y khoa Hà Nội thử độc tính và dùng thử nghiệm cho bệnh nhân tại
Viện Tai Mũi Họng Hà Nội [21].
Sinh khối của tảo lam Spirulina dùng để tách chiết các chất có hoạt tính sinh
học có giá trị dinh dưỡng làm thực phẩm chức năng cho người và động vật, nguồn
phân bón sinh học và vai trò của nó trong xử lý môi trường cũng đã được đi sâu
nghiên cứu [7]. Khả năng nuôi trồng tạp dưỡng, ảnh hưởng của một số nguồn
cacbon hữu cơ (như glucose, fructose, galactose, saccarose, L-arginine, axetat natri)
lên sự sinh trưởng của tảo lam S. platensis cũng như quang hợp và sinh trưởng của
tảo này trong điều kiện thiếu nitơ, phốtpho và kali đều đã được nghiên cứu. Các kết
quả thu được cho thấy các điều kiện nêu trên đã ảnh hưởng rất rõ rệt lên tốc độ
quang hợp, sinh trưởng cũng như hàm lượng sắc tố của S. platensis [26]. Các nguồn
phế thải hữu cơ như rỉ đường, nước thải ươm tơ, phế thải công nghiệp rượu bia cũng
đã được thử nghiệm để nuôi thu sinh khối tảo này [23]. Hướng nghiên cứu này có
triển vọng rất to lớn vì vừa bảo đảm làm sạch môi trường vừa hạ giá thành sản
phẩm, đồng thời rất có ý nghĩa về mặt sinh thái môi trường. Tất nhiên, vấn đề về kỹ
thuật và công nghệ của hướng nghiên cứu này cần được tiếp tục nghiên cứu.
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
34
Ngoài ra, hoạt tính sinh lý của dịch tảo S. platensis lên sinh trưởng của lúa ở
giai đoạn nảy mầm, lên sự ra rễ của cành giâm Đậu xanh và Đậu cô ve cũng đã
được nghiên cứu [3]. Nghiên cứu dịch chiết phycoxianin từ tảo lam S. platensis và
ứng dụng của nó trên chuột thuần chủng BAL/C để hạn chế sự phát triển tế bào ung
thư của mô liên kết180 khoảng 70-80% đã được công bố [14].
Ứng dụng của vi tảo trong sản xuất thức ăn cho ấu trùng một số loài tôm
cũng đã được nghiên cứu với chất lượng luôn ổn định, giá thành của chế phẩm có
thể chấp nhận được [10].
Triển vọng sử dụng nước biển và nước lợ cho nuôi trồng đại trà Spirulina ở
nước ta trong tương lai cũng đã được đề cập thông qua các nghiên cứu sử dụng
nguồn nước biển để nuôi trồng tảo này cũng như ảnh hưởng của các nồng độ NaCl
khác nhau lên các đặc điểm sinh lý, sinh hoá của tảo lam Spirulina cũng đã được
tiến hành nghiên cứu [4]. Nghiên cứu các phương pháp chuyển gien trên đối tượng
tảo Spirulina để tiến tới áp dụng thành công kỹ thuật ADN tái tổ hợp trong việc tạo
ra dược các chủng tảo lam có những đặc tính mong muốn cũng đã được công bố [5,
20].
Nghiên cứu tảo lam Spirulina của Nguyễn Thị Kim Hưng (Trung tâm Dinh
dưỡng trẻ em TP. Hồ Chí Minh) và cộng sự với đề tài "Nghiên cứu sản xuất và sử
dụng thức ăn có tảo Spirulina trong dinh dưỡng điều trị" đã đạt giải nhì trong hội
thi sáng tạo kĩ thuật cấp thành phố năm 1998. Năm 2009, tại Hội nghị Công nghệ
sinh học toàn quốc, đề tài “Nghiên cứu nuôi Spirulina platensis bằng phương pháp
kín sạch thành thức uống dùng tươi có giá trị dinh dưỡng và chức năng” của Lê
Chiến Phương (Viện Sinh học Nhiệt đới TP.Hồ Chí Minh) cũng đã được công bố.
Năm 2008, công ty Cổ phần hỗ trợ và phát triển công nghệ DETECH cũng
đã phối hợp cùng các nhà khoa học của Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam sản
xuất thành công 5 sản phẩm từ tảo Spirulina là Spir@. Loại sản phẩm này đã được
Cục An toàn vệ sinh thực phẩm - Bộ Y tế cấp phép lưu hành trên thị trường [89].
Sinh khối của tảo lam Spirulina không chỉ được nghiên cứu dùng để tách
chiết các chất có hoạt tính sinh học có giá trị dinh dưỡng làm thực phẩm chức năng
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
35
cho con người và động vật mà vai trò quan trọng trong xử lý môi trường của tảo
lam Spirulina cũng được đi sâu nghiên cứu. Tảo lam Spirulina đã được sử dụng
trong xử lý nước thải giàu amoni từ một số nguồn phân hoá học trong trồng trọt ở
Việt Nam để giảm thiểu ô nhiễm môi trường và giảm giá thành sản phẩm từ
Spirulina [14]. Ngoài ra, các thử nghiệm nuôi trồng tảo này bằng nguồn nước thải
ươm tơ tằm, nước thải của nhà máy phân đạm, nước thải từ hầm biogas….đã được
triển khai, ngay cả các nguồn phế thải hữu cơ như rỉ đường, phế thải công nghiệp
rượu bia cũng đã được thử nghiệm để nuôi trồng và thu sinh khối tảo này [23].
Nhiều cơ sở nuôi trồng, sản xuất và chế biến các sản phẩm từ tảo Spirulina đã được
thành lập với công nghệ nuôi tảo trên các bể nông xây bằng xi măng sử dụng khí
CO2 của công nghệ tạo nguồn cacbon, nguồn CO2 trực tiếp lấy từ các nhà máy bia,
cồn, rượu…nén hóa lỏng vào bình chứa. Đó là các cơ sở như Vĩnh Hảo (Bình
Thuận), Châu Cát, Suối Nghệ (Đồng Nai), Đắc Min (Đắc Lắc) [89].
Trước thực trạng ô nhiễm môi trường ở Việt Nam nói chung và đặc biệt môi
trường xung quanh các làng nghề truyền thống nói riêng đang bị ô nhiễm ở mức
báo động, việc sử dụng VSV và vi tảo lam Spirulina để xử lý môi trường là hoàn
toàn có thể áp dụng được, có tính khả thi cao [5]. Tuy nhiên, giá thành xử lý sẽ cao
do chi phí cho các thiết bị để lắp đặt, xây dựng hệ thống các bể xử lý nước thải
lớn….Trong bối cảnh trên, nếu chúng ta tạo chọn được các chủng tảo lam Spirulina
có khả năng tổng hợp cao các chất có hoạt tính sinh học (như chất dẻo sinh học)
bằng các tác nhân vật lý như UV, tia phóng xạ có liều thấp, các chất gây đột biến
nhân tạo cũng như các kỹ thuật di truyền và sau đó sử dụng chính các chủng tảo
này để xử lý nước thải, đồng thời thu sinh khối tảo để khai thác các chất có hoạt
tính sinh học là một hướng đi đúng, có tính khả thi cao. Việc kết hợp xử lý nước
thải của các làng nghề truyền thống giàu tinh bột bằng VSV và tảo lam Spirulina
kết hợp với việc tách chiết các chất có hoạt tính sinh học như chất dẻo sinh học từ
sinh khối tảo sẽ làm giảm giá thành xử lý, có tính khả thi cao và có ý nghĩa cả về
mặt khoa học và thực tiễn.
1.5 Giới thiệu chung về chất dẻo sinh học và PHAs
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
36
1.5.1 Giới thiệu chung về chất dẻo sinh học
Chất dẻo là các hợp chất cao phân tử, còn được gọi là nhựa hoặc polyme.
Chúng có khả năng bị biến dạng khi chịu tác dụng của nhiệt độ, áp suất và vẫn giữ
được sự biến dạng đó khi thôi tác dụng. Chất dẻo sinh học (bioplastic) là một nguồn
vật liệu polyme mới đang được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu. Không chỉ
được tổng hợp từ thực vật và các loài ngũ cốc quen thuộc trong đời sống hàng ngày
như ngô, lúa mì, củ cải, khoai tây, dầu đậu nành,…chất dẻo sinh học còn có nguồn
gốc từ các loài VSV, trong đó có tảo lam Spirulina (Arthrospira). Chất dẻo sinh học
có thời gian phân hủy khá nhanh trong môi trường. Nếu như chất dẻo truyền thống
như polyetilen (PE) phải mất gần bốn thế kỷ mới hoàn toàn bị thoái hóa thì việc
trộn lẫn PE với chất dẻo sinh học, thời gian thoái hóa rút ngắn chỉ còn 4 đến 5 năm
trong điều kiện môi trường bình thường, thậm chí chỉ còn 20 ngày nếu trộn lẫn với
phân hữu cơ compost và ủ trong điều kiện nhiệt độ khoảng 50 - 600C với sự có mặt
các vi khuẩn ưa nhiệt [71].
Chất dẻo sinh học có đặc tính của hợp chất polyme giống như chất dẻo thông
thường như: có trọng lượng phân tử lớn, có tính chịu nhiệt và đàn hồi cao. Tuy
nhiên, chất dẻo sinh học có những ưu điểm hơn hẳn so với chất dẻo thông thường
như: khả năng tái sử dụng cao, có thể thay thế các nguồn nhiên liệu truyền thống là
dầu mỏ và lợi thế quan trọng nhất là không gây ô nhiễm môi trường do có nguồn
gốc chủ yếu từ thực vật, các loại VSV và thời gian phân hủy tương đối ngắn. Chính
vì những ưu điểm nổi trội này mà chất dẻo sinh học được coi là giải pháp tiết kiệm
năng lượng trong quá trình sản xuất, làm giảm sự lệ thuộc vào dầu mỏ - một loại tài
nguyên quý báu đang có nguy cơ cạn kiệt và có thể mở ra một kỷ nguyên công
nghiệp mới [49].
Quá trình tổng hợp chất dẻo sinh học có thể chia thành 3 loại dựa vào nguồn
nguyên liệu tổng hợp ban đầu:
+/ Dựa vào hợp chất polyme tự nhiên;
+/ Dựa vào quá trình lên men của thực vật;
+/ Tổng hợp trực tiếp từ VSV.
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
37
Chất dẻo sinh học bao gồm nhiều loại như: PLA (polylactic acid), PHAs
(Poly-3-hydroxylalkanoates), aliphactic polyeste, polysaccarit, cellulose acetate,
polyamide đang được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực sản xuất công nghiệp
[52].
Hiện nay trên thế giới có khoảng 60% bioplastic đang được sử dụng rộng rãi
trong ngành công nghiệp dệt và công nghệ đóng gói. Năm 2002, bioplastic đã được
các tập đoàn công nghiệp và điện tử lớn như Toyota, Fujitsu của Nhật Bản ứng
dụng để chế tạo một số bộ phận thiết bị sử dụng cho ngành điện tử và công nghệ
thông tin. Năm 2007, PLA cũng đã được sản xuất tại Hàn Quốc với công suất 5000
tấn/năm [85]. Các nghiên cứu về bioplastic ngày càng thu hút nhiều nhà khoa học
trên thế giới. Năm 2009, các nhà khoa học tại Bắc Ai-Len đã nghiên cứu sử dụng
thành công kỹ thuật mới để sản xuất chất dẻo sinh học từ cây chuối [84]. Năm 2010,
các nhà khoa học thuộc Trung tâm Nghiên cứu Almaden của tập đoàn IBM ở Nam
California (Mỹ) đã nghiên cứu thành công phương pháp sản xuất chất dẻo sinh học
từ thực vật thân thiện với môi trường [78].
