Nghiên cứu sử dụng vi khuẩn trong phân hủy kỵ khí chất thải tại các lò giết mổ tập trung nhằm thu hồi khí sinh học

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---***--- Chu Thanh Huyền NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG VI KHUẨN TRONG PHÂN HỦY KỴ KHÍ CHẤT THẢI TẠI CÁC LÒ GIẾT MỔ TẬP TRUNG NHẰM THU H

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-*** -

Chu Thanh Huyền

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG VI KHUẨN TRONG PHÂN HỦY KỴ KHÍ CHẤT THẢI TẠI CÁC LÒ GIẾT MỔ TẬP TRUNG

NHẰM THU HỒI KHÍ SINH HỌC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – 2016

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

KHOA SINH HỌC -*** -

Chu Thanh Huyền

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG VI KHUẨN TRONG PHÂN HỦY KỴ KHÍ CHẤT THẢI TẠI CÁC LÒ GIẾT MỔ TẬP TRUNG

NHẰM THU HỒI KHÍ SINH HỌC

Chuyên ngành: Vi sinh vật học

Mã số: 60 42 01 07

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Người hướng dẫn khoa học:

PGS.TS Bùi Thị Việt Hà

TS Đỗ Tiến Anh

Hà Nội - 2016

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập, nghiên cứu tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, chỉ bảo, động viên của thầy cô, bạn bè, sự động viên to lớn của gia đình và những người thân

Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất tới PGS.TS Bùi Thị Việt Hà, người đã trực tiếp giảng dạy, giúp đỡ và hướng dẫn tôi tận tình trong suốt quá trình thực hiện đề tài tại phòng thí nghiệm Hóa sinh và Vi sinh môi trường Hơn nữa, cô đã động viên khích lệ giúp tôi, chỉ bảo cho tôi những kiến thức, lời khuyên, kinh nghiệm quý báu trong học tập và nghiên cứu

Tôi xin chân thành cảm ơn TS Đỗ Tiến Anh cùng các thành viên thực hiện

đề tài cấp nhà nước KC.08.31/11-15 "Nghiên cứu ứng dụng và phát triển mô hình công nghệ tích hợp tiên tiến có tận thu và sử dụng năng lượng tái tạo để xử lý hiệu quả, bền vững nguồn thải hỗn hợp rắn - lỏng từ các lò giết mổ tập trung" đã giúp

đỡ tôi rất nhiều trong quá trình nghiên cứu

Với tấm lòng biết ơn sâu sắc tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tất cả Thầy Cô và các cán bộ, thành viên trong bộ môn Vi sinh vật học, phòng sinh học Nano và ứng dụng– KLEP, Khoa Sinh học, Khoa Môi trường và Phòng Sau đại học- Đại học Khoa học Tự nhiên, Viện Vi sinh vật và Công nghệ sinh học- ĐHQGHN, Trung tâm kiểm định môi trường- Cục cảnh sát môi trường- Bộ công

an, đã nhiệt tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những người thân yêu đã luôn ở bên tôi, động viên và giúp đỡ tôi cả về mặt vật chất lẫn tinh thần trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu

