Nghiên cứu ứng dụng vi sinh vật bản địa để xử lý nước thải trong giết mổ gia súc tập trung (LA tiến sĩ)

Nghiên cứu ứng dụng vi sinh vật bản địa để xử lý nước thải trong giết mổ gia súc tập trung (LÀ tiến sĩ)Nghiên cứu ứng dụng vi sinh vật bản địa để xử lý nước thải trong giết mổ gia súc tập trung (LÀ tiến sĩ)Nghiên cứu ứng dụng vi sinh vật bản địa để xử lý nước thải trong giết mổ gia súc tập trung (LÀ tiến sĩ)Nghiên cứu ứng dụng vi sinh vật bản địa để xử lý nước thải trong giết mổ gia súc tập trung (LÀ tiến sĩ)Nghiên cứu ứng dụng vi sinh vật bản địa để xử lý nước thải trong giết mổ gia súc tập trung (LÀ tiến sĩ)Nghiên cứu ứng dụng vi sinh vật bản địa để xử lý nước thải trong giết mổ gia súc tập trung (LÀ tiến sĩ)Nghiên cứu ứng dụng vi sinh vật bản địa để xử lý nước thải trong giết mổ gia súc tập trung (LÀ tiến sĩ)Nghiên cứu ứng dụng vi sinh vật bản địa để xử lý nước thải trong giết mổ gia súc tập trung (LÀ tiến sĩ)Nghiên cứu ứng dụng vi sinh vật bản địa để xử lý nước thải trong giết mổ gia súc tập trung (LÀ tiến sĩ)

i

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRẦN THỊ THU LAN

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VI SINH VẬT BẢN ĐỊA ĐỂ XỬ LÝ NƯỚC

THẢI TRONG GIẾT MỔ GIA SÚC TẬP TRUNG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ SINH HỌC

HÀ NỘI – 2017

ii

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRẦN THỊ THU LAN

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VI SINH VẬT BẢN ĐỊA ĐỂ XỬ LÝ NƯỚC

THẢI TRONG GIẾT MỔ GIA SÚC TẬP TRUNG

Chuyên ngành: Công nghệ sinh học

i

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới GS TS Nguyễn Văn Cách người Thầy đã hướng dẫn và giúp tôi định hướng trong nghiên cứu khoa học, trợ giúp tài chính phục vụ nghiên cứu trong suốt thời gian thực hiện luận án

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tập thể cán bộ phòng Công nghệ xử lý nước, Viện Công nghệ môi trường, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam Đây không chỉ là nơi đào tạo giúp tôi trưởng thành hơn trong hoạt động nghiên cứu khoa học mà còn là nơi để tôi chia sẻ những khúc mắc gặp phải trong quá trình thực hiện luận án Lãnh đạo phòng đã tạo điều kiện về mặt thời gian và trang thiết bị để tôi thực hiện trong suốt quá trình làm luận án

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến chủ nhiệm đề tài KC 08.04, TS Đỗ Tiến Anh, Viện Khoa học khí tượng thủy văn đã hỗ trợ kinh phí và thiết bị thí nghiệm cho các nội dung nghiên cứu thực hiện luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn đến các thầy cô của bộ môn vi sinh- hóa sinh- sinh học phân tử, Viện Công nghệ sinh học và Thực phẩm, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, những kiến thức mà tôi được tiếp thu, tích lũy trong suốt thời gian học tập tại đây từ khi là một sinh viên đại học là nền tảng không thể thiếu để tôi có đủ khả năng tiếp thu, trau dồi kiến thức mới phục vụ cho các nghiên cứu trong luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô của Viện đào tạo sau đại học đã giúp đỡ và hướng dẫn tận tình cho tôi các mẫu giấy tờ văn bản trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận án

Để hoàn thành luận án này không thể không nhắc tới sự hỗ trợ và khuyến khích về tinh thân của những người thân trong gia đình và bạn bè

Hà Nội, ngày tháng/ năm 2017

Tác giả luận án

ii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa sử dụng để bảo vệ một học vị nào, chưa được ai công bố trong

bất kì một công trình nghiên cứu nào

Hà nội, ngày tháng năm 2017

Tác giả luận án

iii

MỤC LỤC

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT

DANH MỤC HÌNH VẼ

DANH MỤC BẢNG

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 4

1.1 Hiện trạng giết mổ gia súc 4

1.1.1 Hiện trạng quy trình giết mổ và nguồn phát thải chất thải trong quá trình giết mổ gia súc 4

1.1.2 Đặc tính nước thải và nguồn thải ngành giết mổ gia súc 6

1.2 Các công nghệ xử lý nước thải giết mổ 9

1.2.1 Phương pháp cơ học và hóa lý 9

1.2.1.1 Phương pháp cơ học 9

1.2.1.2 Phương pháp hóa lý 10

1.2.2 Phương pháp sinh học 10

1.2.2.1 Phương pháp sinh học kị khí 10

1.2.2.2 Phương pháp hiếu khí 11

1.2.3 Các nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải giết mổ gia súc 13

1.2.3.1 Các công nghệ nghiên cứu và áp dụng tại các cơ sở giết mổ trên thế giới 13

1.2.3.2 Tình hình nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải giết mổ gia súc của Việt Nam16 1.2.4 Giải pháp công nghệ xử lý có khai thác chất ô nhiễm trong bể xử lý sinh học tích hợp đa chức năng 18

1.2.4.1 Nguyên lý hoạt động bể tích hợp năm chức năng 18

1.2.4.2 Giải pháp công nghệ này đã được kiểm nghiệm công nghệ thành công tại các nguồn nước thải khác nhau: 20

1.3 Giải pháp công nghệ xử lý nước thải ngành giết mổ gia súc bằng phương pháp sinh học 21

1.3.1 Cơ sở khoa học của phương pháp xử lý sinh học 21

1.3.2 Cơ sở lý thuyết loại bỏ hợp chất hữu cơ, nitơ trong nước 22

1.3.3 Giải pháp công nghệ xử lý bằng bùn hoạt tính 24

1.3.4 Chế phẩm vi sinh vật trong xử lý nước thải 28

iv

1.3.4.1 Vi sinh vật trong nước thải 28

1.3.4.2 Vi khuẩn thuộc chi Bacillus 28

1.3.4.3 Mục tiêu phân lập chọn chủng vi sinh vật 29

1.3.4.4 Tổng quan về chế phẩm vi sinh 31

1.3.4.5 Các nghiên cứu ứng dụng chế phẩm VSV 33

1.4 Định hướng nghiên cứu và phát triển giải pháp công nghệ của Luận án 35

1.4.1 Cơ sở khoa học trong xây dựng hướng nghiên cứu của Luận án 35

1.4.2 Hướng phân giải protein 37

1.4.3 Tổng hợp các hướng phát triển công nghệ trong luận án 38

CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 41

2.1 Vật liệu 41

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 41

2.1.2 Hoá chất thí nghiệm 41

2.1.3 Thiết bị phân tích 41

2.1.4 Môi trường 42

2.2 Phương pháp nghiên cứu 42

2.2.1 Phương pháp lấy mẫu 42

2.2.2 Phương pháp xác định các chỉ tiêu trong nước 43

2.2.3 Phương pháp vi sinh vật 43

2.2.3.1 Phân lập 43

2.2.3.2 Phương pháp tuyển chọn 44

2.2.4 Phương pháp định danh bằng phương pháp truyền thống 46

2.2.4.1 Thử hoạt tính catalase 46

2.2.4.2 Khả năng sử dụng một số loại đường 47

2.2.5 Phương pháp định danh bằng phương pháp sinh học phân tử 47

2.2.5.1 Tách DNA tổng số từ vi khuẩn 47

2.2.5.2 Nhân khuyếch đại gen bằng phản ứng PCR 48

2.2.5.3 Tinh sạch sản phẩm PCR 48

2.2.5.4 Xác định trình tự chuỗi nucleotid và so sánh tương quan trình tự gen 48

2.2.6 Tạo chế phẩm 49

2.2.6.1 Khảo sát các điều kiện lên men thu sinh khối của chủng 49

2.2.6.2 Lên mem thu sinh khối của các chủng VSV tuyển chọn để tạo chế phẩm 50

v

2.2.6.3 Phương pháp tạo chế phẩm 50

2.2.7 Phương pháp xử lý nước thải giết mổ gia súc quy mô phòng thí nghiệm 52

2.2.7.1 Phương pháp hiếu khí theo mẻ quy mô bình 5L 52

2.2.7.2 Phương pháp xử lý hiếu khí bán liên tục quy mô 35L 53

2.2.8 Phương pháp xử lý nước thải giết mổ gia súc quy mô pilot hiện trường 20 m3/ngày 57 2.2.8.1 Xác định thời gian khởi động của bể tích hợp năm chức năng 57

2.2.8.2 Xác định hiệu suất xử lý COD trong các chế độ 57

2.2.8.3 Xác định hiệu suất xử lý TN trong các chế độ 58

2.2.8.4 Đánh giá tính ổn định của chế phẩm 58

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 59

3.1 Khảo sát đặc trưng nước thải giết mổ gia súc của một số cơ sở khu vực Hà Nội 59

3.1.1 Cơ sở giết mổ Thịnh An 59

3.1.2 Cơ sở giết mổ trâu bò Khắc Ngoan 60

3.2 Phân lập, tuyển chọn vi khuẩn thích ứng để xử lý nước thải giết mổ gia súc 63

3.2.1 Phân lập vi khuẩn 63

3.2.2 Tuyển chọn các chủng vi khuẩn phân lập 64

3.2.2.1 Kiểm tra năng lực phân giải cơ chất của các chủng phân lập 64

3.2.2.2 Khả năng sinh trưởng, phát triển của các chủng tuyển chọn 65

3.2.2.3 Năng lực loại bỏ COD trong nước thải giết mổ gia súc của các chủng tuyển chọn67 3.2.3 Định tên các chủng vi sinh vật tuyển chọn 70

3.2.3.1 Đặc điểm hình thái, sinh lý, sinh hóa của các chủng 71

3.2.3.2 Định tên chủng bằng phương pháp sinh học phân tử 73

3.3 Thử nghiệm tạo chế phẩm vi sinh vật 76

3.3.1 Thử nghiệm xác định các điều kiện lên men thu sinh khối vi khuẩn 76

3.3.1.1 Lựa chọn môi trường thích hợp 77

3.3.1.2 Ảnh hưởng của pH đến môi trường 78

3.3.1.3 Nhu cầu oxy hòa tan đến năng lực phát triển sinh khối vi sinh vật 80

3.3.1.4 Ảnh hưởng của tỷ lệ cấp giống đến năng lực phát triển sinh khối VSV 80

3.3.1.5 Trạng thái sinh trưởng và phát triển của các chủng đã tuyển chọn 82

3.3.2 Tạo chế phẩm 83

3.3.2.1 Khả năng xử lý nước thải giết mổ gia súc của các chủng tuyển chọn 83

3.3.2.2 Kiểm định đặc tính chủng trong môi trường thực 86

vi

3.3.3 Tạo chế phẩm vi sinh vật xử lý nước thải giết mổ gia súc 87

3.3.3.1 Kiểm tra sự tương hỗ của các chủng vi khuẩn thí nghiệm 87

3.3.3.2 Quy trình công nghệ tạo chế phẩm vi sinh vật 87

3.3.3.3 Sơ đồ quy trình công nghệ tạo chế phẩm vi sinh vật 90

3.4 Thử nghiệm ứng dụng chế phẩm trong xử lý nước thải giết mổ gia súc quy mô phòng thí nghiệm 90

3.4.1 Thử nghiệm ứng dụng chế phẩm trong xử lý nước thải giết mổ gia súc bằng phương pháp hiếu khí theo mẻ trên quy mô bình 5L 90