1.5.2 Giới thiệu về PHAs
1.5.2.1 Đặc điểm về cấu trúc
PHAs là một trong các loại chất dẻo sinh học, có bản chất là polyeste của
hydroxyalkanoates. Lần đầu tiên PHAs được tìm thấy ở một loài vi khuẩn có tên là
Bacillus megaterium năm 1926 [46]. Nhiều năm sau, PHAs bắt đầu được phát hiện
trong cơ thể của nhiều loài VSV khác [40, 67, 27, 68]. PHAs được tổng hợp và giữ
trong tế bào chất ở dạng không hòa tan, được coi là một dạng năng lượng dự trữ của
tế bào [63]. Chúng có thể bị phân hủy nhờ quá trình trao đổi và xúc tác của enzym
nội bào thành cacbon và giải phóng năng lượng, hỗ trợ dinh dưỡng cho tế bào.
Trong tế bào, PHAs thường được giữ dưới dạng các hạt riêng biệt (granules), kích
thước và số lượng của các hạt biến đổi tùy thuộc vào các loài VSV. Riêng trong một
tế bào ở loài Alcaligenes eutrophus có khoảng 8-13 hạt với đường kính hạt tương
ứng khoảng 0,2 – 0,5 µm quan sát được dưới kính hiển vi điện tử [29]. PHAs gồm
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
38
hơn 150 monome, chiều dài mạch từ 3 – 14 nguyên tử cacbon với trọng lượng phân
tử khoảng 50.000 – 1000.000 daltons [41].
Cấu trúc của PHAs được minh họa trên hình 3.
Hình 3. Cấu trúc của PHAs
[Nguồn: Ngô Thị Hoài Thu, 2006]
PHAs được chia thành hai nhóm tùy thuộc vào số nguyên tử cacbon trong phân tử:
+/ PHAs mạch ngắn: bao gồm 3 – 5 nguyên tử cacbon;
+/ PHAs mạch dài: bao gồm 6 – 14 nguyên tử cacbon.
PHAs có đặc tính của các polyme chịu nhiệt như trọng lượng phân tử lớn, độ
đàn hồi cao, nhiệt độ nóng chảy từ 50 – 1800C [33]. Dựa vào số lượng nguyên tử
cacbon trong phân tử, PHAs có thể chia thành nhiều loại như: poly (3-
hydroxylbutyrate) (PHB), poly (3-hydroxyvalerate) (PHV) và poly (3-
hydroxylbutyrate-co-3-3-hydroxyvalerate) (PH-PV). Tính chất vật lý của một vài
dạng PHA và polypropylen được chỉ ra trên bảng 2.
Bảng 2. Tính chất vật lý của một vài dạng PHA và polypropylen
Các đặc tính
PHB
P (HB-HN)a
Poly-
propylen
3 mol % 14 mol % 25 mol %
Nhiệt độ nóng chảy (0C) 175 169 150 137 176
Chuyển trạng thái (0C) 15 - - -1 -10
Kết tinh (%) 80 - - 40 70
Sức căng (Mpa) 40 38 35 30 34,5
Độ đàn hồi (%) 6 - - - 400
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
39
Ghi chú: -: Không xác định; a: poly (3-hydroxylbutyrate-co-3- hydroxyvalerate)
[Nguồn: Ozomu, 2004]
1.5.2.2 Cơ chế tổng hợp PHA
Cơ chế tổng hợp PHA gồm hai giai đoạn:
+/ Giai đoạn đầu là quá trình đồng hóa hoặc dị hóa nguồn cacbon như đường,
axit béo. Tùy thuộc vào nguồn cacbon, sẽ có các enzym chuyển hóa tương ứng (3-
hydroxyacyl-ACP-CoA transferase).
+/ Giai đoạn hai là quá trình trùng hợp các phân tử nhỏ (monomer) thành các
phân tử lớn (polymer) nhờ xúc tác của enzym chìa khóa PHA synthase.
Quá trình tổng hợp PHA được chia thành bốn con đường khác nhau đặc
trưng bởi nguồn cacbon được sử dụng. Tất cả bốn con đường trên đều có mặt
enzym PHA synthase (pha C) – enzym chìa khóa cho quá trình sinh tổng hợp PHA.
Cấu trúc của gen mã hóa cho PHA synthase của 40 chủng vi khuẩn Gram dương,
Gram âm và cả ở tảo lam đều đã được xác định như ở Rhodobacter eutropha,
Azotobacter caviae, Rhodobacter sphaeroides… PHA synthase của vi khuẩn lam
thuộc tuýp III, bao gồm 2 tiểu phân nhỏ: tiểu phần C (ký hiệu pha C) và tiểu phần E
(ký hiệu pha E). Trình tự và cấu trúc protein của 2 gen pha E và pha C đã được xác
định ở một số loài như Chromatium vinosum, Thiocystis violaca và
Synechococystics [36, 64]. Đến nay, rất nhiều công trình nghiên cứu về khả năng
tổng hợp PHA của các chủng vi khuẩn như Bacillus spp., Alcaligenes spp.,
Pseudomonas spp., Aeromonas hydrophila, Rhodopseudomonas palustris,
Escherichia coli, Burkholderia sacchari, Halomonas boliviensis, Halococcus
saccharolyticus… đều đã được công bố trên thế giới [45, 50, 59, 69].
1.5.2.3 Ứng dụng của PHAs trong đời sống
Trong 2 – 3 thập kỷ qua, số lượng và chủng loại PHAs được sử dụng trong
đời sống ngày càng được mở rộng. Cho đến nay, chỉ riêng tại châu Âu lượng PHAs
tiêu thụ đã đạt khoảng 50.000 tấn/năm [33]. Trong nhóm PHA thì poly (3-
hydroxybulyrate) (PHB) lẫn các copolyme của chúng như poly (3-hydroxybutyrate-
co-3-hydroxyvalerate) có tầm quan trọng lớn và được tổng hợp nhiều nhất. P (HB-
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
40
HV) đã được sử dụng làm film, các chai nhựa và có thể dùng làm nguyên liệu sản
xuất giấy [48]. Ngoài ra, với khả năng tự phân hủy, P (HB-HV) cũng được sử dụng
trong y học [44, 41, 70]. Sự phân hủy của PHB đã được phát hiện thấy trong các tế
bào máu của người, vì vậy có thể sử dụng PHB trong các mô của động vật có vú mà
không lo ngại đến khả năng bị ngộ độc. PHB và một số PHA khác thích hợp cho sử
dụng làm bao bì và vật liệu tráng nhưng cũng dùng cho các mặt hàng vệ sinh như tã
giấy hoặc băng vệ sinh [52].
1.5.2.4 Sản xuất PHAs
Từ những năm 1980, hai loại PHAs là 3-hydroxybutyrate và 3-
hydroxyvalerianacid đã được một công ty hóa chất lớn của Anh sản xuất trên thị
trường với sản phẩm tên gọi là "Biopol". Sản phẩm này sau đó được phân phối từ
công ty Monsanto và Metabolix tại Mỹ và tiếp tục được phát triển rộng rãi trên thế
giới. Hiện nay, các tập đoàn công nghiệp sản xuất PHAs lớn trên thế giới gồm có:
công ty Metabolix (Mỹ), công ty Biocycle (Brazil), công ty vật liệu sinh học Tianan
thuộc tập đoàn Ningbo (Trung Quốc) [75] và thị trường châu Âu là nơi tiêu thụ
chính. Cho đến nay, việc tìm kiếm các nguồn nguyên liệu tự nhiên có khả năng tổng
hợp PHA đang ngày càng thu hút sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học
trên toàn thế giới. Theo nhiều nghiên cứu, hàm lượng PHA thu được trong quá trình
sinh tổng hợp từ VSV có thể lên tới 80% so với trọng lượng khô của tế bào [31, 63].
Trong tế bào chất của một số loài thực vật bậc cao và tảo lam, enzym β-ketothiolase
tham gia vào quá trình tổng hợp và tích lũy PHAs đã được phát hiện. Ở một số thực
vật bậc cao và tảo lam, hàm lượng PHA được tích lũy có thể đạt 14% so với trọng
lượng của tế bào nhờ áp dụng kĩ thuật chuyển gen vào thực vật. Ở điều kiện bình
thường, hàm lượng PHA ở tảo lam chỉ đạt có 5% [58, 44, 64]. Chính vì vậy, nếu tận
dụng các kĩ thuật hiện đại của công nghệ sinh học nhằm nâng cao hiệu suất tổng
hợp PHAs từ các nguyên liệu tự nhiên không những mang lại hiệu quả kinh tế cao
mà còn có ý nghĩa lớn trong bảo vệ môi trường.
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
41
CHƯƠNG 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Vật liệu nghiên cứu
Đối tượng trong nghiên cứu gồm có:
- Nước thải làng nghề bún Phú Đô – xã Mễ Trì – huyện Từ Liêm – Hà Nội.
Mẫu nước thải được lấy tại hệ thống cống chung cuối làng của các hộ gia đình làm
bún trong làng bún Phú Đô.
- Quần thể VSV trong nước thải được thu tại hệ thống cống chung cuối làng
bún Phú Đô được thu vào buổi sáng sớm từ tháng 6 - 9/2010.
- Chủng tảo lam Spirulina platensis CNTĐB (hình 4) thuộc tập đoàn giống
của Phòng Công nghệ Tảo, Viện Công nghệ Sinh học, được giữ giống trong môi
trường SOT.
Hình 4. Hình thái chủng tảo lam Spirulina platensis CNTĐB
được nuôi trong môi trường SOT
Vật liệu nghiên cứu:
Các hoá chất sử dụng trong nghiên cứu có độ tinh sạch cao được dùng để pha
môi trường nuôi cấy VSV và môi trường SOT.
Các môi trường nuôi cấy VSV như sau:
- Môi trường MPA (để xác định số lượng vi khuẩn dị dưỡng hiếu khí tổng
số):
Nước thịt: 100 ml (hoặc cao thịt 3 g)
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
42
Pepton: 10 g
Thạch: 20 g
Nước: 1 lít
- Môi trường Hasen tinh bột (để xác định số lượng vi khuẩn và nấm men có
khả năng phân giải tinh bột):
Tinh bột: 50 g
Pepton: 5 g
MgSO4.7H2O: 3 g
KH2PO4: 3 g
K2HPO4: 3 g
Cao nấm men: 1 g
Thạch: 20 g
Nước: 1 lít
- Môi trường Gause tinh bột (để xác định số lượng xạ khuẩn có khả năng
phân giải tinh bột):
Tinh bột: 20 g
K2HPO4: 0,5 g
MgSO4.7H2O: 0,5 g
NaCl: 0,5 g
KNO3: 1 g
FeSO4: 0,01 g (Vết)
Thạch: 20 g
Nước: 1 lít
Trong đó có bổ sung K2Cr2O7 (0,5 g/l) vào môi trường nhằm ức chế sự phát
triển của vi khuẩn.
- Môi trường Czapecdox tinh bột (để xác định số lượng nấm mốc có khả
năng phân giải tinh bột):
Tinh bột: 30 g
NaNO3: 3 g
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
43
MgSO4 0,5 g
KH2PO4: 1 g
KCl: 0,5 g
FeSO4: 0,01 g (Vết)
Thạch: 20 g
Nước: 1 lít
- Môi trường xác định VSV kị khí tổng số:
Pepton: 4 g/l
Glucoza: 10 g/l
MgSO4: 1 g/l
Na2SO4: 7,5 g/l
NaCl: 1 g/l
MgCl2: 0,5 g/l
Thạch: 12 g/l
Fe2(SO4)3.6H2O hoặc (NH4)2SO4: 0,05 g/l
- Thành phần môi trường SOT dùng để giữ giống tảo lam Spirulina platensis
CNTĐB được chỉ ra trong bảng 3.