Hà nội, ngày 08 tháng 08 năm 2016

Tác giả

Chu Thanh Huyền

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

PHẦN I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2

1.1 Tổng quan chất thải lò giết mổ 2

1.1.1 Nguồn thải 2

1.1.2 Nước thải lò giết mổ 4

1.1.3 Chất thải rắn lò giết mổ 9

1.2 Các phương pháp xử lý chất thải lò giết mổ 12

1.2.1 Xử lý nước thải lò giết mổ 12

1.2.2 Xử lý chất thải rắn lò giết mổ 15

1.3 Lên men kỵ khí sinh biogas 18

1.4 Lên men kỵ khí sinh H2 19

PHẦN II: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 24

2.1 Nguyên liệu và thiết bị 24

2.1.1 Nguyên liệu 24

2.1.2 Thiết bị 24

2.1.3 Các dụng cụ 25

2.2 Phương pháp 25

2.2.1 Khảo sát các chỉ số ô nhiễm của một vài cơ sở giết mổ gia súc 25

2.2.2 Môi trường nuôi cấy 26

2.2.3 Phương pháp nuôi cấy 27

2.2.4 Định danh vi khuẩn dựa vào khóa định loại Bergey 28

2.2.5 Định danh vi khuẩn dựa vào giải trình tự đoạn gen rRNA 16S 31

2.2.6 Định danh vi khuẩn bằng khối phổ protein 33

2.2.7 Nghiên cứu hệ thống xử lý chất thải rắn lò giết mổ bể kỵ khí 50L 33 2.2.8 Phương pháp phân tích 34

PHẦN III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 37

3.1 Khảo sát các chỉ số ô nhiễm của một số cơ sở giết mổ gia súc 37

3.2 Phân lập các vi khuẩn lên men kỵ khí có khả năng tạo ra khí sinh học từ các mẫu bùn và phân động vật 40

3.2.1 Khả năng sinh khí của các chủng vi khuẩn 40

3.2.2 Đặc điểm hình thái tế bào 43

3.2.3 Định danh dựa vào khóa phân loại Bergey 45

3.2.4 Định danh loài bằng phân tích 16S rRNA 45

3.2.5 Định danh loài bằng khối phổ Protein 49

3.3 Nghiên cứu một số điều kiện môi trường ảnh hưởng đến quá trình lên men kỵ khí 49

3.3.1 Ảnh hưởng của pH đến tổng lượng khí biogas sinh ra 49

3.3.2 Ảnh hưởng của pH đến lượng khí H2 sinh ra 51

3.3.3 Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng sinh trưởng và sinh khí 53

3.4 Nghiên cứu quá trình tiền xử lý và xử lý kỵ khí chất thải lò giết mổ 55

3.4.1.Tiền xử lý chất thải lò giết mổ: 56

3.4.2.Quá trình lên men kỵ khí 58

3.4.3 Ảnh hưởng của việc bổ sung vi sinh vật lên sự tạo thành hydro 60

3.5 Ảnh hưởng của pH tới quá trình phân hủy kỵ khí bể 50L 62

KẾT LUẬN 68

KIẾN NGHỊ 69

TÀI LIỆU THAM KHẢO 70

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Đặc tính nước thải tại một số lò giết mổ trên thế giới ở một số

nghiên cứu 5

Bảng 1.2: Đặc tính của nước thải giết mổ gia súc tại một số lò giết mổ tại Việt Nam 8

Bảng 3.1 Kết quả phân tích mẫu nước thải tại cơ sở giết mổ gia súc gia cầm thủ công tại xã Vạn Phúc, Hà Nội 37

Bảng 3.2: Sản lượng khí hydro trong các mẫu phân lập 41

Bảng 3.3: Sản lượng hydro từ các chủng phân lập 43

Bảng 3.4: Tính chất sinh lý hóa sinh của các chủng đã phân lập từ phân bò và bùn 45

Bảng 3.5: Kết quả định danh bằng kỹ thuật sinh học phân tử 47

Bảng 3.6: Ảnh hưởng của pH đến tổng lượng khí sinh ra 50

Bảng 3.7: Ảnh hưởng của pH đến thể tích khí H2 sinh ra 52

Bảng 3.8: Ảnh hưởng của thời gian tới khả năng sinh trưởng và sinh khí 54

Bảng 3.9: Sự thay đổi của các chỉ số sinh học trong quá trình tiền xử lý ưa nhiệt, hiếu khí 56

Bảng 3.10: Sự thay đổi nồng độ các chất hữu cơ của bùn thải trước và sau quá trình lên men kỵ khí 58