3.4.1.1 Năng lực xử lý COD 91

3.4.1.2 Năng lực xử lý nitơ tổng 92

3.4.1.3 Xác định MLSS qua các mẻ xử lý 94

3.4.1.4 Diến biến chất ô nhiễm theo thời gian xử lý của chế phẩm 96

3.4.2 Xử lý nước thải giết mổ bằng phương pháp hiếu khí bán liên tục quy mô 35 L 97

3.4.2.1 Chỉ số thể tích bùn lắng (SVI) 97

3.4.2.2 Ảnh hưởng của tải lượng đến hiệu suất xử lý 99

3.4.2.3 Ảnh hưởng của MLSS đến hiệu suất xử lý 102

3.4.2.4 Đánh giá chất lượng bùn thải 103

3.5 Thử nghiệm năng lực xử lý của chế phẩm ngoài hiện trường trên mô hình xử lý quy mô pilot 20 m 3 /ngày 104

3.5.1 Theo dõi giai đoạn khởi động của hệ thống 104

3.5.2 Theo dõi vận hành của hệ thống khi ổn định 106

3.5.2.1 Biến thiên pH và DO trong bể tích hợp chức năng 107

3.5.2.2 Biến thiên của COD trong hệ thống pilot 108

3.5.2.3 Hiệu quả xử lý T-N 108

KẾT LUẬN………111

KIẾN NGHỊ 113

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 114

CỦA LUẬN ÁN 114

TÀI LIỆU THAM KHẢO 115

PHỤ LỤC 124

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT

BOD5 Nhu cầu oxy sinh hóa sau 5 ngày Biochemical oxygen Demand

MBR Bể phản ứng kiểu màng sinh học Membrane bioreactor

MLSS Chất rắn lơ lửng trong bể phản ứng Mixed Liquor Suspended Solid MLVSS Tổng chất lơ lửng bay hơi trong bể

phản ứng

Mixed Liquor Volatile Suspended Solid

SBAR Thiết bị khí nâng hoạt động theo mẻ Sequencing Batch Airlift Reactor SBR Bể phản ứng hoạt động theo mẻ Sequencing Batch Reactor

SV30 Thể tích bùn lắng sau 30 phút

LWK Tổng khối lượng thịt trên tổng số

động vật giết mổ

Live Weight Kilogram

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sơ đồ minh họa quy trình giết mổ trâu, bò thủ công 4

Hình 1.2 Sơ đồ quy trình giết mổ trâu, bò, lợn theo phương pháp bán thủ công 5

Hình 1.3 Biểu đồ minh họa về tỷ lệ các hệ thống xử lý nước thải ngành giết mổ gia súc xử lý đạt quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về môi trường 16

Hình 1.4 Hình ảnh minh họa nguyên lý cấu tạo và vận hành của bể tích hợp năm chức năng 19

Hình 1.5 Sơ đồ minh họa quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp bùn hoạt tính 25

Hình 1.6 Sơ đồ cấu trúc vận hành của công nghệ xử lý nước thải sử dụng nhiều giải đoạn 26 Hình 1.7 Biểu đồ chi phí của hệ thống xử lý sinh học nước thải sử dụng bùn hoạt tính 27

Hình 1.8 Chi phí tiêu hao điện năng trong hệ thống xử lý sinh học bùn hoạt tính 27

Hình 1.9 Sơ đồ chỉ nguyên lý chuyển hóa vi sinh các chất ô nhiễm trong xử lý nước thải 36 Hình 1.10 Sơ đồ chỉ tóm tắt nguyên lý quá trình ôxy hóa-khử sinh học trong xử lý nước thải 37

Hình 1.11 Sơ đồ chỉ nguyên lý của quá trình chuyển hóa của protein 38

Hình 1.12 Sơ đồ công nghệ xử lý chất thải giết mổ gia súc trong luận án 39

Hình 2.1 Hình ảnh minh họa sơ đồ mô hình hệ pilot trong phòng thí nghiệm 54

Hình 3.1 Đồ thị chỉ quá trình tạo sinh khối của các chủng C theo thời gian 66

Hình 3.2 Đồ thị chỉ quá trình tạo sinh khối của các chủng M theo thời gian 67

Hình 3.3 Đồ thị chỉ năng lực xử lý COD nước thải giết mổ gia súc của các vi sinh vật 68

Hình 3.4 Đồ thị chỉ hiệu suất xử lý COD nước thải giết mổ gia súc của các vi sinh vật tuyển chọn 68

Hình 3.5 Đồ thị chỉ năng lực xử lý COD nước thải giết mổ gia súc của các vi sinh vật tuyển chọn 69

Hình 3.6 Đồ thị chỉ hiệu suất xử lý COD nước thải giết mổ gia súc của các vi sinh vật tuyển chọn 69

Hình 3.7 Đặc điểm hình thái khuẩn lạc của các chủng vi sinh vật tuyển chọn được 71

Hình 3.8 Ảnh chụp bản điện di đồ sản phẩm PCR nhân gen mã hóa 16S rDNA của 3 73

Hình 3.9 Cây phân loại của chủng M2 dựa vào trình tự gen mã hóa 16S rDNA 74

Hình 3.10 Cây phân loại của chủng C1 dựa vào trình tự gen mã hóa 16S rDNA 75

Hình 3.11 Cây phân loại của chủng C8 dựa vào trình tự gen mã hóa 16S rDNA 76

Hình 3.12 Biểu đồ chỉ ảnh hưởng của môi trường đến sinh trưởng của chủng vi sinh vật 78 Hình 3.13 Biểu đồ chỉ ảnh hưởng của pH đến sự phát triển của các chủng vi khuẩn tuyển chọn 79

Hình 3.14 Biểu đồ ảnh hưởng của thể tích dịch lên men đến sự phát triển của các chủng vi

khuẩn 80

Hình 3.15 Biểu đồ chỉ giá trị OD 600nm tại các tỷ lệ cấp giống khác nhau ở thời điểm 24h 81 Hình 3.16 Đồ thị chỉ trạng thái sinh trưởng và phát triển của chủng M2, C1, C8 82

Hình 3.17 Đồ thị chỉ diễn biến mật độ vi sinh trong quá trình lên men của chủng M2, C1, C8 83

Hình 3.18 Biểu đồ chỉ so sánh năng lực xử lý COD của các chủng 84

Hình 3.19 Biểu đồ chỉ hiệu suất xử lý COD của các chủng 85

Hình 3.20 Kết quả kiểm tra tính đối kháng của các chủng 87

Hình 3.21 Sơ đồ quy trình tạo chế phẩm hoàn chỉnh 90

Hình 3.22 Đồ thị biểu diễn sự biến thiên COD trong các ngày thí nghiệm 91

Hình 3.23 Đồ thị chỉ sự biểu diễn biến thiên hiệu suất xử lý COD trong các ngày thí nghiệm 92

Hình 3.24 Đồ thị chỉ biến thiên TN của bình bổ sung chế phẩm và bình không bổ sung chế phẩm 93

Hình 3.25 Đồ thị chỉ diễn biến nitơ đầu ra NO 3 +NO 2 và NH 4 93

Hình 3.26 Đồ thị biểu diễn biến thiên hiệu suất xử lý TN 94

Hình 3.27 Đồ thị chỉ biến thiên chỉ số MLSS qua các ngày thí nghiệm 95

Hình 3.28 Đồ thị biến thiên chỉ số quan trắc COD theo thời gian xử lý 96

Hình 3.29 Đồ thị biến thiên của TN theo thời gian xử lý 96

Hình 3.30 Hình ảnh minh họa của bùn lắng tại các thời điểm khác nhau 98

Hình 3.31 Đồ thị biểu diễn biến thiên COD ở các tải lượng 99

Hình 3.32 Đồ thị chỉ ảnh hưởng tải lượng đến hiệu suất xử lý COD 100

Hình 3.33 Đồ thị biểu diễn biến thiên TN và hiệu suất xử lý TN 100

Hình 3.34 Đồ thị biểu diễn biến thiên nồng độ nitrat, nitrit, amoni trong các chế độ thí nghiệm 101

Hình 3.35 Đồ thị chỉ biến thiên MLSS và hiệu suất xử lý COD 102

Hình 3.36 Đồ thị chỉ biến thiên MLSS và hiệu suất xử lý TN 103

Hình 3.37 Đồ thị chỉ diễn biến pH, DO trong gian đoạn khởi động hệ thống 105

Hình 3.38 Đồ thị chỉ biến thiên hiệu suất xử lý COD, TN trong gian đoạn khởi động hệ thống 106

Hình 3.39 Đồ thị chỉ biến thiên pH và DO trong bể tích hợp chức năng 107

Hình 3.40 Đồ thị chỉ diễn biến hiệu suất xử lý COD và COD đầu ra 108

Hình 3.41 Đồ thị biểu diễn hiệu suất xử lý T-N 109

Hình 3.42 Đồ thị biểu diễn các thành phần nitơ trong nước thải đầu ra 109

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Đặc trưng nước thải giết mổ gia súc trên thế giới 8

Bảng 1.2 Đặc trưng nước thải giết mổ gia súc trên Việt Nam 8

Bảng 1.3 Tổng hợp các công nghệ đã áp dụng cho xử lý nước thải giết mổ gia súc trên thế giới 14

Bảng 2.1 Danh sách các thiết bị dùng trong quá trình nghiên cứu 41

Bảng 2.2 Khảo sát ảnh hưởng của một số yếu tố đến hàm lượng sinh khối của chủng nghiên cứu 49

Bảng 2.3 Thông số kĩ thuật của thiết bị chính 53

Bảng 3.1 Tổng hợp kết quả phân tích mẫu nước thải tại các cơ sở giết mổ gia súc 62

Bảng 3.2 Kết quả phân lập và năng lực sinh tổng hợp enzyme các chủng phân lập được 63 Bảng 3.3 Năng lực phân giải hợp chất hữu cơ của các chủng phân lập 65

Bảng 3.4 Đặc điểm hình thái của các chủng vi sinh vật tuyển chọn 71

Bảng 3.5 Đặc điểm hình thái, sinh lý, sinh hóa của các chủng vi khuẩn thử nghiệm 72

Bảng 3.6 Các môi trường lên men khảo sát 77

Bảng 3.7 Đặc tính của chế phẩm vi sinh vật thu được 86

Bảng 3.8 Ảnh hưởng của nhiệt độ sấy đến sự sống sót của vi khuẩn trong chế phẩm 88