Bảng 3. Thành phần môi trường SOT
Dung dịch A
Hoá chất Lượng cho 1 lít
môi trường
1. NaHCO3 16,8 g
2. K2HPO4 0,5 g
Dung dịch B
1. NaNO3 2,5 g
2. K2SO4 1 g
3. NaCl 1 g
4. MgSO4.7H2O 0,2 g
5.CaCl2.2H2O 0,04 g
6. FeSO4.7H2O 0,01 g
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
44
7. Na2EDTA 0,08 g
8. Dung dịch A5 1 ml
Thành phần các hóa chất có trong 1 lít dung dịch A5 như sau:
H3BO3 : 2,86 g
MnSO4.7H2O: 2,5 g
ZnSO4.7H2O: 0,222 g
CuSO4.5H2O: 0,079 g
Na2MoO4.2H2O: 0,021 g
Các hóa chất trong dung dịch A5 được cân với trọng lượng xác định như trên,
sau đó tiến hành định mức bằng nước cất đến 1 lít.
Cách pha môi trường SOT: Cân các hoá chất của dung dịch A và B định mức
đến 1 lít tương ứng. Khử trùng dung dịch A và B ở điều kiện 1210C trong 15 phút.
Sau đó phối trộn 1 thể tích dung dịch A với 1 thể tích dung dịch B với nhau.
- Trang thiết bị sử dụng trong nghiên cứu: Các thiết bị đã được sử dụng trong
thí nghiệm bao gồm: kính hiển vi quang học Olympus CH 02 (Nhật Bản), cân kỹ
thuật Precisa XB 1200C, cân phân tích Precisa XT 220A, máy đo mật độ quang học
UV-1601 Shimazu (Nhật Bản), tủ sấy Cornthem (New Zealand), máy lắc IKA KS
260 basic (Đức), máy ly tâm Sorvall (R) (Đức), box cấy vô trùng Lamin Air, Holten
loại HH48-OSI (Đức), máy ảnh kĩ thuật số Canon IXY Digital 70 (Nhật Bản), máy
phân tích sắc ký khí với đầu dò JGC-20K (Nhật Bản), đèn ống UV loại MEDICOM,
BLF-12, 220V, 50 Hz, 30 Wat của Hungari sử dụng với bước sóng 254nm và các
dụng cụ thuỷ tinh gồm các bình tam giác, pipet, ống nghiệm, đĩa petri (đường kính
10 cm).
2.2 Phương pháp nghiên cứu
2.2.1 Phương pháp xác định số lượng các nhóm VSV trong nước thải và trong
bùn hoạt tính
2.2.1.1 Phương pháp xác định vi sinh vật hiếu khí phân giải tinh bột tổng số
Chuẩn bị các môi trường nuôi cấy VSV, sau đó môi trường được đun tới khi
tan hết tinh bột và thạch. Tiếp theo, môi trường được chuyển vào các bình tam giác,
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
45
được khử trùng ở điều kiện 0,8 atm ở 1210C trong 30 phút. Sau khi khử trùng, để
thạch nguội đến khoảng 500C, tiến hành đổ ra đĩa petri. Lượng thạch đổ vào mỗi đĩa
khoảng 15 – 20 ml, sau đó sấy khô mặt thạch trong tủ sấy trong 30 phút.
Lấy 1 ml mẫu nước thải sản xuất bún cho vào ống nghiệm đựng 9 ml nước
cất vô trùng, được nồng độ pha loãng 10-1. Tiến hành lắc đều ống nghiệm, sau đó
lấy 1 ml dung dịch có nồng độ pha loãng 10-1 cho vào ống nghiệm chứa 9 ml nước
cất vô trùng, được nồng độ pha loãng 10-2. Cứ tiếp tục như vậy tiến hành pha loãng
đến độ pha loãng cần thiết. Sau đó, dùng pipet man lấy 50µl dung dịch mẫu nước
thải đã pha loãng ở nồng độ cần thiết nhỏ vào chính giữa đĩa thạch đã chuẩn bị như
đã nêu ở trên. Sau đó, các đĩa thạch được đậy lại và bao gói kín bằng giấy, đặt trong
tủ ấm ở 28 - 300C. Sau 2 – 5 ngày lấy đĩa ra quan sát và đếm số lượng khuẩn lạc đã
mọc.
Công thức tính số lượng VSV (CFU/ml dung dịch) như sau:
X = A x 20 x 10n
A: Số khuẩn lạc mọc trên mặt thạch;
10n: Nghịch đảo nồng độ pha loãng;
X: Số lượng VSV (CFU/ml dung dịch);
CFU: là đơn vị hình thành khuẩn lạc.
2.2.1.2 Phương pháp xác định vi sinh vật kỵ khí phân giải tinh bột tổng số
- Xác định số lượng VSV kỵ khí theo phương pháp MPN (The Most Probable
Number Method). Phương pháp MPN còn được gọi là phương pháp pha loãng tới
hạn hay phương pháp chuẩn độ. Đây là phương pháp dùng để đánh giá số lượng
VSV theo số lượng VSV có xác suất lớn nhất hiện diện trong một đơn vị thể tích
mẫu. Đây là phương pháp định lượng dựa trên kết quả định tính của một loạt thí
nghiệm được lặp lại ở một số độ pha loãng khác nhau. Thông thường, việc định
lượng này được thực hiện lặp lại 3 lần ở 3 độ pha loãng bậc 10 liên tiếp, tổng cộng
3 x 3 = 9 ống nghiệm. Cho vào các ống nghiệm có chứa môi trường thích hợp cho
sự tăng trưởng của đối tượng VSV cần định lượng một thể tích chính xác dung dịch
mẫu ở 3 nồng độ pha loãng bậc 10 liên tiếp. Ủ ở nhiệt độ và thời gian thích hợp.
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
46
Dựa vào kết quả biểu kiến chứng minh sự tăng trưởng của VSV cần kiểm định
trong từng ống nghiệm, ghi nhận số lượng các ống nghiệm dương tính ở từng độ
pha loãng. Sử dụng các số liệu này và dựa vào bảng Mac Crady (bảng 4) suy ra mật
độ VSV được trình bày dưới dạng số MPN/100ml hay số MPN/1g mẫu.
Quy trình thực hiện việc xác định số lượng VSV kỵ khí như sau:
- Pha loãng mẫu nước thải: Dùng nước muối sinh lý (0,85% NaCl) để pha loãng.
Cách pha loãng như sau: Lấy 0,5 ml mẫu nước thải và bổ sung thêm 4,5 ml nước
muối sinh lý trên sẽ được dung dịch nước thải có nồng độ pha loãng 10-1. Sau đó lại
lấy 0,5 ml dung dịch này bổ sung thêm 4,5 ml nước muối sinh lý, khi đó được dung
dịch nước thải có nồng độ 10-2. Cứ tiếp tục như vậy, thu được nước thải với nồng độ
pha loãng từ 10-3 đến 10-9.
- Cách cấy mẫu: Hút 1 ml dung dịch nước thải được pha loãng ở các nồng độ 10-1
đến 10-9, bổ sung vào môi trường thạch đã được đổ đầy ống nghiệm. Chú ý tránh
tạo bọt khí, ống nghiệm được đậy chặt bằng nút cao su và dùng băng dính bọc ngoài
nút. Sau đó, các ống nghiệm được để ở tủ ấm 370C trong khoảng từ 7 – 10 ngày.
Sau 3 ngày nuôi, có thể lấy mẫu ra quan sát khả năng mọc của các VSV kỵ khí. Khi
đó vi khuẩn yếm khí mọc thành các khuẩn lạc nhỏ, màu trắng nằm rải rác trong
thạch, ngoài ra, có khả năng một số mẫu có mặt các vi khuẩn sinh metan làm cho
thạch bị nứt, đứt đoạn nhiều nơi. Tra bảng 4 để xác định số lượng VSV kỵ khí.
Bảng 4. Bảng tra MPN dùng cho loạt 3 ống nghiệm
ở 3 nồng độ pha loãng liên tiếp
Số lượng ống dương tính Số
MPN/
100 ml
Số lượng ống dương tính Số
MPN/
100 ml
Số ml mẫu sử dụng Số ml mẫu sử dụng
10 1 0,1 10 1 0,1
0 0 0 - 2 0 0 9
0 0 1 3 2 0 1 14
0 0 2 6 2 0 2 20
0 0 3 9 2 0 3 26
0 1 0 3 2 1 0 15
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
47
0 1 1 6 2 1 1 20
0 1 2 9 2 1 2 27
0 1 3 12 2 1 3 34
0 2 0 6 2 2 0 21
0 2 1 9 2 2 1 28
0 2 2 12 2 2 2 35
0 2 3 16 2 2 3 42
0 3 0 9 2 3 0 29
0 3 1 13 2 3 1 36
0 3 2 16 2 3 2 44
0 3 3 19 2 3 3 53
1 0 0 4 3 0 0 23
1 0 1 7 3 0 1 39
1 0 2 11 3 0 2 64
1 0 3 15 3 0 3 95
1 1 0 7 3 1 0 43
1 1 1 11 3 1 1 75
1 1 2 15 3 1 2 120
1 1 3 19 3 1 3 160
1 2 0 11 3 2 0 93
1 2 1 15 3 2 1 150
1 2 2 20 3 2 2 210
1 2 3 24 3 2 3 290
1 3 0 16 3 3 0 240
1 3 1 20 3 3 1 460
1 3 2 24 3 3 2 1100
1 3 3 29 3 3 3 -
[Nguồn: Trần Linh Thước, 2002]
2.2.2 Phương pháp nuôi tạo bùn hoạt tính
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
48
Bùn hoạt tính được nuôi tạo từ nước thải sản xuất bún được lấy ở cống chung
cuối làng Phú Đô theo phương thức sau:
Lấy 1 lít nước thải sản xuất bún ở cống thải chính làng nghề bún Phú Đô để
lắng 1 ngày. Sau đó gạt phần nước trong, còn lại 200 ml nước cặn. Lấy 50 ml dung
dịch cặn này cho vào 40 ml nước thải sản xuất bún được lấy ở cống chung cuối
làng. Sau đó tiến hành bổ sung vào dung dịch trên các hóa chất sau:
- Đường kính: 10 g
- Pepton: 1,0 g
- MgSO4.7H2O: 0,6 g
- KH2PO4: 0,6 g
- Cao nấm men: 0,2 g
Tiếp theo, bổ sung thêm nước máy cho đủ 200 ml. Tiến hành trung hòa dung
dịch nêu trên bằng dung dịch NaOH 0,1 M đến khi được pH = 7. Chuyển toàn bộ
200 ml dung dịch nêu trên vào bình tam giác có dung tích 500 ml, đặt trên máy lắc
với tốc độ 200 vòng/phút, nhiệt độ 28 – 300C trong 48 giờ. Sau khoảng thời gian lắc
nêu trên, bình tam giác chứa dung dịch bùn được để lắng, bùn hoạt tính thu được là
cặn bùn trong bình tam giác.
2.2.3 Phương pháp xác định các thông số xử lý nước thải tối ưu
2.2.3.1 Phương pháp xác định thời gian lắng tối ưu
Để xác định thời gian lắng tối ưu, chúng tôi tiến hành lấy 10 lít nước thải sản
xuất bún ở cống chung cuối làng bún Phú Đô. Lượng nước này được đưa vào một
can nhựa để vào một nơi cố định. Kiểm tra pH của nước thải bằng giấy quỳ đo pH.
Tiến hành chia đều lượng nước thải này vào 7 can nhựa, mỗi can nhựa chứa 1 lít
nước thải. Nước thải trong 7 can nhựa này lần lượt được để lắng tại các thời điểm:
0, 6, 12, 14, 16, 18 và 24 giờ. Sau đó tiến hành trang đĩa để kiểm tra số lượng VSV
trong các mẫu nước thải tương ứng với các khoảng thời gian để lắng nói trên. Dựa
vào kết quả số lượng VSV thu được, chúng tôi tìm ra thời gian lắng hiệu quả nhất.
2.2.3.2 Phương pháp xác định tỷ lệ bùn hoạt tính tối ưu cho quá trình xử lý
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
49
Mẫu nước thải sản xuất bún ở cống chung cuối làng được lấy về, sau khi
kiểm tra và điều chỉnh pH về giá trị trung tính, để lắng khoảng 1 ngày, nước thải
được chia làm năm phần bằng nhau và cho vào 5 bình tam giác dung tích 500ml.