Bảng 3.11: Ảnh hưởng của nguồn vi sinh vật bổ sung lên sự tạo thành hydro 60

Bảng 3.12: Thông số ảnh hưởng đến tổng lượng khí sinh ra (pH 7- 7.5) 63

Bảng 3.13: Thông số ảnh hưởng đến tổng lượng khí sinh ra (pH 6- 6.5) 65

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1: Tủ nuôi vi sinh vật kỵ khí (Model: Labconco/ PreciseTM; Mỹ) 25 Hình 2.2: Sơ đồ nghiên cứu sử dụng vi khuẩn trong phân hủy kỵ khí chất thải tại các lò giết mổ tập trung 26 Hình 2.3: Phương pháp sục khí nitơ 27 Hình 2.4:Mô hình xử lý chất kỵ khí xử lý chất thải rắn và bùn thải 33 Hình 2.5: Mô hình lên men kỵ khí và hệ thống đo tổng lượng khí sinh ra bằng phương pháp cột nước (Lettinga G., 1995) 35 Hình 3.1: Hình thái tế bào của chủng BO1, BU1 44 Hình 3.2: Kết quả điện di sản phẩm nhân bản gen mã hóa 16S rRNA bằng kỹ thuật PCR 46 Hình 3.3: Ảnh hưởng của pH đến tổng lượng khí sinh ra 51 Hình 3.4: Ảnh hưởng của pH đến thể tích khí H2 sinh ra 53 Hình 3.5: Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng sinh trưởng và sinh khí 55 Hình 3.6: Đồ thị biểu diễn tổng lượng khí sinh ra ở khoảng pH 7- 7.5 64 Hình 3.7: Đồ thị biểu diễn tổng lượng khí sinh ra khi pH trong khoảng 6- 6.5 66

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

C.bifermentans Clostridium bifermentans

1

MỞ ĐẦU

Trên thế giới, để giải quyết các vấn đề khó khăn về nguồn nhiên liệu cạn kiệt cũng như trái đất nóng lên mà một phần nguyên nhân là do quá trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch, các nhà khoa học đã và đang tập trung nghiên cứu tìm nguồn năng lượng mới, sạch và bền vững Một trong những hướng khả thi nhất là sản xuất biogas

Biogas (khí sinh học) là sản phẩm khí được sinh ra khi chất thải hữu cơ (thường là chất thải từ động vật, phụ phẩm nông nghiệp) bị lên men trong điều kiện kỵ khí Áp dụng công nghệ lên men kỵ khí trong thực tiễn phân hủy vật chất hữu cơ có khả năng giúp giải quyết các vấn đề có tính chiến lược như sản xuất và sử dụng năng lượng tái sinh, xử lý chất thải hữu cơ trong quá trình phát triển đô thị và sản xuất công nghiệp, chăn nuôi

Kinh tế càng phát triển thì các nhu cầu về ăn uống, đi lại của con người ngày một cao hơn Nhu cầu sử dụng các loại thịt gia súc gia cầm cũng ngày một tăng đã kéo theo tình trạng ô nhiễm môi trường và các loại bệnh có liên quan tới môi trường và vệ sinh thực phẩm cũng ngày càng tăng Các lò mổ hàng ngày đều thải ra một lượng lớn chất thải mà không qua xử lý chính, lượng thực phẩm dư thừa không được sử dụng hết là những nguyên nhân gây

ra tình trạng ô nhiễm nguồn nước nói riêng và ô nhiễm môi trường nói chung

Đề tài:“Nghiên cứu sử dụng vi khuẩn trong phân hủy kỵ khí chất thải

tại các lò giết mổ tập trung nhằm thu hồi khí sinh học” nhằm tìm kiếm các

chủng vi khuẩn có khả năng phân giải các chất ô nhiễm như Bacillus,

Lactobacillus, Clostridium,… phù hợp với nguồn cơ chất từ lò giết mổ, xác lập

chế độ lên men kỵ khí tối ưu để tăng hiệu suất tạo khí sinh học, xây dựng mô hình xử lý kỵ khí chất thải lò giết mổ tập trung ở quy mô phòng thí nghiệm

2

PHẦN I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 Tổng quan chất thải lò giết mổ

1.1.1 Nguồn thải

Môi trường đang là một vấn đề thách thức đối với các quốc gia nói chung, và với Việt Nam nói riêng Sự phát triển của ngành lương thực, thực phẩm nhằm đáp ứng được nhu cầu ngày càng tăng của con người đang đồng thời gây ra những vấn đề ô nhiễm ngày một tăng, đặc biệt là ngành giết mổ gia súc gia cầm, có thể được gọi là một trong những ngành gây ra ô nhiễm cao đối với môi trường