Bảng 3.9 Ảnh hưởng của tỉ lệ phối trộn dịch sinh khối với chất mang 89

Bảng 3.10 Mật độ vi sinh và độ ẩm theo thời gian, nhiệt độ bảo quản chế phẩm 89

Bảng 3.11 Chỉ số SV, SVI thông qua thời gian lắng 98

Bảng 3.12 Chất lượng của bùn trong bể thí nghiệm quy mô 35L 104

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài

Theo báo cáo ngành hàng thịt năm 2014 và triển vọng năm 2015 của Agroinfo [1], sản lượng thịt trâu hơi xuất chuồng đạt khoảng 86,9 nghìn tấn, tăng 1,6% so với năm 2013; sản lượng thịt bò xuất chuồng đạt khoảng 292,9 nghìn tấn, tăng 2,6%; sản lượng thịt lợn hơi xuất chuồng đạt 3,4 triệu tấn, tăng 3,1% Mức tiêu thụ sản phẩm chăn nuôi bình quân/người/năm 2014 ước đạt: 50,0 kg thịt hơi các loại (tăng 1,4% so 2013) Nhu cầu tiêu thụ thịt tăng theo từng năm nên các cơ sở giết mổ cũng tăng theo thị trường Theo Cục Thú

y, tính đến năm 2014 cả nước có 28.285 điểm GMGS, GC nhỏ lẻ Trong đó, 12 tỉnh trọng điểm phía bắc (tổng cộng 11.544 cơ sở, điểm giết mổ), mới chỉ có 59 cơ sở giết mổ tập trung (chiếm 0,51%) [1] Thực trạng hoạt động giết mổ gia súc gia cầm ở Việt Nam hiện nay đang diễn ra ở mức báo động về ô nhiễm môi trường, vệ sinh thú y và an toàn thực phẩm Tại các cơ sở giết mổ tập trung, tuy đã xây dựng hệ thống xử lý chất thải; Nhưng chất lượng kiểm soát an toàn vệ sinh môi trường tại nhiều cơ sở vẫn chưa đạt yêu cầu, nhất

là về tiếng ồn, ô nhiễm mùi và nguồn nước thải Các điểm giết mổ nhỏ lẻ chủ yếu nằm trong các khu dân cư thường được hình thành và phát triển một cách tự phát; Cơ sở vật chất được đầu tư rất giản đơn, đến mức hầu như không có nơi dành riêng cho từng công đoạn, không tách biệt giữa khu sạch và khu bẩn Các loại chất thải như phân, nước, phụ phẩm xả tràn lan khi giết mổ hoặc thải trực tiếp xuống sông, cống rãnh thoát nước trong khu dân cư, gây ô nhiễm môi trường khu vực nghiêm trọng Các lò giết mổ tại nông thôn

và các thị trấn hay thành phố nhỏ thường có quy mô nhỏ và hầu như không có hệ thống xử

lý (một số các lò giết mổ ở nông thôn xây dựng bể tự hoại hay hầm biogas để xử lý các chất thải rắn, lỏng này, song số các cơ sở có xây dựng có các hệ thống xử lý đơn giản này

là rất ít, mà hầu hết lượng chất thải rắn, lỏng giết mổ đều được thải trực tiếp ra mương, ao hay đường đi gây mất vệ sinh và ô nhiễm nghiêm trọng nguồn nước của người dân xung quanh

Nước thải và chất thải rắn giết mổ có hàm lượng lớn chất hữu cơ, với điển hình là chỉ số ô nhiễm nitơ cao, cùng với một số lượng vi khuẩn gây bệnh cao Do đó, thực trạng

xả thải nước thải giết mổ gia súc gia cầm trực tiếp ra môi trường đã gây các tác động xấu tới môi trường xung quanh và ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người

Hệ thống đường ống có thể thu gom các chất thải từ các lò giết mổ đưa tới các nhà máy xử lý tập trung là không có vì tính chất các cơ sở giết mổ nằm giải rác các vùng Bởi vậy, xử lý tại nguồn đang là một trong các giải pháp được đánh giá hiệu quả và thích hợp

Nhằm góp phần giải quyết vấn đề trên, luận án đã tiến hành thực hiện đề tài:

“Nghiên cứu ứng dụng vi sinh vật bản địa để xử lý nước thải trong giết mổ gia súc tập trung”

Mục tiêu của đề tài: Nghiên cứu phát triển chế phẩm vi sinh vật bản địa để áp dụng

giải pháp công nghệ xử lý sinh học thích ứng có kết hợp khai thác chất ô nhiễm hữu cơ cho đối tượng nước thải giết mổ gia súc gia cầm, gồm các mục tiêu cụ thể sau:

- Nghiên cứu phát triển chế phẩm vi sinh vật bản địa phù hợp với giải pháp tách thu bùn hoạt tính ngay trong quá trình xử lý sinh học (vi sinh vật bản địa, hiếu khí, có khả năng đồng hóa nguồn cơ chất đa dạng, phát triển tích lũy nhanh sinh khối, tạo bùn hoạt tính kết lắng thuận lợi và có năng lực cao trong xử lý nước thải giết mổ)

- Thử nghiệm ứng dụng chế phẩm vi sinh vật trong xử lý nước thải giết mổ gia súc

- Thử nghiệm xây dựng quy trình công nghệ trong xử lý nước thải giết mổ gia súc có thu bùn hoạt tính cho mục tiêu tái chế phục vụ nông nghiệp

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

- Nước thải giết mổ gia súc: nước thải giết mổ lợn và giết mổ trâu bò

- Nghiên cứu khả năng xử lý nước thải giết mổ gia súc của chế phẩm trên quy mô phòng thí nghiệm và quy mô hiện trường 20 m3/ngày

Nội dung nghiên cứu:

- Đánh giá chất lượng nước thải của một số cơ sở giết mổ gia súc ở khu vực Hà Nội

- Phân lập và tuyển chọn các chủng vi sinh vật có hoạt tính sinh học phù hợp, an toàn

và có năng lực ứng dụng trong xử lý nước thải giết mổ gia súc

- Nghiên cứu điều kiện lên men và tạo chế phẩm vi sinh vật từ các chủng vi sinh vật

đã tuyển chọn

- Thử nghiệm chế phẩm vi sinh vật để xử lý nước thải giết mổ gia súc quy mô phòng thí nghiệm (bình 5L và 35L)

- Thử nghiệm ứng dụng chế phẩm vi sinh vật để xử lý nước thải giết mổ gia súc trên

mô hình xử lý pilot ngoài hiện trường quy mô 20 m3/ngày

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn:

1 Về khoa học: Luận án đã tạo được chế phẩm vi sinh vật bản địa phù hợp với mục tiêu tách thu được bùn hoạt tính ngay trong quá trình xử lý sinh học và hiệu suất xử

1 Đã phân lập, tuyển chọn được 3 chủng vi sinh vật bản địa phù hợp với mục tiêu xử

lý tách thu bùn hoạt tính ngay trong quá trình xử lý sinh học trong xử lý nước thải giết mổ gia súc Các chủng này phát triển tốt trong điều kiện hiếu khí, tạo bùn hoạt tính kết lắng thuận lợi và có năng lực xử lý giảm nhanh các chỉ số ô nhiễm, trong đó lượng bùn lắng sau

10 phút đạt 90% so với lượng bùn lắng sau 30 phút, nên rút ngắn thời gian lắng phân ly thu bùn thải

2 Đã bước đầu khảo sát động thái của quá trình xử lý nước thải giết mổ gia súc và cho thấy giải pháp phân ly sớm phần bùn hoạt tính tự lắng được ra khỏi hệ thống ngay trong công đoạn xử lý sinh học đã làm tăng hiệu quả xử lý TN từ 66% lên 86%; Đồng thời,

đã thu được dữ liệu bước đầu về khả năng xử lý loại bỏ trực tiếp một phần cơ chất ô nhiễm polymer và thí nghiệm đã chỉ ra trong thời gian lưu nước 1 ngày thì polymer được xử lý và kéo theo bùn hoạt tính là 96% , mà không cần trải qua giai đoạn thủy phân

3 Đã ứng dụng chế phẩm vi sinh tạo ra vào bể tích hợp trong xử lý nước thải giết mổ gia súc quy mô 20 m3/ngày và rút ngắn thời gian khởi động của hệ thống xuống mức 20 ngày, tăng hiệu suất xử lý COD và TN Hiệu suất xử lý COD đạt 95 -98%, TN đạt 83-93%, chất lượng nước thải sau xử lý đạt tiêu chuẩn xả thải loại B, theo QCVN 40:2011/BTNMT

1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Hiện trạng giết mổ gia súc

1.1.1 Hiện trạng quy trình giết mổ và nguồn phát thải chất thải trong quá

trình giết mổ gia súc

Hiện tại ở Việt Nam đang tồn tại đồng thời 2 kiểu giết mổ là giết mổ thủ công (dạng phân tán hay tập trung) và giết mổ quy mô công nghiệp Đối với các cơ sở giết mổ tập trung, gia súc được tập trung và giết mổ tại cơ sở này sau đó mang sản phẩm đi tiêu thụ Quy trình giết mổ tại các cơ sở tập trung này thường là giết mổ có tính thủ công (cơ sở giết mổ tập trung cho các hộ gia đình thuê địa điểm để giết mổ) và số lượng gia súc giết

mổ đối với từng hộ gia đình là không nhiều

Quy trình giết mổ trâu, bò tại các cơ sở giết mổ tập trung phương pháp thủ công được minh họa trong hình 1.1

Hình 1.1 Sơ đồ minh họa quy trình giết mổ trâu, bò thủ công [12]

Trâu, bò được thu mua từ nhiều nguồn, sau đó nhốt tạm trước khi giết mổ Thông thường thời gian giết mổ diễn ra vào ban đêm Quá trình giết mổ được các thợ lò mổ thực

Thu mua

Trâu bò đang sống

Giết mổ

Sơ chế

Thịt Xương

Tiêu thụ

Bán

Bán sản xuất thức ăn & đồ

mỹ nghệ Muối da

Nước thải: chứa máu, mỡ,

tạp chất, BOD, COD, cao

CTR: lông, phân,

Khí thải: khí than chứa bụi,

CO, SO 2 , NO x ,

Nước thải

Nước Than

Muối,

Vôi

hiện ngay trên sàn xi măng qua các công đoạn: làm ngất trâu, bò; dội rửa sạch bằng nước giếng khoan; cắt dời chân; lột da; lấy tiết khỏi ổ bụng; dóc – tách riêng thịt và xương; nội tạng được chuyển đến khu riêng để làm sạch Sau đó, phân loại ra ba nhóm chính: (i) thịt được lọc riêng: mang đi tiêu thụ trực tiếp; (ii) xương: dùng làm nguyên liệu sản xuất độ mỹ nghệ và một phần được cung cấp cho các nhà hàng, hoặc sản xuất thức ăn cho lợn, gà, ; (iii) da: ngâm vôi, ngâm muối, sau đó đem bán cho các cơ sở có nhu cầu Nội tạng được làm sạch và bán, một phần lòng không ăn được có cơ sở thu mua riêng và sử dụng vào mục đích tái chế thức ăn gia súc, thức ăn cho cá

Quy trình giết mổ gia súc đang được áp dụng tại các cơ sở giết mổ tập trung thủ công được thể hiện trên hình 1.2 Nguồn phát sinh xả thải của từng khâu trong quá trình giết mổ được thể hiện trên hình 1.2

Hình 1.2 Sơ đồ quy trình giết mổ trâu, bò, lợn theo phương pháp bán thủ công [12]