Các bình được bổ sung tương ứng 2, 3, 4 và 5 và 7% bùn hoạt tính, và lắc mẫu trên
máy lắc có tốc độ 200 vòng/phút, nhiệt độ 28 – 30 0C trong 24 giờ. Sau khi lắc các
bình tam giác được lấy ra, để lắng 30 phút, rồi dùng pipet để hút phần cặn bùn và
tiến hành cấy trải trên đĩa thạch. Dựa số lượng VSV thu được ở 5 mẫu trên, chúng
tôi xác định được tỷ lệ bùn hoạt tính tối ưu cho quá trình xử lý.
2.2.3.3 Phương pháp xác định nồng độ nitơ tối ưu
Nước thải sau khi đã để lắng và bổ sung bùn hoạt tính theo tỷ lệ tối ưu đã xác
định được ở trên được bổ sung tiếp phân lân. Sau đó, chia dung dịch thành 5 phần
bằng nhau vào 5 bình tam giác dung tích 1 lít. Tiếp tục bổ sung phân đạm với hàm
lượng khác nhau: 40, 70, 100, 130 và 160 mg/l vào 5 bình tam giác nêu trên. Tiếp
theo, cả 5 bình tam giác trên được lắc trên máy lắc có tốc độ 200 vòng/phút, nhiệt
độ 28 – 300C trong 1 ngày. Sau đó, tiến hành xác định số lượng VSV ở cả 5 mẫu
trên. Dựa trên số lượng VSV thu được trong 5 mẫu, chúng tôi xác định được lượng
N cần bổ sung tối ưu.
2.2.3.4 Phương pháp xác định nồng độ photpho tối ưu
Các bước được tiến hành tương tự như phần xác định nồng độ N tối ưu:
Nước thải sau khi đã để lắng, bổ sung bùn hoạt tính và phân đạm theo tỷ lệ tối ưu
như đã xác định ở phần trên vào. Sau đó, chia nước thải thành 5 phần bằng nhau
vào 5 bình tam giác dung tích 1 lít. Tiếp tục bổ sung phân lân theo các nồng độ khác
nhau: 50, 80, 110, 140 và 170 mg/l vào 5 bình tam giác nêu trên. Sau đó, cả 5 bình
tam giác trên cũng được lắc trên máy lắc có tốc độ 200 vòng/phút, nhiệt độ 28 – 30 0C trong 1 ngày và tiến hành xác định số lượng VSV ở cả 5 mẫu trên. Dựa trên số
lượng VSV thu được, lượng P tối ưu cần bổ sung được xác định.
2.2.3.5 Phương pháp xác định thời gian sục khí tối ưu
Sau khi tìm ra các điều kiện tối ưu về N và P, chúng tôi tiến hành xử lý mẫu
nước thải trong các bình xử lý dung tích 10 lít. Quá trình sục khí được thực hiện
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
50
trong thời gian 24 giờ. Trong quá trình sục khí tiến hành lấy mẫu nước ở các thời
gian: 0, 4, 10, 16, 20 và 24 giờ. Sau đó xác định số lượng VSV tổng số phân hủy
tinh bột ở tất cả các mẫu trên để tìm ra thời gian sục khí tối ưu cho quá trình xử lý.
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
- Chủng tảo lam Spirulina platensis CNTĐB được nuôi trong các điều kiện
thí nghiệm như sau: sử dụng môi trường SOT có thành phần được chỉ ra trong bảng
3, nhiệt độ nuôi từ 27-300C; pH môi trường ban đầu từ 8,5 - 9,0; cường độ chiếu
sáng là 10 klux; chu kỳ chiếu sáng: tối là 12/12giờ; thể tích dịch nuôi: 1 - 2 lít; mật
độ ban đầu được đo ở bước sóng 420 nm (là cực đại hấp thụ của sắc tố chlorophyll).
Viêc đo OD của tảo S. platensis được thực hiện 1 lần/1 ngày.
- Xác định tốc độ sinh trưởng của tảo thông qua đo mật độ quang học ở bước
sóng 420nm (OD420) bằng máy UV – 1601 Shimadzu (Nhật Bản).
- Chụp ảnh hình thái của tảo bằng máy ảnh kỹ thuật số Canon IXY Digital 70
(Nhật Bản) dưới kính hiển vi quang học Olympus CH 02 (Nhật Bản).
2.2.5. 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: COD (SMEWW 5220C:1999),
BOD5 (TCVN 6001:1995), Nts (TCVN 5987:1995), Pts (SMEWW 4500-P-B:1999).
Ở từng công đoạn xử lý: trước khi có sục khí, sau thời gian sục khí có bổ sung bùn
hoạt tính và sau khi nuôi tảo đều tiến hành xác định cả bốn thông số COD, BOD5,
Nts, Pts. Sơ đồ thí nghiệm được trình bày ở hình 5.
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
51
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
- Hiệu quả xử lý nước thải sản xuất bún của làng nghề bún Phú Đô được đánh
giá dựa trên sự thay đổi của các thông số đã được nghiên cứu ở các giai đoạn
xử lý khác nhau được trình bày ở hình 5.
- Hiệu suất xử lý các thông số COD, BOD5, Nts, Pts trong nước thải sau các
giai đoạn xử lý được tính theo công thức:
Trong đó:
Hi : hiệu suất xử lý các thông số COD, BOD5, Nts, Pts ;
Cvi: giá trị hàm lượng các thông số COD, BOD5, Nts, Pts trong mẫu nước thải trước
khi để lắng.
Nước thải
Lắng
Phân tích COD, BOD5, Nts, Pts
Bình sục không
Bình sục + bùn hoạt tính
Sục + Tảo S. platensis CNTĐB
Bình sục + bùn hoạt tính
Tiếp tục sục
SụcPhân tích COD, BOD5, Nts, Pts
Phân tích COD, BOD5, Nts, Pts
Phân tích COD, BOD5, Nts, Pts
Phân tích COD, BOD5, Nts, Pts
Phân tích COD, BOD5, Nts, Pts
Bình lắng không LắngPhân tích COD, BOD5, Nts, Pts
Phân tích COD, BOD5, Nts, Pts
Phân tích COD, BOD5, Nts,
Pts
Hi = Cvi – Cri Cvi
x 100%
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
52
Cri: giá trị hàm lượng các thông số COD, BOD5, Nts, Pts trong các mẫu nước thải sau
các giai đoạn xử lý.
2.2.6. Phương pháp xác định hàm lượng PHA của tảo Spirulina platensis
Hàm lượng PHA của Spirulina được xác định bằng phương pháp sắc kí khí
theo phương pháp Braunegg và cs., 1978; Rivera và cs., 2007 có một số cải tiến cho
phù hợp với điều kiện của Việt Nam [19] như sau:
+/ Cân 10 - 20mg sinh khối khô của tảo Spirulina, bổ sung 250μl dung dịch
ethanol có bổ sung 3%(v/v) H2SO4 và 250μl chloroform vào mẫu. Ủ mẫu ở 1000C
trong 3,5 giờ, giai đoạn này có tác dụng cắt đứt các liên kết giữa các phân tử
polyme thành các phân tử monomer. Sau đó ly tâm ở 3000v/p trong 2 phút để cho
toàn bộ dịch và xác tế bào Spirulina lắng xuống dưới ống Eppendorff.
+/ Bổ sung 125μl nước cất khử trùng, lắc đều trong 10 phút. Sau đó ly tâm
15000v/p trong 2 phút. Khi đó, hỗn hợp dịch sẽ chia thành 2 pha rõ rệt.
+/ Hút 5μl dịch của pha dưới để đưa vào máy phân tích sắc kí khí với đầu dò
JGC-20K (GAS chromatograph, JEOL. Co., Ltd, Nhật Bản) để xác định hàm lượng
PHA.
+/ Hàm lượng PHA trong sinh khối khô của tảo lam S. platensis được xác
định bằng cách sử dụng các chất chuẩn PHA do Hãng TanaKa, Nhật Bản cung cấp.
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
53
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1 Kết quả đánh giá hiện trạng và đặc trưng của nước thải sản xuất bún tại
làng bún Phú Đô
Qua quá trình quan sát thực tế tại thôn Phú Đô, xã Mễ Trì, huyện Từ Liêm,
Hà Nội, chúng tôi nhận thấy nước thải sản xuất bún của từng hộ gia đình ở làng
được chảy vào hệ thống cống chung cuối làng, sau đó nước thải được đổ vào con
mương chung của làng. Vì vậy, nước thải sản xuất bún ở cống chung cuối làng thực
tế đã được pha trộn với nước thải sinh hoạt và nước thải chăn nuôi từ các hộ gia
đình trong làng. Nước thải được lấy vào buổi sáng tại hệ thống cống chung cuối
làng. Địa điểm thu nước thải tại hệ thống cống chung cuối làng được trình bày ở
hình 6A, 6B, 6C và 6D.
Hình 6A. Địa điểm thu mẫu nước thải
tại cống chung thứ nhất cuối làng
Hình 6B. Nước thải tại cống chung
thứ nhất cuối làng
Hình 6C. Địa điểm thu mẫu nước thải
tại cống chung thứ hai cuối làng
Hình 6D. Nước thải tại cống chung
thứ hai cuối làng
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
54
Nước thải được lấy tại cống chung cuối làng bún Phú Đô có hàm lượng tinh
bột cao nên nước thải có màu trắng, bọt tinh bột từng đám trắng xóa tại vùng cửa
cống chung trước khi đổ vào mương chung của làng. Nước đục và có mùi hôi thối.
Như vậy, quan sát thực tế cho thấy nước thải sản xuất bún mặc dù đã được pha trộn
với nước thải sinh hoạt và nước thải chăn nuôi nhưng vẫn mang đặc trưng của nước
thải giàu tinh bột.
Chúng tôi tiến hành kiểm tra pH của nước thải lấy tại hệ thống cửa cống
chung trước khi đổ vào mương chung của làng và chảy ra sông Nhuệ. Kết quả cho
thấy nước thải có giá trị pH gần trung tính (pH = 7 - 7,5). Do vậy, chúng tôi không
cần dùng vôi bột để điều chỉnh pH giúp VSV phát triển.
Nước thải sau khi lấy về được phân tích ngay các thông số COD, BOD5,
Nitơ tổng số (Nts), Photpho tổng số (Pts). Kết quả phân tích các thông số đặc trưng
của nước thải được chỉ ra trên bảng 5.
Bảng 5. Đặc trưng của nước thải sản xuất bún tại
hệ thống cống chung cuối làng Phú Đô
TT Các chỉ tiêu Đơn vị Kết quả QCVN
24:2009/BTNMT
loại B
1 pH - 7 - 7,5 5,5 - 9
2 Mùi - Mùi hôi thối Không khó chịu
3 COD mg/l 1376 100
4 BOD5 mg/l 621 50
5 Nts mg/l 85,24 30
6 Pts mg/l 6,92 6
7 VSV tổng số CFU/ml 12710 x 106 -
Ghi chú: QCVN 24:2009/BTNMT, loại B: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công
nghiệp năm 2009, áp dụng cho nước thải công nghiệp xả vào nguồn tiếp nhận không dùng
cho mục đích cấp nước sinh hoạt.
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
55
Kết quả thu được được chỉ ra trên bảng 5 cho thấy ngoài chỉ tiêu về pH, hàm
lượng photpho tổng số và các chỉ tiêu khác của nước thải đều vượt quá các tiêu
chuẩn cho phép. Hàm lượng Nts cao gấp 2,84 lần so với QCVN 24:2009/BTNMT
(85,24 mg/l so với 30 mg/l). Nước thải có hàm lượng COD và BOD5 cao gấp nhiều
lần so với quy chuẩn cho phép nói trên. Cụ thể là: Hàm lượng COD đạt 1376 mg/l,
cao gấp 13,76 lần so với QCVN 24:2009/BTNMT. Hàm lượng BOD5 đạt 621 mg/l,
cao gấp 12,42 lần so với QCVN 24:2009/BTNMT. Như vậy, nước thải sản xuất bún
tại làng nghề bún Phú Đô bị ô nhiễm hữu cơ nặng nề và mang đặc trưng của nước
thải giàu tinh bột.