Trên thế giới hiện nay, để cung ứng đủ lượng thịt cho nhu cầu tiêu dùng của con người ngày một gia tăng đòi hỏi các cơ sở giết mổ gia súc, gia cầm tại các địa phương và các thành phố lớn trên thế giới phải hoạt động hết công suất Theo báo cáo hàng năm của OECD-FAO (2011), giá gia súc trong giai đoạn 2011 – 2020 trung bình sẽ cao hơn 30% so với thập kỷ trước Giá cao và nhu cầu tăng lên đối với tất cả các loại thịt làm gia tăng nguồn cung trong nước (OECD-FAO, 2012) Sản xuất thịt hàng năm dự kiến sẽ tăng trưởng 22% từ năm 2006 đến năm 2016 trên toàn thế giới Cũng theo báo cáo của Tổng cục thống kê Ireland (CSO, 2011), số xác động vật của gia súc giết lấy thịt ở Ireland là 1600 nghìn đầu gia súc, 2421 nghìn đầu lợn, 2730 nghìn đầu cừu trong năm 2009, và trong năm 2010 là 1717 nghìn đầu gia súc, 2657 nghìn đầu lợn, 2.383 nghìn đầu cừu Kết quả là lượng chất thải từ các cơ sở giết mổ này thải ra môi trường đang là một mối lo và cần phải được các cơ quan, nhà chức trách có thẩm quyền quản lý nghiêm ngặt hơn nữa và quan trọng nhất là phải tìm ra cách thức để có thể xử lý nguồn chất thải này để giảm những tác động tiêu cực lên môi trường, tránh những ảnh hưởng xấu đến sức khỏe của con người

3

Ở Việt Nam, năng lực giết mổ gia súc, gia cầm này, trừ một vài nhà máy chế biến thịt công nghiệp và được quy hoạch tổ chức khá hơn ở thành phố Hồ Chí Minh, còn lại ở hầu hết các địa phương trong cả nước, đặc biệt là các tỉnh thành phố ở phía Bắc, phần lớn gia súc lớn đều được giết mổ theo cách thức giản đơn và tại chỗ, trong các lò giết mổ hình thành tự phát ngay trong cộng đồng dân cư, hay thậm chí ngay tại gia đình chăn nuôi Theo thống kê của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn năm 2014, hiện nay trong 53/64 tỉnh thành trên toàn quốc mới có khoảng 851 cơ sở giết mổ đã được kiểm tra đánh giá, ngoài ra còn hơn 28.285 cơ sở giết mổ nhỏ lẻ, trong đó ở 12 tỉnh trọng điểm phía Bắc có khoảng 11485 điểm, trong đó chỉ có khoảng 59 cơ sở giết

mổ tập trung (chưa đến 1%) Điều này cho thấy, hiện trạng về năng lực giết

mổ gia súc, gia cầm ở Việt Nam hầu hết được thực hiện theo cách thức giản đơn và tại chỗ, trong các lò giết mổ hình thành tự phát ngay trong cộng đồng dân cư, hay thậm chí ngay tại gia đình chăn nuôi Chỉ có một số ít nhà máy chế biến thịt công nghiệp và được quy hoạch tổ chức với hệ thống xử lý nước thải và chất thải theo tiêu chuẩn, tập trung chủ yếu ở các thành phố lớn như

Hà Nội, Hồ Chí Minh Trong khi đó, các chất thải trong quá trình giết mổ gia súc, gia cầm bao gồm nước thải và chất thải rắn Các chất thải rắn phát sinh từ các lò giết mổ thực chất là các thành phần không được sử dụng trong quá trình giết mổ như: cặn, phân, các chất bẩn trong lòng ruột của các con gia súc

và các mảnh vụn từ lòng, mề, ruột, xương, Các thành phần này chứa lượng lớn các chất hữu cơ chưa phân hủy và rất nhiều các loại vi khuẩn, vi rút, nấm

có hại cho sức khỏe của con người, nếu không được xử lý sẽ gây ô nhiễm môi trường và đe dọa nghiêm trọng tới sức khỏe của con người Với đặc điểm của

hệ thống lò giết mổ nhỏ lẻ, tự phát và thiếu tập trung, lượng chất thải và nước thải phát sinh từ các lò giết mổ thường không được xử lý mà đổ thẳng ra môi trường, hoặc nếu có cũng xử lý chưa hiệu quả, mang tính đối phó