Các nguồn phát sinh nước thải trong hoạt động giết mổ gia súc: nước rửa chuồng nhốt tạm, nước nóng cạo lông, nước làm nội tạng và nước rửa thịt, nước rửa sàn [31, 46, 82] Lượng nước dùng cho quá trình giết mổ phụ thuộc vào đối tượng giết mổ, phương pháp giết mổ và lượng nước sử dùng dao động từ 1- 8,3 m3 [35,38,92,83] và lượng nước sử dụng cũng phụ thuộc vào từng quốc gia theo báo cáo của Masse và cộng sự (2000) ở Canada lượng nước dùng cho giết mổ 1 con lợn là 90 – 140 L [67], Tritt và cộng sự (1992) [92] báo cáo lượng nước dùng cho giết mổ ở Đức là 200 – 600 L/con đối với lợn và 1000 –

1500 L/con đối với giết mổ trâu bò, theo Dương Thị Thu Hằng và cộng sự báo cáo lượng nước dùng trong giết mổ lợn ở Việt Nam là 370 – 750 L/con [3] Lượng nước thải ra chiếm hơn 80% lượng nước sử dụng [46,43]

1.1.2 Đặc tính nước thải và nguồn thải ngành giết mổ gia súc

Nước thải của các cơ sở giết mổ gia súc thường bị ô nhiễm do các thành phần hữu

cơ như máu, mỡ, protein, nitơ, photpho, các chất tẩy rửa và chất bảo quản thực phẩm Đối với các lò giết mổ gia súc không có chế biến thịt thì thịt tươi sau khi mổ được vận chuyển ngay ra khỏi cơ sở đến nơi tiêu thụ (chợ, cơ sở chế biến thực phẩm) nên hầu như không có chất bảo quản (kho lạnh), do đó trong nước thải các chất tẩy rửa ít (chủ yếu dùng để tẩy trùng dụng cụ, vệ sinh nhà xưởng) Nồng độ cao các chất ô nhiễm chứa trong nước thải thường có nguồn gốc từ chất thải là máu trong khâu cắt tiết, phanh bụng, rửa sàn và từ khâu làm lòng Trong nước thải có chứa hợp chất hữu cơ cao, chất béo, dầu mỡ và hợp chất nitơ (protein, acid amin) [40],[37] Máu là nguyên nhân chính dẫn đến hàm lượng nitơ trong nước thải tăng cao và máu cũng là thành phần hữu cơ ô nhiễm chính trong nước thải giết mổ Trong đó hàm lượng COD 1000 – 10.000 mg/L, BOD5 1000 – 8000 mg/L, TN

100 – 800 mg/L, TP 20 – 100 mg/L và chất béo 20 – 400 mg/L [75,59,95,74,58,47] Theo tính toán, khoảng 6,8 kg máu/gia súc đưa vào nước thải sẽ tương đương với 2,25 – 3,0 kg BOD5/1000 kg LWK (LWK là tổng khối lượng thịt giết mổ trong một đơn vị thời gian quy định) Lượng máu mất đi tương đương với tải lượng BOD5 sinh ra là 7,4 – 15 kg/1000kg

Kg LWK [25, 27, 46] Nên việc hạn chế hay loại bỏ máu ra khỏi thành phần của nước thải

có ý nghĩa rất quan trọng Giảm được chi phí trong vận hành hệ thống xử lý nước thải, đồng thời máu cũng là nguồn cung cấp chế biến cho các loại thực phẩm khác Trong nước

thải giết mổ gia súc còn chứa nhiều vi khuẩn gây bệnh bao gồm Salmonella và Shigella, trứng giun sán, coliform [70, 67, 95]

Khâu làm lòng là một trong các bước của lò mổ phát sinh ra một lượng lớn nước thải và chất thải rắn ô nhiễm Đối với loại gia súc là lợn, những chất chứa bên trong lòng

chiếm khoảng 6% trọng lượng sống của cơ thể (tính trung bình khoảng 6 kg/1 con lợn cân nặng 100 kg) [69,3,47] Như vậy khâu làm lòng thải một lượng lớn chất thải rắn, ở khâu này chủ yếu là phân và thức ăn trong dạ dày do đó tách chất thải rắng riêng ở khâu này cũng rất quan trọng, giúp giảm tải chất ô nhiễm cho quá trình xử lý nước thải và cũng có thể tái sử dụng chất thải rắn, lơ lửng cho ao nuôi cá hoặc làm phụ phẩm phục vụ cho nông nghiêp [34, 38, 21]

Theo số liệu điều tra của Cục Thú y (năm 2009, có khoảng 50 đến 78% các cơ sở giết mổ có hệ thống xử lý nước thải nhưng rất đơn giản, hiệu quả xử lý thấp (trong thực tế, nên gọi đây là các giải pháp giảm thiểu ô nhiễm môi trường có lẽ chính xác hơn Nước thải giết mổ gia súc chứa nhiều loại vi trùng, virus, trứng ấu trùng giun sán gây bệnh dễ lan truyền thành dịch do tập tục ăn ốc, nghêu, rau sống Các vi trùng có thể kể đến như

Brecella, Samonella, Leptospira, Nitrobacteria Tuberculosis, ; virus gây lở mồm long

móng ; trứng giun sán ; nấm gây bệnh như Candida allican, Tricophytin sống trong nước

và gây bệnh cho người Kết quả điều tra, tổng hợp thông tin hiện trạng áp dụng công nghệ

xử lý nước thải của nhóm thực hiện đề tài khi điều tra, khảo sát năm 2010 và 2011 thấp hơn tỷ lệ này) Đối với các cơ sở giết mổ nhỏ ở nông thôn diện tích đất rộng thường làm hệ thống xử lý tự chảy qua hầm kỵ khí (kiểu hầm tự hoại) hoặc túi biogas Nước thải sau xử lý chảy ra hồ tự thấm Nhiều chủ cơ sở không nhận thức được sự nguy hại của chất thải lò

mổ, chỉ xây hệ thống xử lý chất thải để đối phó, không vận hành, không kiểm tra, không tu

bổ, sửa chữa Kết quả phân tích 180 mẫu nước thải do Cục Thú y thực hiện cho thấy các

chỉ tiêu như Coliform, E.coli, Clostridium, đều vượt giới hạn cho phép, trên 30% số mẫu phát hiện Salmonella (+) Toàn bộ 100% mẫu nước thải đều không đạt quy chuẩn kỹ thuật

quốc gia về môi trường (cột B) đối với các chỉ tiêu cơ bản như COD, BOD, SS, nitơ tổng

số, phospho tổng số Lượng gây ô nhiễm cao gấp nhiều lần so với quy chuẩn cho phép Phần lớn các cơ sở, điểm giết mổ nhỏ lẻ không được kiểm soát thú y, không được hướng dẫn giám sát, xử lý chất thải do đó gây ô nhiễm môi trường rất lớn Lượng COD, BOD, số lượng vi sinh vật gây bệnh trong chất thải lò mổ cao không chỉ làm giảm khả năng tự làm sạch của nước, tạo ra nhiều chất khí tạo mùi như NH3, H2S gây ô nhiễm môi trường không khí xung quanh, ô nhiễm nước mặt và nước ngầm mà còn là nguyên nhân gây lan truyền mầm bệnh từ động vật sang người, gây mất an toàn vệ sinh thực phẩm, giảm sức cạnh tranh của sản phẩm động vật

Qua các nghiên cứu về hiện trạng giết mổ của các nước trên thế giới đã đưa ra được các chỉ số ô nhiễm của nguồn nước thải giết mổ gia súc được thể hiện trên bảng Bảng 1.1

Các nghiên cứu của Việt Nam cũng đưa ra được các chỉ số ô nhiễm trong các cơ sơ giết mổ

đã được các tác giả trong nước thống kế được thể hiện trên bảng 1.2

Bảng 1.1 Đặc trưng nước thải giết mổ gia súc trên thế giới

Tác giả

Đơn vị

pH BOD5 COD SS TN N-NH4 Protein mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L mg/L Masse, D.I dan L Masse

Cơ sở Tân Phú Trung (Củ Chi) (2)

Phường Xuân Phú (Huế) (3)

QCVN 40:2011/BTN

(20oC) mg/l

928,5 ± 12,26

ml

- 4,6.108 - 5000

- Tại nhiều cơ sở giết mổ gia súc, không khí có mùi hôi khó chịu, tất cả các mẫu nước thải đều có hàm lượng chất rắn lơ lửng (SS), các chất hữu cơ (BOD5, COD) cao hơn tiêu chuẩn nhiều lần Chất thải rắn tại khu chuồng tạm, khu giết mổ chủ yếu là phân, các phế thải của quá trình giết mổ (chiếm 97 – 98% tổng lượng rác) [67]

Nhìn chung, nước thải giết mổ của các cơ sở giết mổ trên thế giới và Việt Nam đều

có mức độ ô nhiễm các thành phần hữu cơ cao thể hiện qua các chỉ tiêu SS, COD, BOD5, dầu mỡ, T-N Nước thải giết mổ có sự biến đổi rất lớn của các đặc tính lý học, hóa học và sinh học Đặc tính vật lý như: TSS, độ đục, nhiệt độ và độ dẫn điện; đặc tính hóa học như:

độ pH, COD; đặc tính sinh học: là các chỉ tiêu về BOD5, chất béo và vi sinh vật: coliform,

fecal coliform Đồng thời, chưa có phát hiện nào về các chất nguy hại có trong nước thải

giết mổ [12, 3, 5, 4]

Nhận xét: nguồn nước thải giết mổ gia súc bị ô nhiễm rất nặng và gấp nhiều lần

tiêu chuẩn xả thải Thành phần chính gây ô nhiễm chủ yếu là hàm lượng hữu cơ trong đó protein là chủ yếu Do đó nhu cầu cấp thiết phải có giải pháp công nghệ để xử lý nước thải giết mổ gia súc Với đặc trưng của nước thải giết mổ gia súc sẽ áp dụng công nghệ sinh học để xử lý nước thải là phù hợp nhất và có tính thực tiễn cao

1.2 Các công nghệ xử lý nước thải giết mổ

1.2.1 Phương pháp cơ học và hóa lý

1.2.1.1 Phương pháp cơ học

Phương pháp này, mục đích là tách cặn rắn ra khỏi hỗn hợp nước thải bằng cách thu gom, lắng cặn Có thể dùng song chắn rác, bể lắng để loại bỏ cặn dễ lắng tạo điều kiện xử lý và giảm thể tích khối các công trình phía sau Sau khi tách cặn nước thải được

có thể áp dụng phương pháp keo tụ để loại bỏ chúng Các chất kẹo tụ thường sử dụng là phèn nhôm, phèn sắt, phèn bùn kết hợp với sử dụng polymer trợ keo tụ để tăng hiệu quả quá trình keo tụ Phương pháp này có thể làm giảm 90% TSS Phương pháp này chỉ có thể giảm được TSS và kéo theo các chỉ số ô nhiễm khác giảm nhưng hiệu quả không cao và không thể thay thế các công nghệ khác mà chỉ làm bổ trợ cho các công nghệ phía sau

- Bể UASB-Upflow Anaerobic Sludge Blanket

- Bể ASBR-Anaerobic Sequencing Batch Reactor

- Bể UAF-Upflow Anaerobic Filter

Nguyên tắc hoạt động bể kị khí: trong bể xảy ra quá trình phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện không có oxy Nguyên tắc của phương pháp này là sử dụng các vi sinh vật

kỵ khí và sinh vật tùy nghi để phân hủy các hợp chất hữu cơ và vô cơ có trong nước thải, ở điều kiện không có oxi hòa tan với nhiệt độ, pH… thích hợp thành các sản phẩm dạng khí (chủ yếu là CO2, CH4) Quá trình phân hủy kỵ khí có thể mô tả bằng sơ đồ tổng quát:

(CHO)n NS → CO2 + H2O + CH4 + NH4 + H2 + H2S + Tế bào mới

Ưu điểm của phương pháp kị khí:

- Khả năng chịu tải trọng cao so với quá trình xử lý hiếu khí;

- Bùn hoạt tính tạo ra ít, trong các hệ thống xử lý kỵ khí hiện nay thường là 5% so với giá trị COD ban đầu [48] ;

- Chi phí xử lý thấp (không phải cung cấp oxy như quá trình xử lý hiếu khí);

- Tạo ra một nguồn năng lượng mới có thể sử dụng ( khí sinh học- Biogas);

- Hệ thống công trình xử lý đa dạng: UASB, lọc kỵ khí, kỵ khí xáo trộn hoàn toàn,

kỵ khí tiếp xúc

Nhược điểm của phương pháp kị khí:

- Nhạy cảm với môi trường (nhiệt độ, pH, nồng độ kim loại nặng );

- Phát sinh mùi, thu khí không triệt để và tiền ẩn nguy cơ ô nhiễm môi trường dài hạn, do lượng nhất định CH4 hòa tan trong nước thải sau biogas thất thoát ra ngoài môi trường gây hiệu ứng nhà kính (ảnh hưởng của khí mêtan đến hiệu ứng nhà kính lớn gấp 23 lần so với khí CO2 [63]);

- Tốc độ phát triển sinh khối chậm Thời gian khởi động hệ thống kéo dài;

- Xử lý không triệt để tạo sản phẩm trung gian, không thích hợp với đối tượng xử lý nước thải có hàm lượng TN, TP cao

Quá trình phân hủy kỵ khí các hợp chất hữu cơ là quá trình sinh hóa phức tạp, bao gồm hàng trăm phản ứng và hợp chất trung gian, mỗi phản ứng được xúc tác bởi những enzym đặc biệt

1.2.2.2 Phương pháp hiếu khí

Xử lý hiếu khí dựa trên tác nhân là vi sinh vật chuyển hóa chất hữu cơ trong điều kiện có oxi (hô hấp hiếu khí) Phương trình tổng quát các phản ứng tổng của quá trình oxy hóa chất hữu cơ ở điều kiện hiếu khí có dạng như sau:

Vi sinh

∆H là năng lượng Phản ứng (1) là phản ứng oxy hóa các chất hữu cơ để đáp ứng nhu cầu năng lượng của tế bào, phản ứng (2) là phản ứng tổng hợp để xây dựng tế bào [8, 18, 6]

Dưới tác nhân là vi sinh vật, sản phẩm cuối cùng của quá trình xử lý hiếu khí là

như các loại đường chuyển hóa sinh học hiếu khí có năng lực chỉ qua chuyển hóa một bậc

đã có thể tạo ra sản phẩm tái chế, dưới dạng sinh khối vi sinh vật và đủ khép kín vòng tuần

chất hữu cơ sau đó, phần chất hữu cơ ô nhiễm nếu được chuyển hóa vi sinh hiếu khí một

khối vi sinh vật trong điều kiện xử lý hiếu khí thường có thể đạt tới 48% so với giá trị COD ban đầu [48] và có thể lên đến 67% nếu tải lượng xử lý lớn, với một số chủng vi sinh vật và trong điều kiện tải lượng chất hữu cơ đưa vào lớn và sinh khối có thể lên 67% [50] Lượng sinh khối này, nếu tách phân ly thu được sẽ là một sản phẩm tái chế giá trị; Tuy nhiên, nếu không loại được ra khỏi hệ thống xử lý thì khi hết nguồn thức ăn tương ứng, các

vi sinh vật già sẽ bị chết đi và lại trở thành nguồn cơ chất hữu cơ thứ cấp, cho các chuyển hóa vi sinh kế tiếp (gây tái ô nhiễm và làm chậm quá trình giảm tải trọng hữu cơ xử lý)

Phương pháp hiếu khí: Sử dụng nhóm vi sinh vật hiếu khí, hoạt động trong điều

kiện cung cấp oxy liên tục Các công nghệ hiếu khí hay áp dụng:

- Hồ sinh học hiếu khí: Các quá trình diễn ra trong hồ sinh học tương như quá trình

tự làm sạch ở sông hồ nhưng tốc độ nhanh hơn và hiệu quả cao hơn

chất hữu cơ trong nước thải Vi sinh vật có thể dính bám lên giá thể vì có nhiều loại VSV

có khả năng tiết ra các polyme sinh học giống như keo dính vào giá thể, tạo thành màng Lớp màng này dày lên và có khả năng oxy hóa, hấp phụ: chất hữu cơ, cặn lơ lửng

- Aerotank: Đây là quá trình xử lý hiếu khí lơ lửng, hệ thống xử lý bằng bùn hoạt

tính được phát minh bởi Arden và Lockett năm 1914 tại Anh Vi sinh vật dính bám lên các bông cặn có trong nước thải và phát triển sinh khối tạo thành bông bùn có hoạt tính phân hủy chất hữu cơ Các bông bùn này được cấp khí cưỡng bức đảm bảo lượng oxy cần thiết

cho hoạt động phân hủy và giữ cho bông bùn ở trạng thái lơ lửng Các bông bùn lớn dần lên do hấp phụ các chất rắn lơ lửng, tế bào VSV, động vật nguyên sinh qua đó nước thải được làm sạch [55][29]

Ưu điểm của phương pháp xử lý hiếu khí:

+ Thời gian xử lý nhanh: Thời gian khởi động ngắn hơn so với công nghệ kị khí

+ Hiệu suất xử lý cao, thích hợp cho đối tượng giàu C, N, P

Nhược điểm của phương pháp xử lý hiếu khí:

+ Chi phí năng lượng cao cho việc cung cấp oxy cao;

+ Tạo nhiều bùn dư

+ Diện tích mặt bằng lớn

1.2.3 Các nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải giết mổ gia súc

1.2.3.1 Các công nghệ nghiên cứu và áp dụng tại các cơ sở giết mổ trên thế giới

Tại Ấn Độ áp dụng các công nghệ xử lý nước thải giết mổ gia súc, kết quả nghiên cứu từ các công nghệ xử lý cho thấy áp dụng hệ thống DAF-UASB là hiệu quả nhất với hiệu quả khử chất hữu cơ đạt đến 90% so với các công nghệ chỉ có UASB 1 bậc hoặc 2 bậc Bước DAF có thể làm 50% nồng độ các chất ô nhiễm loại bỏ phần lớn SS, dầu và mỡ Bước xử lý kỵ khí (UASB) xử lý được hữu cơ ở tải lượng cao Theo nghiên cứu của Sindhu và Meera xử lý nước thải giết mổ bằng phương pháp kị khí và xử lý với tải lượng COD từ 4- 5 kg/m3/ngày, hiệu suất xử lý COD, TSS, N-NH4, TP đạt khoảng 88%, 85 -98%, 30%, 15% và thời gian lưu nước là 24 giờ [85] Nghiên cứu của Rajakamar và cộng

sự là công nghệ lọc kị khí với dòng chảy lên nhỏ Nhóm nghiên cứu này cũng đưa ra kết quả xử lý COD đạt 70 – 79% ở tại lượng COD 10,05 kg/m3/ngày và thời gian lưu nước 12 giờ [77] Tuy nhiên, với các công nghệ xử lý như trên COD, nitơ và photpho còn cao, cần

có các bước xử lý tiếp theo để xử lý triệt để phần chất hữu cơ còn lại cũng như các chỉ tiêu nitơ và photpho

Cũng tại Canada, Weihua Cao[40] đã sử dụng quá trình phân hủy kỵ khí với thiết bị

có vách ngăn (ABR) kết hợp ôxy hóa bằng UV/H2O2 đối với nước thải có hàm lượng tổng

cacbon hữu cơ (TOC) tải trọng 0,2-1,1 g/L/ngày kết quả cho thấy hiệu suất loại bỏ 95% với thời gian lưu (HRT) là 3,8 ngày trong ABR và 3,6 h trong tia cực tím Trong khi đó, hiệu quả loại bỏ COD và BOD5 lên đến 97,7% và 96,6% Nghiên cứu của Pradyut Kundu

và cộng sự [60] đã xử lý nước thải giết mổ bằng phương pháp SBR với chế độ hiếu khí - thiếu khí để loại bỏ đồng thời cacbon hữu cơ và nitơ Quá trình thực nghiệm dựa trên ba chế độ khác nhau của hiếu khí - thiếu khí, cụ thể là (4 +4), (5 +3), và (3 +5) giờ Tổng thời gian xử lý với hai thông số khác nhau giữa COD hòa tan và N-NH4 Kết quả thực nghiệm thu được hiệu suất loại bỏ COD là 86-95% với thời gian là 8,0 giờ Ở chế độ (4 +4) chu kỳ hiếu khí - thiếu khí, khả năng nitrat hóa là 90.12 và 74.75% tương ứng với giá trị N-NH4

ban đầu 96,58 và 176,85 mg/L Ciro Fernando và cộng sự [37] đã thực hiện phối hợp công nghệ thiếu khí-hiếu khí và ô xy hóa UV/H2O2 để xử lý nước thải giết mổ, các kết quả cho thấy hiệu suất loaị bỏ TOC của quá trình xử lý kỵ khí có vách ngăn (ABR), bùn hoạt tính (AS) và quá trình UV/H2O2 là 75, 22, 89, 47, 94, 53, 96, 10, 96, 36 và 99,98% đối với UV/H2O2, ABR, AS, kết hợp AS- ABR, kết hợp ABR -AS, và kết hợp ABR - AS- quá trình UV/H2O2 Trong nghiên cứu này tác giả đã tính toán tiêu thụ năng lượng điện và hóa chất, chi phí hoạt động được tính ở điều kiện tối ưu của mỗi quá trình Nên khi phân tích chi phí - hiệu quả được thực hiện ở điều kiện tối ưu để xử lý nước thải giết mổ bằng cách tối ưu chi phí điện, tiêu thụ H2O2, và thời gian lưu thủy lực (HRT) Các quá trình ABR-AS-UV/H2O2 kết hợp có một loại bỏ TOC tối ưu 92,46% ở HRT 41 h, chi phí $ 1.25/kg TOC loại bỏ, và $ 11,60/m3 Quá trình này loại bỏ tối đa TOC 99% trong 76,5 h với chi phí ước tính loại $ 2,19/kg và $ 21,65/m3 xử lý, tương đương với $ 6,79/m3 ngày

Bảng 1.3 Tổng hợp các công nghệ đã áp dụng cho xử lý nước thải giết mổ gia súc trên thế giới

Tải lượng tăng lên 6,5 kgCOD/m3/ngày thì hiệu suất xử lý COD giảm

Ruiz và cộng sự [81]

xuống còn 65% Với phương pháp lọc yếm khí thì hiệu suất xử lý COD nhỏ hơn và lượng khí CH4

sinh ra cũng nhỏ hơn phương pháp UASB

Phương

pháp kỵ khí

TCOD dao động từ 6908 – 11500 mg/L và SS chiếm khoảng 50%

Hiệu suất xử lý COD đạt

từ 90 – 96% ở tại lượng từ 2,07 đến 4,93 kg/m3/ngày

Thời gian lưu nước 2 ngày Hiệu suất xử lý COD hòa tan khoảng 95%

cho tất cả các tải lượng

Masse an masse [67]