3.2 Kết quả xác định thời gian lắng tối ưu cho VSV phát triển
Tương ứng với các khoảng thời gian mẫu nước thải được để lắng khác nhau
từ 0 đến 24 giờ, chúng tôi tiến hành xác định VSV tổng số phân giải tinh bột trong
các mẫu nước thải được để lắng theo thời gian khác nhau này như đã mô tả trong
phần vật liệu và phương pháp nghiên cứu. Kết quả về sự biến động về thành phần
VSV tổng số trong nước thải được lấy từ hệ thống cống chung cuối làng và để lắng
theo thời gian khác nhau được chỉ ra trên bảng 6.
Bảng 6. Sự biến động về thành phần VSV tổng số trong nước thải
được lấy từ hệ thống cống chung cuối làng
Thời gian lắng
(giờ)
VSV phân giải tinh bột tổng số (x 106 CFU/ml)
Vi khuẩn Nấm
men
Nấm
mốc
Xạ khuẩn
Tổng số
0 11600 1050 60 0 12710
6 16200 1190 44 0 17434
12 19650 1400 92 0 21142
14 21050 1560 80 0 22690
16 20400 1160 60 0 21620
18 10600 880 58 0 11538
24 7400 540 20 0 7960
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
56
Kết quả chỉ ra trên bảng 6 cho thấy nước thải sau các thời gian lắng khác
nhau tuy không có mặt của xạ khuẩn song vẫn có thành phần VSV khá phong phú,
gồm đầy đủ các loại vi khuẩn, nấm men, nấm mốc. Sự không có mặt của xạ khuẩn
trong nước thải để lắng theo các thời gian khác nhau có thể được lý giải do xạ
khuẩn vốn là loài VSV hiếu khí và phân bố chủ yếu trong đất, trong nước thải
chúng tồn tại với số lượng rất ít; quá trình tự làm sạch của nước thải chủ yếu là do
vi khuẩn, một số ít nấm men và nấm mốc, đặc biệt là vi khuẩn [16, 25]. Cũng vì
nguyên nhân này mà trong xử lý nước thải người ta thường chỉ quan tâm đến vi
khuẩn [16].
Kết quả được chỉ ra trong bảng 6 cũng cho thấy vi khuẩn chiếm số lượng lớn
nhất trong các nhóm VSV có trong nước thải, sau đó đến nấm men và nấm mốc có
số lượng ít nhất. Ngoài ra, kết quả trên bảng 6 cũng chỉ ra số lượng VSV tổng số
phân giải tinh bột trong các mẫu nước thải tại thời điểm để lắng sau 0, 6, 12 giờ
tăng dần, đạt cực đại tại 14 giờ (đạt 22690 x 106 CFU/ml) và sau đó số lượng VSV
lại giảm dần (tổng số VSV trong nước thải để lắng sau 24 giờ chỉ đạt 7960 x 106
CFU/ml). Trong mẫu nước thải để lắng sau 14 giờ, số lượng vi khuẩn phân giải tinh
bột đạt 21050 x106 CFU/ml; số lượng nấm men phân giải tinh bột đạt 1560 x 106
CFU/ml, số lượng nấm mốc phân giải tinh bột đạt 80 x 106 CFU/ml. Do tại thời
điểm để lắng sau 14 giờ, nước thải có tổng số VSV phân giải tinh bột là cao nhất
nên chúng tôi chọn thời gian để lắng tối ưu là 14 giờ. Các hình 7A, 7B, 7C và 7D
lần lượt minh hoạ sự có mặt của vi khuẩn, nấm men, nấm mốc có mặt trong nước
thải theo các thời gian khác nhau.
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
57
Hình 7A. Hình ảnh khuẩn lạc vi khuẩn
có mặt trong nước thải sau 6 giờ
Hình 7B. Hình ảnh khuẩn lạc nấm
men có mặt trong nước thải sau 18 giờ
Hình 7C. Hình ảnh khuẩn lạc nấm
mốc có mặt trong nước thải sau 18 giờ
Hình 7D. Hình ảnh khuẩn lạc nấm
mốc có mặt trong nước thải sau 24 giờ
3.3 Kết quả nuôi tạo bùn hoạt tính từ nước thải sản xuất bún
Tiếp theo chúng tôi nuôi tạo bùn hoạt tính theo quy trình đã được mô tả trong
phần vật liệu và phương pháp. Kết quả tạo bùn hoạt tính sử dụng tập đoàn VSV bản
địa có trong nước thải sản xuất bún thu tại cống chung cuối làng được trình bày ở
bảng 7.
Bảng 7. Thành phần và số lượng VSV trong bùn hoạt tính đã nuôi được
(CFU/ml)
Mẫu Vi khuẩn Nấm men Nấm mốc Xạ khuẩn Tổng số VSV
Bùn hoạt
tính
22400 x
109 7640 x 109 52 x 107 18 x 106 30041x 109
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
58
So sánh với kết quả trên bảng 6 về số lượng VSV có trong nước thải trước
khi nuôi tạo bùn hoạt tính, chúng tôi nhận thấy tổng số VSV có mặt trong bùn hoạt
tính nuôi tạo được tăng lên đáng kể, đạt 30041 x 109 CFU/ml, cao gấp 1.324 lần so
với tổng số VSV có trong nước thải sau khi để lắng 14 giờ (22690 x 106 CFU/ml).
Đặc biệt trong bùn hoạt tính nuôi tạo được đã có sự có mặt của xạ khuẩn phân giải
tinh bột, với số lượng là 18 x106 CFU/ml. Nguyên nhân có thể được giải thích là do
khi được nuôi tạo trong điều kiện bổ sung thêm chất dinh dưỡng và lắc trên máy lắc
trong vòng 24 giờ, chúng tôi đã làm giàu được loại VSV hiếu khí vốn phân bố trong
nước thải với số lượng rất ít này. Ngoài ra, thành phần các VSV còn lại có mặt
trong bùn hoạt tính rất cao. Cụ thể là vi khuẩn phân giải tinh bột đạt 22400 x 109
CFU/ml, nấm men phân giải tinh bột là 7640 x109 CFU/ml, nấm mốc phân giải tinh
bột là 52 x 107 CFU/ml. Như vậy, với phương pháp nuôi tạo bùn hoạt tính nêu trên,
chúng tôi đã làm giàu thêm được quần thể VSV có mặt trong nước thải. Một số hình
ảnh về quần thể VSV như vi khuẩn, nấm mốc, nấm men, xạ khuẩn có mặt trong bùn
hoạt tính nuôi tạo được được trình bày ở hình 8A, 8B, 8C, 8D.
Hình 8A. Vi khuẩn phân giải tinh bột
có mặt trong bùn hoạt tính
Hình 8B. Nấm men phân giải tinh bột
có mặt trong bùn hoạt tính
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
59
Hình 8C. Nấm mốc phân giải tinh bột
có mặt trong bùn hoạt tính
Hình 8D. Xạ khuẩn phân giải tinh bột
có mặt trong bùn hoạt tính
Sau khi đã thành công trong việc tạo bùn hoạt tính như đã mô tả ở phần trên,
chúng tôi tiến hành xác định các thông số xử lý nước thải tối ưu.
3.4 Kết quả xác định hàm lượng bùn hoạt tính tối ưu cho quá trình xử lý
Chúng tôi tiến hành xác định tỷ lệ bùn hoạt tính tối ưu cho quá trình xử lý
nước thải dựa trên tổng số VSV phân giải tinh bột có mặt trong bùn hoạt tính được
bổ sung ở các nồng độ khác nhau: 2, 3, 4, 5 và 7%. Chúng tôi tiến hành xác định
định tính sự có mặt của các VSV có mặt trong nước thải khi được bổ sung bùn hoạt
tính tạo được ở các nồng độ trên. Kết quả xác định định tính về số lượng VSV tổng
số phân giải tinh bột có mặt trong bùn hoạt tính ở các nồng độ khác nhau được thể
hiện trên bảng 8.
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
Lượng bùn được bổ sung (%) 2 3 4 5 7
VSV phân giải tinh bột tổng số + + ++ +++ ++
Ghi chú: số lượng dấu + biểu thị tương đối số lượng VSV tổng số có trong mẫu
Kết quả chỉ ra trên bảng 8 cho thấy bùn hoạt tính nuôi tạo được có nồng độ
tối ưu là 5% được bổ sung vào nước thải sẽ cho quần thể VSV đạt cao nhất. Điều
này gián tiếp tương ứng với hiệu quả xử lý nước thải bằng VSV đạt cao nhất. Như
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
60
vậy, hàm lượng bùn hoạt tính nuôi tạo được bổ sung vào nước thải với nồng độ 5%
được xác định là hàm lượng bùn tối ưu cho quá trình xử lý nước thải.
3.5 Kết quả xác định nồng độ Nitơ và Photpho tối ưu
Chất dinh dưỡng nitơ và photpho rất quan trọng đối với sự sinh trưởng và
phát triển của VSV. Lượng chất dinh dưỡng N, P phù hợp cho quá trình xử lý sinh
học với nồng độ chất ô nhiễm hữu cơ cần đạt theo tỷ lệ BOD5 : N : P = 100 : 5 : 1
[16]. Mỗi một cơ thể sinh vật nhất định có một nhu cầu dinh dưỡng về N, P. Trong
điều kiện nuôi trồng thừa hoặc thiếu N, P, sự sinh trưởng và phát triển của VSV đều
có thể bị ảnh hưởng. Chính vì vậy, để có được một quần thể VSV phát triển tốt
trong nước thải sản xuất bún, chúng tôi cần phải tiến hành thí nghiệm xác định nồng
độ N, P tối ưu cho VSV sinh trưởng và phát triển ở nguồn nước thải này.
Chúng tôi tiến hành bổ sung lượng N, P theo phân đạm và phân lân Văn
Điển với hàm lượng N trong phân đạm là 46%, hàm lượng P trong phân lân là 6%.
Để đảm bảo cho nước thải có tỷ lệ BOD5 : N : P = 100 : 5 : 1, nguồn N và P cần bổ
sung vào nước thải như sau:
- Nồng độ N = 5% x BOD5 = 5% x 621 mg/l = 31,05 mg/l
Với lượng phân đạm chứa 46% N thì lượng phân đạm cần bổ sung vào nước thải là:
(31,05 mg/l x 100)/46 = 67,5 mg/l
- Nồng độ P = 1% x BOD5 = 1% x 621 mg/l = 6,21 mg/l
Với lượng phân lân chứa 6% P thì lượng phân lân cần bổ sung vào nước thải là:
(6,21 mg/l x 100)/6 = 103,5 mg/l
Dựa trên lượng N và P tính theo lý thuyết nêu trên, chúng tôi tiến hành xác định
nồng độ N và P tối ưu thực tế cần bổ sung vào nước thải sản xuất bún được lấy tại
cống chung cuối làng.
3.5.1 Kết quả xác định nồng độ Nitơ tối ưu
Nước thải sau khi bổ sung tỷ lệ bùn hoạt tính tối ưu là 5% như đã xác định ở
phần 3.4, chúng tôi cố định lượng phân lân cần bổ sung là 103,5 mg/l. Chúng tôi
tiến hành bổ sung lượng phân đạm ở các nồng độ khác nhau: 40 mg/l, 70 mg/l, 100
mg/l, 130 mg/l, 160 mg/l vào nước thải. Sau đó tiến hành xác định lượng VSV phân
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
61
giải tinh bột hiếu khí tổng số có trong nước thải (vì VSV phân giải tinh bột tổng số
tỷ lệ nghịch với hàm lượng COD trong nước thải). Kết quả về sự thay đổi số lượng
VSV phân giải tinh bột có trong nước thải được bổ sung nguồn phân đạm có nồng
độ khác nhau được chỉ ra trên bảng 9.