4

Đứng trước thực trạng đó, yêu cầu thực tế đặt ra là cần phải tập trung và kế hoạch hoá các khu vực lò giết mổ, để có thể xây dựng hệ thống xử lý nước thải

và chất thải tập trung, nhằm đảm bảo các yêu cầu về tiêu chuẩn môi trường

1.1.2 Nước thải lò giết mổ

 Đặc tính nước thải các lò giết mổ trên thế giới

Hầu hết nước thải lò giết mổ được tạo ra trong sản xuất sản phẩm thịt

do các quá trình làm sạch: rửa thịt trước và sau khi giết mổ động vật và rửa sàn nhà và các trang thiết bị Nước thải từ lò giết mổ thường chứa một lượng lớn protein, chất béo và chất hữu cơ lơ lửng (nghĩa là thịt, xương và nội tạng) Đặc điểm của nước thải lò giết mổ phụ thuộc vào loại và số lượng gia súc bị giết hàng ngày Nói chung, nước thải lò giết mổ có hàm lượng COD, BOD, TN, NH4+, và TSS cao (Cao và Mehrvar, 2011; Jia và

cs, 2012; Bustillo Lecompte và cs, 2014; Khamtib, 2014) Hàm lượng trung bình COD, BOD, TN and TSS trong nước thải lò giết mổ có thể đạt các giá trị lần lượt là 4221mg/l, 1209 mg/l, 427 mg/l và 1164 mg/l (Bustillo-Lecompte, 2014)

Đặc tính của một số lò giết mổ theo các nghiên cứu trên thế giới được thể hiện trong Bảng 1.1; trong đó, hàm lượng BOD và COD của nước thải giết mổ là tương đối cao nằm vào khoảng 900-11000 mg/L đối với BOD, và 1820-27.500 mg/L đối với COD Tổng nitơ và amoni thường dao động trong khoảng 190-735mg/L đối với tổng nitơ và 0-221 mg/L đối với amoni Việc xả nước thải lò giết mổ có chứa chất gây ô nhiễm cường độ cao vào các nguồn nước là một trong những vấn đề môi trường quan trọng của các cơ sở giết mổ (Ủy ban Châu Âu, 2005)

70

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tài liệu tiếng Việt:

1 Bùi Thanh Huyền, "Bức tranh năng lượng thế giới” Chuyên đề năng

lượng - VnGG, Chương 11

2 Nguyễn Lân Dũng và Bùi Thị Việt Hà (2009), “Sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật”, Vietscienses

3 Nguyễn Thu Hoài (2015), Nghiên cứu vi sinh vật sinh methan ứng dụng

cho sản xuất Biogas trong điều kiện môi trường nước lợ và nước mặn,

Luận án tiến sĩ sinh học, ĐHKHTN- ĐHQGHN

4 Hoàng Ngọc Huyền (2014), Nghiên cứu quá trình sản xuất hydro sinh

học từ rác thải nông nghiệp nhờ chủng vi khuẩn ưa nhiệt Thermotoga neapolitana DSM 4359, Luận văn thạc sĩ, ĐHQGHN

5 Nguyễn Thị Thu Huyền, Nguyễn Thị Yên, và cs (2013), “Tuyển chọn và định danh một số chủng vi khuẩn có khả năng sinh hydro phân lập từ

phân gia súc tại Việt Nam”, Tạp chí sinh học 35, T.79-87

Tài liệu tiếng anh:

6 Alalayah Walid M., et al (2009), "Effect of environmental parameters

on hydrogen production using Clostridium saccharoperbutylacetonicum N1-4 (ATCC 13564) ", American Journal of Environmental Sciences

5(1), pp 80-86

7 An D., Li Q et al (2014), “Characterization on hydrogen production

performance of a newly isolated Clostridium beijerinckii YA001 using xylose”, International Journal of Hydrogen Energy, 39(35), pp.19928–

19936

8 Bailey K.L., Lazarovits L.G (2003), “Suppressing soil-borne diseases

with residue management and organic amendments”, Soil Till Res,

72:169–180