Hiệu suất xử lý COD, BOD5, lớn hơn 80% và 90% với tại lượng cao, dao động từ 1,18 – 2,36

Phương pháp này xử lý

TN theo Keldan đạt 86 93%

-Sombatsompop và cộng sự [87]

Hiệu suất xử lý COD, TN,

TP lần lượt là 90 -96%, 60- 80% và 76 – 90%

Rahimi và cộng sự [76]

Bazrfshan

và cộng sự [31]

1890 mg/L, SS 300 -950 mg/L, CaCO3 600- 1340 mg/L, axit dễ bay hơi

250 – 540 mg/L, pH 7- 7,6

Hiệu suất loại bỏ COD, BOD5 trong khoảng 86-93%, 88,9- 95,71%

Sunder and Satyanarayan [90]

Các nghiên cứu đã thành công trong quá trình xử lý nước thải giết mổ nhưng hiệu quả kinh tế không cao, các nghiên cứu trên khó áp dụng trong điều kiện kinh tế của Việt

Hình 1.3 Biểu đồ minh họa về tỷ lệ các hệ thống xử lý nước thải ngành giết mổ gia súc xử lý đạt

quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về môi trường [12]

Kết quả tổng hợp và điều tra thực tế do nhóm nghiên cứu Bộ tài nguyên môi trường thực hiện trong năm 2010, 2011 tại 92 cơ sở giết mổ gia súc của 20 địa phương trong cả nước cho thấy, chỉ có khoảng 18% các cơ sở có hệ thống xử lý nước thải là xử lý đạt quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về môi trường Các hệ thống xử lý nước thải của các cơ sở còn lại

(chiếm khoảng 82%) xử lý không hiệu quả, không đạt một số chỉ tiêu (đặc biệt là nitơ, phốt pho hoặc coliform) hoặc thậm chí đã xuống cấp nghiêm trọng và không còn khả năng xử lý [12] Hình 1.3 minh họa về tỷ lệ% hệ thống xử lý nước thải đạt quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về môi trường

Cho đến nay, đã có một số nghiên cứu để xử lý nước thải lò giết mổ tập trung nhưng gần như chưa có nghiên cứu nào tái sử dụng bùn hoạt tính Các nghiên cứu cũng đưa ra được các kết quả xử lý nước thải tốt nhưng ứng dụng chưa cao như các nghiên cứu sau:

Nghiên cứu xử lý nước thải lò mổ gia súc tập trung, gia cầm tập trung bằng kỹ thuật sinh học do Nguyễn Hồng Khánh và nhóm tác giả [13] thuộc Viện Công nghệ môi trường thực hiện năm 2007 – 2008 đã phát triển được quy trình công nghệ xử lý nước thải

lò giết mổ gồm các công đoạn: keo tụ, kỵ khí ABR, thiếu khí, hiếu khí và xử lý bằng thực vật lau sậy Tác giả đã đưa ra hiệu quả xử lý COD đạt trên 90%; với tỷ số tuần hoàn nội là 4,4 và thời gian lưu thủy lực tại bể thiếu khí là 8,3h, hiệu suất của quá trình khử nitơ đạt 82,1% Nhưng việc áp dụng kết quả nghiên cứu của đề tài cho các cơ sở giết mổ gia súc chưa được triển khai, bởi nhiều nguyên nhân khác nhau, trong đó có thể nhận thấy công đoạn xử lý của đề tài vẫn còn nhiều công nghệ phức tạp làm cho chi phí vận hành cao và chưa có giải pháp thu hồi năng lượng

Nghiên cứu của tác giả Ngô Thị Phương Nam và cộng sự thuộc trường Đại học Khoa học, Đại học Huế đã nghiên cứu xử lý nước thải giết mổ gia súc bằng quá trình sinh học hiếu khí thể bám trên vật liệu polyme tổng hợp Qua nghiên cứu này tác giả đã đưa ra hiệu quả xử lý COD đạt gần 90%, COD đầu vào pha loãng đến nồng độ 560 mg/L, tải trọng hữu cơ 0,56 kg COD/m3/ngày [14] Nghiên cứu này không áp dụng được ra thực tế

vì đặc trưng nước thải là COD và N rất cao, áp dụng công nghệ này chỉ xử lý được COD

mà chưa xử lý được N

Lê Công Nhất Phương và cộng sự thuộc viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã nghiên cứu xử lý amoni trong nước thải giết mổ bằng việc sử dụng kết hợp quá trình nitrit hóa một phần/anmmox [7] Công nghệ dựa vào sự kết hợp quá trình nitrit hóa một phần và Anammox đang được phát triển và nghiên cứu ứng dụng để xử lý N-NH4 trong nước thải Nghiên cứu xử lý amonium nước thải giết mổ bằng quá trình nitrit hóa một phần/anammox trong một bể phản ứng, sử dụng giá thể poly acrylic và sợi bông tắm Kết quả cho thấy mô hình hoạt động hiệu quả với hiệu suất xử lý đạt 92% ở tải trọng 0,04 kg N-NH4/m3.ngày và

87,8% ở tải trọng 0,14 kg N-NH4/m3.ngày Nghiên cứu này cũng khó áp dụng vì quá trình vận hành phức tạp đòi hỏi phải có am hiểu sâu công nghệ Đặc thù của cơ sở giết mổ gia súc là công nhân có trình độ thấp Do vậy công nghệ này thành công trong phòng thí nghiệm nhưng không áp dụng được trong thực tế

Dương Thị Thu Hằng và cộng sự đã nghiên cứu xử lý nước thải giết mổ và chế biến gia súc bằng công nghệ xử lý sinh học kỵ khí kết hợp màng vi lọc AnMBR Tác giả đã nghiên cứu thành công trong phòng thí nghiệm và triển khai ở quy mô pilot 5 m3/ngày đêm Giá trị COD nghiên cứu dao động trong khoảng từ 600 – 1350 mg/L, hiệu suất xử lý COD đạt 90%, tải lượng 2 kg COD/m3.ngày, thời gian lưu nước 12 giờ Tỉ lệ COD/TN xấp

xỉ bằng 8 lần, NH4- N chiếm 90% của TN Hiệu quả xử lý NH4 - N đạt 88,4 ± 3,8% với

NH4 - N dao động 121± 22,5 mg/L [3] Nghiên cứu đã đạt được kết quả tương đối khả quan nhưng chưa làm rõ được hiệu quả xử lý TN và tải lượng hữu cơ xử lý vẫn không cao, chưa tận thu được nguồn năng lượng sinh ra trong quá trình yếm khí

Nhận xét: Các nghiên cứu của các tác giả cũng đã đạt những kết khả quan và mở ra hướng nghiên cứu mới cho các công trình nghiên cứu tiếp theo, nhưng các tác giả chưa chỉ

ra được khả năng ứng dụng thực tế vào các cơ sở giết mổ tập trung

Khó khăn và hạn chế áp dụng các công nghệ hiện hành:

- Thực tế hiện trạng ô nhiễm môi trường của các cơ sở giết mổ vẫn nghiêm trọng

và xử lý chưa được triệt để

- Khó khăn trong vấn đề xây dựng hệ thống (chiếm diện tích, tốn kinh phí đầu tư ban đầu)

- Thời gian khởi động hệ thống dài (khó áp dụng với các cơ sở giết mổ vì hay bị biến động với các đặc tính chất thải)

- Có thể gây phát thải khí nhà kính (nếu quản lý hệ thống không tốt)

1.2.4 Giải pháp công nghệ xử lý có khai thác chất ô nhiễm trong bể xử lý

sinh học tích hợp đa chức năng

1.2.4.1 Nguyên lý hoạt động bể tích hợp năm chức năng

Nguyễn Văn Cách và cộng sự [71] đưa ra giải pháp công nghệ này được xây dựng theo hướng ưu tiên khai thác năng lực xử lý vi sinh hiếu khí để thu nhiều bùn hoạt tính hơn, tách phân ly thu bùn hoạt tính kích thước lớn ngay trong quá trình xử lý sinh học làm sản phẩm tái chế, trong điều kiện khai thác ứng dụng đặc tính thủy động của bể xử lý hiếu

khí để xác lập mức phí xử lý cạnh tranh được so với các hệ thống xử lý hiện hành (bao gồm: khai thác dòng chảy của nước tạo ra từ hiệu ứng ”cột bọt” trong bể xử lý hiếu khí và đặc trưng quần thể của hệ vi sinh vật để xây dựng phương án vách ngăn cho tách phân ly sớm phần bùn hoạt tính kích thước lớn tự lắng được; Đồng thời, khai thác ứng dụng đặc tính ”không đồng nhất” của các vùng nước trong bể vào mục tiêu lắng phân ly tách bùn trên dòng ra của nước thải - như được biểu diễn trong Hình 1.4

Hình 1.4 Hình ảnh minh họa nguyên lý cấu tạo và vận hành của bể tích hợp năm chức năng

để xử lý nước thải [71]

Ghi chú:

2 Vùng vi hiếu khí 8 Vách ngăn phân vùng không gian

3 Sàng đỡ vật liệu lọc/hấp phụ 9 Thiết bị cấp khí

4 Máng chảy tràn tháo nước ra 10 Vùng hiếu khí

5 Máng lắng bùn hoạt tính 11 Vách chặn dòng

6 Vùng vi hiếu khí-kỵ khí 12 Thanh điều chỉnh vách ngăn phân

vùng không gian aerobic/anoxic

Ở trạng thái vận hành “Bể xử lý sinh học tích hợp 5 chức năng điều chỉnh được có tách phân ly bùn ngay trong quá trình xử lý”, thiết bị cấp khí 1 sẽ sục khí phân tán vào bể, tạo ra vùng hiếu khí dạng “cột bọt khí-lỏng” chuyển động hướng lên trên Sau khi bọt khí thoát ra, nước thải sẽ chảy theo các vách hướng dòng tuần hoàn trở lại đáy bể, như mô tả qua đường mũi tên mảnh trên hình 1.4 Trong quá trình chảy, vi sinh vật hiếu khí tiếp tục

sử dụng ôxy, làm cho nồng độ ôxy hòa tan giảm dần - Môi trường nước sẽ chuyển dần

sang trạng thái vi hiếu khí (anoxic) và tiếp theo sang trạng thái kỵ khí (anaerobic) Khi qua

vùng vi hiếu khí 3, dòng nước đổi chiều chảy, làm cho bùn hoạt tính lớn theo quán tính sẽ lắng xuống vùng 5, rồi được tách ra ngoài theo cửa riêng ngay trong quá trình vận hành xử

lý Vùng không gian kém hiệu quả phía góc trên thành bể được thiết kế tạo ra vùng lắng - lọc trong nước thải sau xử lý (vùng 6), rồi dẫn ra ngoài bể (cửa 7) Nước thải cấp vào từ

các cửa 9 ở xung quanh đáy bể sẽ tạo ra dòng chảy vào trong bể kéo theo bùn hoạt tính để chống lắng trong vùng kém hiệu quả này của bể

Ưu điểm của hệ thống:

- Giải pháp công nghệ này đã xác lập được đồng thời 3 đặc tính công nghệ đặt ra là:

ưu tiên khai thác quá trình xử lý hiếu khí và tách phân ly phần bùn hoạt tính lớn ngay trong quá trình xử lý sinh học Trong điều kiện triển khai xác lập giải pháp công nghệ xử lý hiếu khí tích hợp mới với phí xử lý cạnh tranh hơn so với giải pháp công nghệ hiện hành, nên có chi phí xử lý thấp hơn và hội nhập được với trình độ phát triển công nghệ quốc tế mới: xử

lý khai thác các chất ô nhiễm trong nước thải – hay ô nhiễm cũng là dạng tài nguyên có thể khai thác được

- Hạng mục công trình chính của hệ thống là bể xử lý sinh học tích hợp năm chức năng có cấu trúc xây dựng đơn giản nên tiết giảm mức đầu tư xây dựng ban đầu và có chỉ

số sử dụng đất xây dựng thấp hơn Quá trình vận hành thuận tiện, điều chỉnh kiểm soát được chất lượng nước sau xử lý khi có sự biến động về đặc tính ô nhiễm của nguồn thải

là lợi thế về đầu tư cũng như phí vận hành, tương ứng với trình độ nhân lực công nghệ phổ thông và hoàn toàn phù hợp với xu thế triển khai xử lý sớm ngay gần đầu nguồn phát thải

- Khai thác năng lực chuyển hóa sinh học của hệ vi sinh vật bản địa mang lại lợi thế công nghệ thân thiện và bền vững với môi trường sinh thái khu vực Đồng thời, khắc phục được hạn chế về thời gian vận hành khởi động kéo dài, do không có công đoạn xử lý kỵ khí độc lập, qua đó mang lại lợi thế trong quá trình vận hành khởi động hay khi cần điều chỉnh để khắc phục sự cố về suy giảm hoạt tính hệ sinh học trong quá trình xử lý nước thải

- Bùn hoạt tính được tách trực tiếp từ bể xử lý ngay trong quá trình vận hành nên giảm đáng kể lượng hóa chất trợ keo tụ và dễ dàng xử lý lượng bùn này cho các mục tiêu công nghệ tái chế tiếp theo (xử lý làm phân bón cho nông nghiệp hay lên men thu khí sinh học)

1.2.4.2 Giải pháp công nghệ này đã được kiểm nghiệm công nghệ thành công tại

các nguồn nước thải khác nhau:

 Nước thải sinh hoạt của sông Kim Ngưu vị trí khu đập tràn A, hồ Điều hòa Yên Sở, trên quy mô dung tích 93 m3, vận hành theo chế độ dòng liên tục Nồng độ ô nhiễm đưa vào COD dao động từ 150 – 250 mg/L, TN là 20 – 40 mg/L, bổ sung chế phẩm BioV xử lý nước thải đô thị đạt chất lượng cột B, theo QCVN 24:2009/BTNMT [9]

 Nước thải làng nghề sản xuất bánh đa và miến tại thôn Me, xã Tân Hòa, huyện Hưng Hà, Thái Bình, với quy mô 400 m3/ngày, nồng độ ô nhiễm đưa vào là: COD, BOD5, TN lần lượt 1.375 mg/L, 810 mg/L, 210 mg/L Bổ sung chế phẩm ở mật độ

104CFU/mL, xử lý nước thải đầu ra đạt cột B QCVN40:2011/BTNMT [18]

 Nước thải làng nghề sản xuất tinh bột dong đao tại xã Minh Quang, huyện

Ba Vì, TP Hà Nội, với quy mô 10 m3/ngày, nồng độ các chất ô nhiễm COD, BOD5, TN lần lượt là 5600 mg/L, 3100 mg/L, 210 mg/L Bổ sung chế phẩm và xử lý đạt quy chuẩn cột B QCVN 40:2011/BTNMT [10]

1.3 Giải pháp công nghệ xử lý nước thải ngành giết mổ gia súc bằng phương pháp sinh học

1.3.1 Cơ sở khoa học của phương pháp xử lý sinh học

Về bản chất của giải pháp công nghệ sinh học là khai thác năng lực của các đối

tượng sinh học (trong đó chiếm ưu thế là vi sinh vật) để chuyển hóa các chất ô nhiễm thành các cấu tử phân tử lượng thấp ít ô nhiễm hơn và đến các cấu tử cuối hoàn toàn thân thiện với môi trường, hoặc qua đó tạo ra điều kiện công nghệ phù hợp hơn để dễ dàng loại bỏ chất ô nhiễm khỏi môi trường Các cấu tử hữu cơ ô nhiễm trong các cơ sở giết mổ được cấu thành chủ yếu từ protein, gluxit, lipit và các cấu tử cấu thành tương ứng của chúng, dưới dạng các cấu tử hòa tan và các cấu tử không hòa tan Vi sinh vật chỉ có thể hấp thu và chuyển hóa được các cấu tử thức ăn hòa tan trong môi trường [18],[9] Vì vậy, quá trình chuyển hóa sinh học hoàn toàn các thành phần cơ bản này khi ở dạng chưa hòa tan bao giờ cũng bắt đầu từ quá trình thủy phân các vật liệu hữu cơ trên thành các đơn vị cấu trúc tương ứng hòa tan trong môi trường (các loại đường, axit amin, glyxerin và các axit béo ) Tiếp theo, các loài vi sinh vật tương ứng sẽ hấp thu và chuyển hóa tiếp tục các vật liệu dinh dưỡng này thành các cấu tử thứ cấp (để qua đó vi sinh vật thu nhận vật liệu cấu trúc cơ thể

và năng lượng cho nhu cầu sống, sinh trưởng - phát triển và hoạt động sinh sản) và một phần thành các cấu tử thoát ra khỏi môi trường chuyển hóa (cấu tử khí bay lên, hay cặn kết tủa bền) Tùy thuộc vào đặc tính sinh học của chủng vi sinh vật và điều kiện môi trường xử

lý, quan hệ hấp thu và chuyển hóa của chủng vi sinh vật – cấu tử bị chuyển hóa hết sức đa dạng; nghĩa là các loài vi sinh vật khác nhau trong điều kiện sống nhất định hấp thu và chuyển hóa được những cấu tử tương ứng khác nhau Để chuyển hóa triệt để và hiệu quả các cấu tử hữu cơ ô nhiễm cần có sự tham gia của nhiều loài vi sinh vật khác nhau tồn tại

và phát triển trong các hệ thống xử lý tương ứng Cơ chế quá trình chuyển hóa này có thể

là các chuyển hóa sinh học trực tiếp (do vi sinh vật sử dụng được chất ô nhiễm làm nguồn cung cấp năng lượng hay vật liệu để xây dựng tế bào), phân hủy gián tiếp (do quá trình trao đổi chất của vi sinh vật đã tạo ra các chất hoặc tạo ra môi trường làm phân hủy kéo theo chất ô nhiễm, thí dụ: tạo kết tủa trực tiếp, tạo phức với ái lực hấp phụ tạo bông bùn lớn và tăng hiệu suất xử lý của hệ hay phản ứng tạo sản phẩm bay hơi), do quá trình tích tụ (do vi sinh vật hấp thu và tích lũy trong tế bào, hay chỉ hấp phụ giữ lại trên bề mặt tế bào); hoặc nhờ các chuyển hóa tích hợp của các hiệu ứng trên [28],[48], [72] Hệ vi sinh vật tự nhiên

và phát triển thuận lợi trong môi trường chất thải hữu cơ từ các cơ sở giết mổ chiếm vị thế chủ đạo thường là vi khuẩn, với ưu thế cả về số lượng và năng lực phân giải Người ta đã xác định được nhiều loài vi khuẩn có năng lực chuyển hóa các chất ô nhiễm hữu cơ điển

hình như: các chủng vi khuẩn thuộc các giống: Bacillus, Lactobacillus, Pseudomonas,

Algaligenes, Clostridium, Flavobacterium, Cytophaga, Micrococcus, Ruminococcus, Methalobacterium, Arthrobacter, Achromobacter, Spirochaeta [26],[28]

1.3.2 Cơ sở lý thuyết loại bỏ hợp chất hữu cơ, nitơ trong nước

Để thực hiện quá trình oxy hóa sinh hóa, các chất hữu cơ hòa tan, cả các chất keo và phân tán nhỏ trong nước thải cần được di chuyển vào bên trong tế bào của vi sinh vật Theo quan điểm chuyển hóa phân giải các chất hữu cơ ô nhiễm hiện hành, quá trình xử lý sinh học các chất hữu cơ đơn ô nhiễm trải qua bốn giai đoạn là:

- Thủy phân các chất hữu cơ kích thước lớn thành các đơn vị cấu trúc cơ sở để vi sinh vật hấp thu được (các gluxít thành các loại đường đơn giản, protein thành các axit amin, chất béo thành glyxerin và axít béo )

- Vận chuyển các chất hữu cơ đơn giản trên từ trong môi trường lỏng tới bề mặt của

tế bào vi sinh vật do khuyếch tán đối lưu và phân tử;

- Vận chuyển chất từ bề mặt ngoài tế bào qua màng bán thấm bằng khuyếch tán do

sự chênh lệch nồng độ các chất ở trong và ngoài tế bào và nhờ các kênh protein vận chuyển trên thành tế bào;

- Chuyển hóa nội bào các chất đã hấp thu được vào trong tế bào vi sinh vật, để vi sinh vật thu nhận được năng lượng phục vụ cho hoạt động sống và vật liệu tổng hợp các chất mới để tái cấu trúc tế bào và để sản sinh ra các tế bào thế hệ kế tiếp

Các giai đoạn trên có quan hệ rất chặt chẽ với nhau và quá trình chuyển hóa các chất đóng vai trò chính trong quá trình xử lý chất thải

Quá trình chuyển hóa nội bào các cấu tử trên về bản chất là các quá trình ôxy hóa khử sinh học, trải qua rất nhiều bậc phản ứng chuyển hóa, với phương trình tổng quát các phản ứng tổng của quá trình oxy hóa sinh học hiếu khí có dạng như sau:

CxHyOzN + (x+y/4+z/3+3/4)O2 xCO2 + (y-3) + 2H2O + NH3 + ∆H (1)

CxHyOzN + NH3 + O2 C5H7NO2 + CO2 - ∆H (2)

Trong phản ứng trên CxHyOzN là tất cả các chất hữu cơ của nước thải, còn

C5H7NO2 là công thức theo tỷ lệ trung bình các nguyên tố chính trong tế bào vi sinh vật (trong công thức này cho ta tỷ lệ C/N trong sinh khối tế bào là 60/14 tương đương tỷ lệ C/N là 4,28), ∆H là năng lượng Phản ứng (1) là phản ứng oxy hóa các chất hữu cơ để đáp ứng nhu cầu năng lượng của tế bào, phản ứng (2) là phản ứng tổng hợp để xây dựng tế bào Lượng oxy tiêu tốn cho các phản ứng này là tổng BOD5 của nước thải Nếu tiếp tục tiến hành quá trình oxy hóa thì không đủ chất dinh dưỡng, quá trình chuyển hóa các chất của tế bào bắt đầu xảy ra bằng oxy hóa chất liệu tế bào (tự oxy hóa):

C5H7NO2 + 5O2 5CO2 + NH3 + 2H2O - ∆H (3)

NH3 + O2 NO2 + O2 HNO3 (4)