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
Phân đạm
bổ sung
(mg/l)
VSV phân giải tinh bột tổng số (x 109 CFU/ml)
Vi khuẩn Nấm men Nấm mốc Xạ khuẩn
Tổng số
40 8520 950 0 0 9470
70 10200 1360 80 0 11640
100 13600 1250 125 54 15029
130 8550 1400 75 80 10105
160 7200 850 40 50 8140
Kết quả thu được trong bảng 9 cho thấy lượng phân đạm bổ sung vào nước
thải sản xuất bún là 100 mg/l cho số lượng VSV phân giải tinh bột đạt cao nhất
(15029 x 109 CFU/ml). Do vậy, với các thí nghiệm tiếp theo, chúng tôi tiến hành bổ
sung lượng phân đạm tối ưu cho quá trình xử lý nước thải là 100 mg/l.
3.5.2 Kết quả xác định nồng độ Photpho tối ưu
Nước thải sau khi bổ sung tỷ lệ bùn hoạt tính tối ưu là 5%, chúng tôi cố định
lượng phân đạm tối ưu là 100 mg/l như đã nêu ở trên. Sau đó, chúng tôi tiến hành
bổ sung lượng phân lân ở các nồng độ khác nhau: 50 mg/l, 80 mg/l, 110 mg/l, 140
mg/l, 170 mg/l vào nước thải. Sau đó chúng tôi cũng tiến hành xác định lượng VSV
phân giải tinh bột hiếu khí tổng số có trong nước thải trong tất cả các công thức thí
nghiệm được bổ sung nguồn phân lân khác nhau. Kết quả về sự thay đổi số lượng
VSV phân giải tinh bột có trong nước thải được bổ sung phân lân với nồng độ khác
nhau được thể hiện trên bảng 10.
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
62
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
Phân lân
bổ sung
(mg/l)
VSV phân giải tinh bột tổng số (x 109 CFU/ml)
Vi khuẩn Nấm men Nấm mốc Xạ khuẩn
Tổng số
50 12450 3250 0 0 15700
80 17500 4500 112 60 22172
110 15000 3460 56 84 18600
140 9250 2500 94 70 19914
170 8000 2750 100 68 10918
Kết quả chỉ ra trên bảng 10 cho thấy lượng phân lân bổ sung vào nước thải là
80 mg/l cho số lượng VSV phân giải tinh bột đạt cao nhất (22172 x 109 CFU/ml).
Do vậy, chúng tôi tiến hành bổ sung lượng phân lân tối ưu cho quá trình xử lý nước
thải sản xuất bún là 80 mg/l trong các thí nghiệm tiếp theo.
3.6 Kết quả xác định thời gian sục tối ưu đối với nước thải
Chúng tôi tiến hành xác định thời gian sục khí tối ưu phản ánh qua giá trị
VSV tổng số phân giải tinh bột với nước thải được bổ sung bùn hoạt tính là 5%,
lượng phân đạm và phân lân được bổ sung lần lượt là 100 mg/l và 80 mg/l. Kết quả
về sự thay đổi của VSV tổng số phân giải tinh bột theo thời gian sục khí khác nhau
ở các mẫu nước thải trong điều kiện thí nghiệm nêu trên được chỉ ra trên bảng 11.
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
63
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
Thời gian
sục (giờ)
VSV phân giải tinh bột tổng số (x 109 CFU/ml)
Vi khuẩn Nấm men Nấm mốc Xạ khuẩn
Tổng số
0 16800 550 50 20 17420
4 23650 728 82 20 24480
10 29500 1060 90 28 30678
16 30350 2700 110 30 33190
20 27400 3500 50 48 30998
24 21600 2760 50 40 24450
Kết quả chỉ ra trên bảng 11 cho thấy, với thời gian sục khí là 16 giờ, lượng
VSV phân giải tinh bột tổng số đạt cao nhất cả về số lượng (33190 x 109 CFU/ml)
cũng như thành phần các loài vi khuẩn, nấm men, nấm mốc, xạ khuẩn. Do vậy,
chúng tôi chọn thời gian sục khí tối ưu cho xử lý nước thải sản xuất bún được lấy tại
cống chung cuối làng là 16 giờ.
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
Từ các kết quả thu được ở các phần trên về thông số tối ưu cho quá trình xử
lý nước thải sản xuất bún, bao gồm thời gian lắng tối ưu (14 giờ), tỷ lệ bùn hoạt tính
tối ưu (5%), hàm lượng phân đạm tối ưu (100 mg/l), hàm lượng phân lân tối ưu (80
mg/l), thời gian sục khí tối ưu (16 giờ), chúng tôi đưa ra quy trình xử lý nước thải
sản xuất bún tại hệ thống cống chung cuối làng bún Phú Đô trước khi đổ vào
mương chung chạy quanh làng và đổ ra sông Nhuệ. Chúng tôi sử dụng chủng tảo
lam S. platensis CNTĐB để thử nghiệm nuôi trồng trong nước thải sản xuất bún
Phú Đô. Quy trình xử lý nước thải sản xuất bún Phú Đô được chỉ ra trên bảng 12.
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
57
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
Giai đoạn 1 Giai đoạn 2 (sục khí trong 16 giờ) Giai đoạn 3 (tiếp tục sục khí + nuôi tảo
trong 20 ngày)
Lắng không
trong 14 giờ
(Ký hiệu
mẫu: M1);
pH = 7-7,5;
Phân tích
COD,
BOD5, Nts,
Pts
Bố sung
phân đạm
100mg/l,
phân lân
80 mg/l;
pH = 7 -
7,5
Công thức thí
nghiệm
Ký
hiệu
mẫu
V
(lít)
Chỉ tiêu phân
tích COD,
BOD5, Nts, Pts
Công thức thí nghiệm Ký hiệu
mẫu
V
(lít)
Chỉ tiêu phân
tích COD,
BOD5, Nts, Pts
Sục không M2.1 4 + Sục không M2.2 4 +
Sục bùn hoạt
tính 5% M3.1 4 + Sục bùn hoạt tính 5% M3.2 4 +
Sục bùn hoạt
tính 5% M4.1 4 +
Sục bùn hoạt tính 5% +
sục tảo Spirulina
platensis CNTĐB
M4.2 4 +
Lắng không M1.1 4 + Lắng không M1.2 4 +
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
58
Với quy trình xử lý được chỉ ra trên bảng 12, chúng tôi tiến hành lặp lại thí nghiệm 2 lần. Các thông số COD, BOD5,
Nts, Pts được phân tích ở tất cả các giai đoạn 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 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.
Hình 9 mô tả thí nghiệm trước và sau 1, 6 và 20 ngày nuôi chủng tảo Spirulina platensis CNTĐB trong nước thải.
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
59
Hình 9A. Thí nghiệm
trước khi bổ sung tảo
Hình 9B. Thí nghiệm sau 1 ngày
nuôi cấy tảo trong nước thải
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
60
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 giải tinh bột trong các giai đoạn xử lý nước
thải sản xuất bún được chỉ ra trên bảng 13.
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
61
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
Công
thức thí
nghiệm
COD
(mg/l)
BOD5
(mg/l)
Nts
(mg/l)
Pts
(mg/l)
Vi sinh vật
Hiếu khí (x109 CFU/ml) Kỵ khí
(MPN/ml)
Vi
khuẩn
Nấm
men
Nấm
mốc
Xạ
khuẩn
VSV
tổng số
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
62
M0 1376 621 85,24 6,92 11,60 1,05 0,06 0 12,71 0,13 x102
M1 250 194,50 56,87 6,72 20,50 1,70 0,18 0 22,38 0,21x102
M1.1 239,60 168,80 90,38 28,60 54,00 6,80 0,29 0 61,09 0,11x103
M2.1 203,78 157,10 99,66 8,45 7600 950 25 4 8579 0,27x105
M3.1 154,35 93,0 78,45 16,50 30580 2800 120 50 33550 0,14x107
M4.1 149,97 97,60 75,68 11,45 30700 3075 95 50 33920 0,21x107
M1.2 179,57 88,24 22,02 6,75 19,10 2,42 0,17 0 21,69 0,14x104
M2.2 155,49 81,23 8,57 3,28 1040 156 10 1,98 1207,98 2,9x103
M3.2 135,95 66,20 8,87 3,15 2094 1050 40 16 3200 0,53x104
M4.2 70,36 52,02 7,43 2,71 970 628 10 4,62 1612,62 0,93x103
Ghi chú:
M0: nước thải tại cống chung cuối làng trước khi để lắng;
M1: nước thải để lắng sau 14 giờ;
M1.1: nước thải để lắng 14 giờ + không sục;
M2.1: nước thải để lắng 14 giờ + sục khí;
M3.1 và M4.1: nước thải để lắng sau 14 giờ + sục khí + bùn hoạt tính 5%;
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;
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
63
M4.2: là công thức M4.1 có bổ sung vi tảo lam Spirulina platensis CNTĐB 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 kỵ khí 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 bột đạt 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 khí cùng với các VSV hiếu khí phân giải tinh bột tổng số này góp phần quan trọng trong quá trình tự làm sạch
của nước thải.
Kết quả 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 có hàm lượng BOD5 sau xử lý là 52,02 mg/l, giảm đi 11,94 lần so với hàm lượng BOD5 của
nước thải 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 lý đạt 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 hàm lượng Pts trong nước thải ban đầu
(6,92 mg/l). Mẫu 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 (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
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
64
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
hoạt tính và sục khí được trình bày ở hình 10.
Sinh trưởng của tảo qua các ngày nuôi cấy trong nước thải
0.10.20.30.40.50.60.70.80.9
1
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
Ngày nuôi cấy
OD
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
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
65
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 tảo tuy giảm trong ngày đầu tiên được nuôi cấy trong nước thải (mật độ OD giảm từ
0,202 xuống còn 0,183) song bắt đầu tăng dần từ ngày thứ 2 được nuôi trong nước thải (từ 0,183 trong ngày thứ 2 đến 0,301
trong ngày thứ 7) nhưng tăng với tốc độ chậm. Sở dĩ mật độ OD tăng chậm như vậy có thể được giải thích do đây là giai
đoạn thích nghi của tảo trong môi trường nước thải. Từ ngày thứ 8 được nuôi cấy trong nước thải, tốc độ sinh trưởng của tảo
bắt đầu tăng với tốc độ nhanh hơn và đến 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 tảo không bị thay đổi, sợi tảo không bị đứt
gẫy, vẫn giữ được màu sắc đặc trưng của tảo lam S. platensis CNTĐB.
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
66
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 xuất bún.
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 khác nhau (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.
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
67
Bảng 14. Hàm lượng PHA tích lũy ở S. platensis CNT khi môi trường
được bổ sung các nguồn cácbon khác nhau
Môi trường Nồng độ nguồn
cácbon bổ sung
S. platensis CNT
OD420 nm Hàm lượng PHA (%TLK)
SOT 0,68 0,68
SOT +
CH3COONa
0% 0,68 0,68
0,5% 1,39 1,25
1,0% 1,30 1,13
3,0% 1,17 1,58
5,0% 0,88 1,25
SOT +
Glucoza
0% 0,68 0,68
0,5% 1,92 3,85
1,0% 0,72 0,61
3,0% 0,45 0,21
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
68
5,0% 0,21 0,16
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
cácbon ngoại bào là muối natri axetat vào môi trường nuôi. Sự tích lũy PHA cực đại thể hiện 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 bằng tia UV ở bước sóng 254 nm, thời gian chiếu mẫu là 5; 10; 15; 20; 25 và 30 phút,
với khoảng 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
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.
Việc tạo đột biến trên tảo bằng tia UV kết hợp với điều kiện chọn lọc thích hợp là tương đối đơn giản. Kết quả
nghiên cứu của nhiều tác giả đã cho thấy tia UV với 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 tạo được (với một đặc điểm
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
69
mong muốn nào đó) cũng cần phải kiểm tra tính ổn định của 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 trình tổng hợp PHAs ở các cơ thể sinh vật, gồm 2
tiểu phần pha E và pha C. Vì vậy, để nâng cao hàm lượng PHAs trong tảo lam này theo hướng áp dụng các kỹ thuật di
truyền, 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 những kết 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 Đô sau
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
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
70
chúng tôi thu hoạch sinh khối bằng cách lọc qua giấy lọc. Hàm lượng PHA được tích luỹ trong 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 ngày nuôi 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 được lấy tại hệ thống cống chung cuối làng
thôn Phú Đô trước khi đổ vào mương chung chạy 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.
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
71
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
xử lý
Lắng không
Sục không
Sục + bùn
hoạt tính
Sục + bùn hoạt tính
+ chủng tảo
CNTĐB
Hiệu quả xử lý
COD (%)
86,95 88,70 90,12 94,89
Hiệu quả xử lý
BOD5 (%)
85,79 86,92 89,34 91,62
Hiệu quả xử lý
Pts (%)
2,46 52,60
54,48
60,84
Hiệu quả xử lý
Nts (%)
74,17
89,95
89,59
91,28
Kết quả trên bảng 15 cho thấy mẫu nước thải chỉ để lắng có hiệu quả xử lý COD, BOD5, Nts,Pts thấp nhất trong khi
hiệu quả xử lý cả bốn thông số này của mẫu nước thải sau khi được xử lý bằng bùn hoạt tính và chủng tảo lam Spirulina
platensis CNTĐB đạt cao nhất. Cụ thể là mẫu nước thải sau khi được xử lý bằng bùn hoạt tính và chủng tảo lam Spirulina
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
72
platensis CNTĐB có hiệu quả xử lý COD đạt 94,89%, hiệu quả xử lý BOD5 đạt 91,62%, hiệu quả xử lý Pts đạt 60,84% và
hiệu 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 ra một số kết luận như sau:
1/ Nước thải sản xuất bún tại hệ thống cống chung cuối làng Phú Đô không được qua hệ thống xử lý nước thải nào
mà đổ trực tiếp xuống con mương chung của làng trước khi đổ vào sông Nhuệ. Nước thải có giá trị pH đạt trung tính, hàm
lượng tinh bột cao và bị ô nhiễm hữu cơ nặng nề. Hàm lượng COD đạt 1376 mg/l, cao gấp 13,76 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
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
73
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
lượng nấm men phân giải tinh bột đạt 1560 x 106 CFU/ml, số lượng nấm mốc phân giải tinh bột đạt 80 x 106 CFU/ml.
3/ Với phương pháp nuôi tạo bùn hoạt tính, quần thể vi sinh vật có mặt trong nước thải được làm giàu cao gấp 1.324
lần so với tổng số vi sinh vật có trong nước thải sau khi để lắng 14 giờ. Tổng số vi sinh vật có mặt trong bùn hoạt tính nuôi
tạo đạt 30041 x 109 CFU/ml, xạ khuẩn phân giải tinh bột đạt 18 x 106 CFU/ml, vi khuẩn phân 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
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
74
- 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 sinh trưởng 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 tế bào ở nồng độ 0,5% glucoza sau 10 ngày nuôi cấy.
7/ Hiệu quả xử lý các thông số COD, BOD5, nitơ tổng số và photpho tổng số của 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 đạt 60,84% 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 hạn nên 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 phát triển của tảo;
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
75
- 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 dụng các 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 cần được tính toán cụ thể, đặc biệt tính đến
hiệu quả kinh tế từ hàm lượng PHA thu được trong sinh khối tảo sau xử lý dùng trong công nghiệp sản xuất chất dẻo sinh
học.
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
76
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.
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
77
3. Đặng Hoàng Phước Hiền (1994), “Dinh dưỡng nitơ và hoạt tính men glutaminsintetaza ở vi khuẩn lam Spirulina
platensis. Quá trình tách chiết và làm sạch và nghiên cứu một số tính chất lý hoá và động năng của men này”, Tạp
chí sinh học, 16(3), tr 18 – 24.
4. Dương Trọng Hiền (1999), Nghiên cứu một số chỉ tiêu sinh lý, hoá sinh của tảo Spirulina platensis dưới tác động
của NaCl, Luận án Tiến sĩ sinh học, Viện Công nghệ Sinh học - Trung tâm Khoa học tự nhiên và Công nghệ Quốc
gia, Hà Nội.
5. Đặng Diễm Hồng, Ngô Hoài Thu, Hoàng Sỹ Nam, Hoàng Lan Anh, Y. Kawata (2007), “Bước đầu ứng dụng vi
khuẩn và vi tảo Spirulina đột biến để làm sạch nước thải và định hướng sản xuất nguồn nguyên liệu chất dẻo sinh
học dùng cho công nghiệp ở làng nghề bún Phú Đô”, Tuyển tập báo cáo Hội nghị khoa học Công nghệ môi trường -
nghiên cứu và ứng dụng, Hà Nội, tr. 279 - 286.
6. Trịnh Lê Hùng (2008), Kỹ thuật xử lý nước thải, Nhà xuất bản Giáo dục, Hà Nội.
7. Đặng Đình Kim, Đặng Hoàng Phước Hiền (1999), Công nghệ Sinh học Vi tảo, Nhà xuất bản Nông nghiệp, Hà Nội.
8. Đặng Đình Kim, Đặng Hoàng Phước Hiền, Nguyễn Tiến Cư (1994), “Một số vấn đề về công nghệ sản xuất tảo
Spirulina ở Việt Nam”, Tạp chí sinh học, 16(3), tr.7-11.
9. Đặng Đình Kim, Đặng Hoàng Phước Hiền, Dương Trọng Hiền (1994), “Tách chiết Phycobiliprotein từ vi khuẩn lam
Spirulina platensis và bước đầu tìm hiểu khả năng ứng dụng chế phẩm trong y học”, Tạp chí Sinh học, 16(3), tr.93 –
94.
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
78
10. Đặng Đình Kim và cs. (1994), “Thực nghiệm nuôi trồng Spirulina trong nước khoáng Đắc Min”, Tạp chí Sinh học,
16(3), tr.95 – 98.
11. Lê Văn Lăng (1999), “Spirulina nuôi trồng - sử dụng trong y dược và dinh dưỡng”, Nhà xuất bản Y học, Chi nhánh
Thành phố Hồ Chí Minh.
12. Lưu Minh Loan (2004), Nghiên cứu bước đầu về xử lý nước thải làng nghề bún Phú Đô bằng biện pháp bùn hoạt
tính, Luận văn thạc sỹ khoa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội.
13. Nguyễn Đức Lượng (2002), Công nghệ vi sinh, tập 2 - Vi sinh vật học công nghiệp, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia
thành phố Hồ Chí Minh, tr.119-133.
14. Đặng Xuyến Như và cộng sự (1998), “Sử dụng một số biện pháp sinh học để làm sạch môi trường đất và nước”,
Báo cáo khoa học đề tài cấp bộ, tr. 23-42
15. Lương Đức Phẩm (2003), Công nghệ xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học, Nhà xuất bản Giáo dục, Hà Nội, tr.
58-84.
16. Lương Đức Phẩm, Đinh Thị Kim Nhung, Trần Cẩm Vân (2009), Cơ sở khoa học trong công nghệ bảo vệ môi
trường, tập 2 – Cơ sở vi sinh trong công nghệ bảo vệ môi trường, Nhà Xuất bản Giáo dục, Hà Nội.
17. Đặng Thỵ Sy (2005), Tảo học, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Hà Nội, tr.25-29.
18. Chu Thị Thơm, Phan Thị Lài, Nguyễn Văn Tó (2006), Cải tạo môi trường bằng chế phẩm vi sinh vật, Nhà xuất bản
Lao động, Hà Nội, tr.40-66.
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
79
19. Ngô Thị Hoài Thu (2006), Bước đầu sử dụng một số kỹ thuật sinh học phân tử trong nghiên cứu tạo các chủng
Spirulina platensis tái tổ hợp để sản xuất chất dẻo sinh học – PHA, Luận văn thạc sỹ khoa học, Viện Sinh thái và Tài
nguyên sinh vật, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
20. Ngô Thị Hoài Thu, Đặng Diễm Hồng, S. Aiba, Y. Kawata (2007), “Ứng dụng phương pháp thể mỡ để chuyển nạp
gen vào tế bào của các loài vi tảo lam Spirulina platensis”, Tạp chí Sinh học, 29 (1), tr. 70-75.
21. Nguyễn Hữu Thước (1988), Tảo Spirulina - nguồn dinh dưỡng và dược liệu quý, Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật,
Hà Nội.
22. Trần Linh Thước (2002), Phương pháp phân tích vi sinh vật trong nước, thực phẩm và mỹ phẩm, Nhà xuất bản Giáo
dục, Hà Nội.
23. Trần Văn Tựa, Vũ Văn Vụ (1994), Nghiên cứu về khả năng nuôi trồng tạp dưỡng tảo Spirulina platensis”, Tạp Chí
Sinh học 16(3), tr. 25 – 31.
24. Trần Cẩm Vân (2005), Giáo trình vi sinh vật môi trường, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Hà Nội, tr. 81 – 83.
25. Trần Cẩm Vân, Bạch Phương Loan (1995), Công nghệ vi sinh và bảo vệ môi trường, Nhà xuất bản Khoa học kĩ
thuật, Hà Nội, tr. 123 – 129.
26. Vũ Văn Vụ, Nguyễn Văn Anh (1994), “Quang hợp và sinh trưởng của tảo Spirulina platensis trong điều kiện thiếu
nitơ, phospho và kali”, Tạp Chí Sinh học, 16(3), tr. 55 – 57.
Tiếng Anh
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
80
27. Akar A., Akkaya, E.U., Yesiladali, S.K.,Celikyilmaz, G.,Cok, E.U.,Tamerler,C.,Orhon, D.and Cakar, Z.P (2006),
“Accumulation of polyhydroxyalkanoates by Microlunatus phosphovorus undervarious growth conditions”,
Microbiol Biotechnol, 33, pp. 215–220.
28. Amber Cain, Raveender Vannela and L. Keith Woo, “Cyanobacteria as a biosorbent for mercuric ion” (2007),
Bioresource Technology, 99 (14), pp. 6578-6586.
29. Byrom D. (1994), Poly-3-hydroxylkanoates, In: Mobley DP (ed) Plastic from microbes: microbial synthesis of
polymers and polymer precursor, Hanser Munich, pp.5-33.
30. Choonawala. B (2007), “Spirulina Production in Brine Effluent from Cooling Towers”, Master thesis, Durban
University of Technology, pp.6 – 16
31. Chen Guo-Qiang (2009), Plastics from Bacteria: Natural Functions and Applications, Springer, pp.126-130.
32. Chuntapa B., Powtongsook S., Menasveta P. (2003), “Water quality control using Spirulina platensis in shrimp
culture tank”, Journal of Aquaculture, pp. 355 – 366.
33. Everest A, Tajalli R, Ipsita. Roy (2010), “Production of polyhydroxyalkanoates: The future green materials of
choice”, Journal of Chemical Technology and Biotechnology, 85 (6), pp. 732-743.
34. Godos I.., Vargas V.A., Blanco S., González M.C.G., Soto. R.,García-Encina. P.A., Becares, E. Muñoz. R. (2010),
“A comparative evaluation of microalgae for the degradation of piggery wastewater under photosynthetic
oxygenation”, Bioresource Technology, 101(14), pp. 5150-5158.
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
81
35. Henrikson Robert (1994), Earth Food Spirulina, Ronore Enterprise, U.S.A.
36. Hai T., Hein S. and Steinbuchel A. (2001), “Multiple evidence for widespread and general occurrence of type-III
PHA synthases in cyanobacteria and molecular characterization of the PHA synthases from two thermophilic
cyanobacteria: Chlorogloeopsis fritschii PCC 6912 and Synechococcus sp. Strain MA 19”, Microbio, 147, pp. 3047-
3060.
37. Jau MH, Yew SP, Toh PSY, Chong ASC, Chu WL, Phang AM, Najimudin N, Sudesh K (2005), “Biosynthesis and
mobilization of poly (3-hydroxybutyrate) [P(3HB)] by Spirulina platensis”, International Journal of Biological
Macromolecules, 36, pp.144-151
38. Jixun Dai, Quanqui Zhang, Zhenmin Bao, Yu Bo and Zhou Haolang (1996), “Studies on the pure line culture,
mutagenization and interspecies fusion of Porphyra protoplast”, Selected paper on marine Biotechnology, College of
marine life sciences, Ocean University of QingDao and Chinese Center of marine Biotechnology/ BAC/ UNESCO,
pp. 475-479.
39. Kawata Y. (2006), “Studies on recombinant DNA techniques for cyanobacterium Spirulina platensis”, Doctoral
Thesis, Kyoto University, 46 pages.
40. Kim Do Young, Kim Young Baek, and Young Ha Rhee (1998), “Bacterial Poly(3-hydroxyalkanoates) Bearing
Carbon - Carbon Triple Bonds”, Macromolecules, 31(15), pp. 4760 – 4763.
41. Keshavarz, T., Roy, I. (2010), “Polyhydroxyalkanoates: bioplastics with a green agenda”, Current Opinion in
Microbiology,13 (3), pp. 321-326.
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
82
42. Kulshreshtha A., Zacharia J. A., Jarouliya U., Bhadauriya. P., Prasad, G.B.K.S. (2008), “Spirulina in health care
management”, Current Pharmaceutical Biotechnology, 9 (5), pp. 400-405.
43. Larsdotter K, Jansen JC, Dalhammar G. (2010), “Phosphorus removal from wastewater by microalgae in Sweden-a
year-round perspective”, Environmental Technology, 31(2), pp. 117-123.
44. Lee SY.(1996), “Bacterial Poly-3-hydroxylkanoates”, Biotechnol. Bioeng, 49, pp. 1-14.
45. Legat Andrea, Claudia Gruber, Klaus Zangger, Gerhard Wanner and Helga Stan-Lotter (2010), “Identification of
polyhydroxyalkanoates in Halococcus and other haloarchaeal species”, Applied Microbiology and Biotechnology, 87
(3), pp. 1119-1127.
46. Lemoigne M. (1926), “Produit de deshydratation etde polymerization de I’acide -oxybutyrique”, Bull. Soc. Chim.
Biol, 8, pp.770-782.
47. Liang. W, Min. M, Y. Li, P. Chen, Y. Chen, Y. Liu, Y. Wang and Roger Ruan (2009), “Cultivation of Green Algae
Chlorella sp. in Different Wastewaters from Municipal Wastewater Treatment Plant”, Applied Biochemistry and
Biotechnology, 162 (4), pp. 1174-1186.
48. Misra S.K., Valappil, Roy and Boccaccini (2006), “Polyhydroxyalkanoate (PHA)/inorganic phase composites for
tissue engineering applications”, Biomacromolecules, 7 pp. 2250–2258.
49. Mobfey David P. (1994), “Plastic from microbes: microbial synthesis of polymers and polymer precursor”, Hanser
Publishers, Munich, pp. 5-33.
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
83
50. Mukhopadhyay M, Patra A,Paul AK (2005), “Production of poly(3-hydroxybutyrate) and poly(3-hydroxybutyrate-
co-3-hydroxyvalerate) by Rhodopseudomonas palustris SP 5212”, World J Microbiol Biotechnol, 21, pp.765–769.
51. Murugesan, A.G. Maheswari, S. and Bagirath (2008), “Biosorption of Cadmium by Live and Immobilized Cells of
Spirulina Platensis”, International Journal of Environmental Research, 2(3), pp. 307-312.
52. Oever Martien V.D. (2010), European Bioplastic Perspective, Bio Based Chemical Symposium, Edmonton, Canada.
53. Ogbonna James, Yoshizawa Hitoshi, Tanaka Hideo (2000), “Treatment of high strength organic wastewater by a
mixed culture of photosynthetic microorganisms”, Journal of Applied Phycology,12, pp. 277–284.
54. Ojumu, Yu, and Solomon, B.O (2004), “Production of Polyhydroxyalkanoates, a bacterial biodegradable polymer”,
African Journal of Biotechnology 3(1), pp. 18-24.
55. Olguin, J., Galicia, S., Mercado, G., and Pérez, T. (2003), “Annual productivity of Spirulina (Arthrospira) and
nutrient removal in a pig wastewater recycling process under tropical conditions”, Journal of Applied Phycology,
15(3), pp. 249-257.
56. Panda B, Jain P, Sharma L, Mallick N (2006), “Optimization of cultural and nutritional conditions for accumulation
of poly--hydroxybutyrate in Synechocystis sp. PCC6803”, Bioresource Technology, 97, pp.1296-1301.
57. Phang. S.M, Miah. M.S., Yeoh.B.G. and Hisham M.A (2000), “Spirulina cultivation in digested sago starch factory
wastewater”, J. Appl. Phycol, 12, pp. 395-400.
58. Poirier Y., Nawrath C., Somerville C. (1995), “Production of polyhydroxyalkanoates, a family of Biodegradable
plastic and elastomers, in bacterial and plant”, Biotechnol, 13, pp. 142-150.
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
84
59. Quillaguamán J, Guzmán Héctor, D. Van-Thuoc and R. Hatti-Kaul (2010), “Synthesis and production of
polyhydroxyalkanoates by halophiles: current potential and future prospects”, Appl Microbiol Biotechnol, 85 pp.
1687–1696.
60. Rangsayatorn. N, Upatham M. Kruatrachue, Pokethitiyook and Lanza (2002), “Phytoremediation potential of
Spirulina (Arthrospira) platensis: biosorption and toxicity studies of cadmium”, Journal of Environmental Pollution,
119(1), pp.45 - 53.
61. Rivera FM, Betancount A, Tra AV, Yezza A, Hawari J (2007), “Use of headspace solid-phase microextraction for
the quantification of poly (3-hydroxybutyrate) in microbial cells”, J. Chromatography A, 1154, pp.34-41.
62. Solisio. C, Lodi. A, Torre. P, Converti. A, Del Borghi (2006), “Copper removal by dry and re-hydrated biomass of
Spirulina platensis”, Bioresource Technology, 97, pp. 1756–1760.
63. Sudesh K., Able H., Doi Y. (2000) “Synthesis, structure and properties of polyhydroxyalkanoates biological
polyesters”, Prog Polym Sci, 25, pp. 1503-1555.
64. Sudesh K., Taguchi K., Doi Y. (2001), “Can cyanobacteria be a potential PHA producer?”. Focused on
Ecomolecular Science Research, 42, pp.75-76.
65. Thiel and Poo H (1989), “Transformation of a filamentous cyanobacterium by electroporation”, J. Bacteriol., pp.
5743-5746.
66. Toyomizu M, Suruki K, Kawata Y, Kojima H and Akiba Y (2001), “Effective transformation of cyanobacterium
Spirulina platensis using electroporation”, J. Appl. Phycol, 13, pp. 209 - 214.
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
85
67. Tsz-Chun, M., Chan, P.L., Lawford, H.,Chua, H., Lo, W.H. and Yu, P.H.F. (2005), “Microbial synthesis and
characterization of physiochemical properties of polyhydroxyalkanoates(PHAs) produced by bacteria isolated from
activated sludge obtained from the municipal wastewater works in HongKong”, Appl Biochem Biotechnol, 122,
pp.731–740.
68. Valappil, S.P., Peiris, D., Langley,G.J., Herniman, J.M., Boc caccini, A.R., Bucke, C.and Roy. I. (2007),
“Polyhydroxyalkanoate (PHA) biosynthesis from structurally unrelated carbon sources by a newly characterized
Bacillus spp”, J Biotechnol, 127, pp. 475–487.
69. Verlinden R.A.J., Hill, D.J., Kenward, M.A., Williams, C.D., Radecka, I (2007), “Bacterial synthesis of
biodegradable polyhydroxyalkanoates”, Journal of Applied Microbiology, 102 (6), pp. 1437-1449.
70. Wu. Q, Wang. Y and Chen G.Q (2009), “Medical application of microbial biopolyesters polyhydroxyalkanoates”,
Artif Cells Blood Substit Biotechnol, 37, pp. 1–12.
Các trang web tham khảo
71. http://www.agbiotech.com.vn/vn/?mnu=preview&key=1154
72. http://www.agrohayat.az/view.php?lang=en&menu=30&id=37
73. http://animalfreeprotein.com/Spirulina-Protein.html
74. http://www.asn-espirulina.com/english/espi4.htm
75. http://en.wikipedia.org/wiki/Polyhydroxyalkanoates
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
86
76. http://en.wikipedia.org/wiki/Spirulina_(dietary_supplement)
77. http://erectomaxx.com/ingredients.htm
78. http://www.independent.co.uk/life-style/gadgets-and-tech/news/
79. http://www.ictnews.vn/Home/
80. http://www.diepluc.com/1/content/view/205/42/lang,vietnam/
81. http://www.la-boutique-bio.com/specials.php
82. http://www.naturalways.com/spirul1.htm
83. http://www.naturezadivina.com.br/loja/product_info.php?products_id=56
84. http://www.sciencedaily.com/releases/2009/09/090928095449.htm
85. http://www.soyatech.com/print_news.php?id=2513
86. http://www.spirulina.com.vn/LinksExchange.aspx
87. http://thanglong.cinet.vn/Pages/ArticleDetail
88. http://www.tiens.com.pk/Products/supplements/spirulina.html
89. http://vietbao.vn/Suc-khoe/Doi-dieu-nen-biet-ve-tao-Spirulina/
90. http://vietsciences.free.fr/khaocuu/nguyenlandung/vitao01.htm.2006
91. http://vietsciences.free.fr/timhieu/khoahoc/biologie/spirulina.htm
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
87
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
88
PHỤ LỤC
Phụ lục 1. Một số hình ảnh về làng bún Phú Đô ngày nay
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
89
Cổng vào làng bún Phú Đô ngày nay
Nước thải sản xuất bún tại cống chung
cuối làng Phú Đô xả trực tiếp xuống
mương chung của làng
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
90
Nước thải sản xuất bún pha trộn cùng nước
thải sinh hoạt và nước thải chăn nuôi
từ các hộ gia đình
Người dân làng Phú Đô than phiền vì
tình trạng ô nhiễm môi trường tại làng.
Phụ lục 2. Một số hình ảnh minh họa trong quá trình làm thí nghiệm
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
91
Nước thải tại cống chung cuối làng
được chuyển vào can nhựa
Chuyển nước thải vào thùng để lắng
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
92
Nước thải sau lắng 14 tiếng được chuyển
vào các bình thí nghiệm
Chuẩn bị giống tảo S.platensis CNTĐB
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
93
Các mẫu bùn hoạt tính
Bổ sung tảo vào bình sục thí nghiệm
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
94
Thí nghiệm sau 1 ngày
nuôi cấy tảo trong nước thải
Quan sát sinh trưởng của tảo
qua các ngày nuôi cấy
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
95
Hình thái sợi tảo chủng Spirulina platensis
CNTĐB sau 12 ngày nuôi cấy
trong nước thải
Lọc thu sinh khối tảo sau xử lý
Phụ lục 3. Một số hình ảnh minh họa cho các VSV phân giải tinh bột
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
96
Hình ảnh khuẩn lạc vi khuẩn có mặt
trong bùn hoạt tính
Hình ảnh khuẩn lạc nấm mốc có mặt
trong bùn hoạt tính
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
97
Hình ảnh khuẩn lạc nấm men có mặt
trong bùn hoạt tính
Hình ảnh khuẩn lạc xạ khuẩn có mặt
trong bùn hoạt tính
Nguyễn Minh Phương Luận văn thạc sỹ khoa học
98
VSV kị khí phân giải tinh bột
Bề mặt thạch bị nứt nhiều do có vi
khuẩn sinh metan