Tổng lượng oxi tiêu thụ trong 2 phản ứng (3), (4) nhiều gấp 2 lần so với 2 phản ứng (1),(2) Từ các phản ứng trên thấy rõ sự chuyển hóa sinh học các chất dinh dưỡng là nguồn cung cấp năng lượng cần thiết cho các hoạt động sống của vi sinh vật Đồng thời, cơ chế này cũng mở ra hướng chuyển hóa trực tiếp các chất hữu cơ ô nhiễm trong nước thải thành sinh khối vi sinh vật, là một sản phẩm tái chế, nếu phát triển được giải pháp tách thu sớm lượng sinh khối này với chi phí phù hợp và sử dụng hiệu quả trong cho các mục tiêu tái chế thứ cấp tiếp theo Đó cũng là lý thuyết cho cơ sở lựa chọn công nghệ trong quá trình xử lý nước thải giết mổ gia súc, theo hướng xử lý có khai thác các chất hữu cơ ô nhiễm trong luận án này

Dựa trên các phản ứng trên cho ta thấy nếu muốn phát triển sinh khối mạnh thì điều kiện cần và đủ là oxy cấp vào lớn đồng thời tải lượng hữu cơ đưa vào lớn, phối kết hợp với giải pháp tách thu sớm lượng sinh khối này khỏi hệ thống để hạn chế ảnh hưởng của hiệu ứng tái nhiễm do các tế bào vi sinh vật già chết đi, rồi bị tự phân của tế bào vi sinh (vừa giảm chí phí xử lý do hiệu ứng tái nhiễm từ tế bào vi sinh vật chết, vừa mở ra con đường chuyển hóa tận thu được nguồn nitơ ô nhiễm thành dạng hữu cơ tái chế là protein vi sinh

Vi sinh vật

Vi sinh vật

Vi sinh vật

Vi sinh vật

có giá trị cao trong sinh khối vi sinh vật) Do đó đề tài đặt ra nhiệm vụ phát triển hệ sinh học phù hợp để khai thác ứng dụng giải pháp công nghệ ưu tiên xử lý thu nhiều bùn hoạt tính và phân ly sớm một phần bùn hoạt tính tự lắng được ngay trong quá trình xử lý sinh học Hướng nghiên cứu trong luận án là ưu tiên xảy ra phản ứng 1 và 2 đồng thời ức chế và giảm xảy ra phương trình 3 và 4

Trong các quá trình xử lý ô nhiễm các chất hữu cơ bằng vi sinh vật, sản phẩm của các chuyển hóa sinh học bậc đầu tiên các chất ô nhiễm hòa tan là sinh khối vi sinh vật; Do

đó, nếu phát triển được giải pháp công nghệ thích ứng và hiệu quả để tách lượng sinh khối

vi sinh vật mới tạo ra này và, trong trường hợp chờ đợi có thể tách được các cấu tử ô nhiễm không tan ra khỏi môi trường xử lý ngay trong quá trình xử lý sinh học, thì sản phẩm phụ của quá trình xử lý nước thải sẽ là vật liệu hữu cơ, dưới dạng bùn hoạt tính gồm chất hữu cơ ô nhiễm dạng không tan và sinh khối vi sinh vật Các vật liệu hữu cơ này và phần lớn chất thải rắn từ cơ sở giết mổ là nguyên liệu giá trị để phân hủy làm phân bón vi sinh (vì trong đó hàm lượng C và N hữu cơ rất cao) Với cách tiếp cận công nghệ này, việc

xử lý ô nhiễm môi trường do các vật liệu hữu cơ không hoàn toàn chỉ là gánh nặng về chi phí, mà qua đó còn mở ra khả năng thu được vật liệu tái chế cho các mục tiêu ứng dụng thứ cấp, thí dụ làm phân bón hữu cơ hay để sản xuất nhiên liệu khí sinh học (nghĩa là ô nhiễm hữu cơ cũng là một dạng tài nguyên khai thác được) Với đặc điểm tách thu phần bùn hoạt tính kích thước lớn tự lắng được nên không cần bổ sung thêm hóa chất trợ keo tụ, giải pháp nghiên cứu điều chỉnh xử lý tạo nhiều bùn hoạt tính cho mục tiêu sản xuất phân bón vi sinh của đề tài là hoàn toàn khả thi; Nghĩa là tăng thêm lợi thế về chỉ tiêu tận thu vật liệu tái chế cho nhiệm vụ khoa học công nghệ, so với các giải pháp phân ly bùn hoạt tính sau quá trình xử lý sinh học nước thải hiện hành, có sử dụng chất trợ keo tụ làm xuất hiện các điểm hạn chế kỹ thuật, hay thậm chí không thể sử dụng lượng bùn hoạt tính thu được cho mục tiêu làm phân bón hữu cơ hay sản xuất biogas sau này

1.3.3 Giải pháp công nghệ xử lý bằng bùn hoạt tính

Các công trình xử lý nước thải sử dụng bùn hoạt tính nhằm sử dụng các vi sinh vật

để chuyển hóa các chất ô nhiễm hữu cơ, các chất dinh dưỡng (N; P) và một số chất vô cơ

từ nước thải vào sinh khối tế bào… Giai đoạn cuối cùng của quá trình xử lý bằng bùn hoạt tính là tách phân ly bùn hoạt tính ra khỏi nước bằng quá trình lắng [29]

Hệ vi sinh vật trong bể sẽ được cung cấp oxy để sinh trưởng phát triển và chuyển hóa các chất ô nhiễm vào sinh khối tế bào Khi kết thúc quá trình ở bể bùn hoạt tính, hỗn

hợp bùn và nước thải được chuyển sang giai đoạn lắng để phân tách bùn hoạt tính (do lắng trọng lực) ra khỏi nước đã xử lý trước khi xả thải Một phần bùn được tuần hoàn trở lại bể hiếu khí và một phần lớn được loại bỏ dưới dạng chất thải bùn cần xử lý Quá trình xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính được thể hiện trong hình 1.5

Hình 1.5 Sơ đồ minh họa quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp bùn hoạt tính [23]

Hiệu quả xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính phụ thuộc vào nhiều yếu tố: Chế độ vận hành (chế độ cấp khí, lưu lượng vào, tải lượng ô nhiễm), hệ vi sinh vật trong bể, dinh dưỡng, yếu tố môi trường… Trong đó quá trình tách bùn, tuần hoàn bùn trong quá trình xử

lý có vai trò rất quan trọng, quyết định tới hiệu suất xử lý và chất lượng tiêu chuẩn dòng ra Khả năng kết lắng của bùn thể hiện đến hiệu suất xử lý của hệ Các yếu tố ảnh hưởng đến khả lắng kết lắng của bùn như: tải lượng xử lý, tuổi của bùn, vi sinh vật trong bùn hoạt tính Tuy nhiên, cơ chế và hiệu quả của quá trình phân tách bùn hoạt tính sau xử lý phụ thuộc chủ yếu vào 3 yếu tố: mức độ kết bông của bùn, đặc tính vật lý của bông bùn và các thông

số thiết kế của bể lắng Trong đó mức độ kết bông của bùn và đặc tính của bông bùn trong quá trình lắng sẽ ảnh hưởng lớn nhất tới quá trình tách phân ly bùn hoạt tính, ảnh hưởng đến thời gian lưu nước trong bể lắng [29], [49],[55], [94]

Nếu quá trình tạo thành các bông bùn quá nhỏ, có tỷ trọng xấp xỉ nước sẽ không thể

tự lắng và tách bùn ra khỏi Khi đó cần phải dùng quá trình lọc hoặc keo tụ để phân tách bùn Các hóa chất như nhôm sulphat, PAC (làm chất keo tụ để kết lắng những phần tử hạt bùn nhỏ lại thành cụm hạt có kích thước lớn hơn và dễ lắng hơn) hoặc các polymer tổng hợp dạng anion, cation có thể được bổ sung vào để cải thiện sự kết tụ của bông bùn và thực hiện quá trình tách bùn hoạt tinh ra khỏi quá trình dễ dàng và thuận lợi hơn

Nước sau xử lý

Tuần hoàn bùn hoạt tính Bùn thải

Đầu vào

Hiện nay, giải pháp công nghệ sinh học được áp dụng phổ biến nhất để xử lý nước thải giàu hữu cơ, nitơ và nước thải giết mổ gia súc nói riêng là công nghệ xử lý xử lý kết hợp nhiều giải pháp trong cùng 1 hệ thống xử lý Hệ thống này hoạt động trải qua nhiều giai đoạn, khai thác năng lực chuyển hóa các chất ô nhiễm đồng thời của cả hệ vi sinh vật

kỵ khí, hiếu khí và vi hiếu khí (bằng cách phân vùng chức năng hoặc xây dựng các bể phân chia tách biệt để xác lập các điều kiện thích hợp cho hệ vi sinh vật tương ứng phát triển và hoạt động hiệu quả) Hệ thống xử lý được xây dựng bao gồm nhiều bể: Bể xử lý kỵ khí, bể

xử lý vi hiếu khí, bể xử lý hiếu khí, bể lắng phân ly bùn hoạt tính… (Hình 1.6)

Hình 1.6 Sơ đồ cấu trúc vận hành của công nghệ xử lý nước thải sử dụng nhiều giải đoạn [39]

Với ưu điểm là hệ thống xử lý liên hoàn nối tiếp các bể với nhau và đạt yêu cầu

xử lý của các công đoạn: đạt được hiệu suất xử lý cao, xử lý được đồng thời các hợp chất

C, N, P trong nước thải Nhưng hệ này cũng có một số mặt hạn chế: xây dựng bao gồm nhiều bể chức năng nên chỉ số sử dụng đất xây dựng và tổng mức đầu tư xây dựng ban đầu cao Ngoài ra, việc kiểm soát quá trình vận hành cũng rất phức tạp, đòi hỏi phải có trình độ kỹ thuật cao, chi phí bảo trì – bảo dưỡng hệ thống thiết bị lớn và tiêu hao nhiều năng lượng lớn

Theo dữ liệu thống kê của hiệp hội xử lý nước thải Hoa Kỳ, mức phân bổ chi phí trong suốt quá trình xây dựng và khai thác hệ thống xử lý sinh học nước thải sử dụng bùn hoạt tính như sau: Khoản chi phí lớn nhất là chi cho mức tiêu hao điện năng trong quá trình vận hành (chiếm tới 78% với hệ thống mới hoạt động hiệu quả và đến 95% với hệ thống cũ vận hành kém) Khoản chi phí còn lại bao gồm bảo trì, bảo dưỡng, nhân công… tuy nhỏ song vẫn lớn hơn tổng các khoản chi phí khác còn lại (Hình 1.7)

Hình 1.7 Biểu đồ chi phí của hệ thống xử lý sinh học nước thải sử dụng bùn hoạt tính [39]

Hình 1.8 Chi phí tiêu hao điện năng trong hệ thống xử lý sinh học bùn hoạt tính

Trong chi phí cho mức tiêu thụ điện năng, phân bổ tiêu tốn năng lượng cho các công đoạn xử lý như trên hình 1.8 có thể thấy mức tiêu thụ điện năng chủ yếu tập trung ở các công đoạn là:

- Cung cấp oxy hòa tan (sục khí) cho hệ vi sinh phát triển để chuyển hóa chất ô nhiễm trong bể hiếu khí: 56%

- Khuấy trộn chống lắng cho các bể kỵ khí và vi hiếu khí: 7,0%

- Bơm tuần hoàn nước thải hay bùn trong hệ thống xử lý: 10,3%

1.3.4 Chế phẩm vi sinh vật trong xử lý nước thải

1.3.4.1 Vi sinh vật trong nước thải

Để tăng cường vai trò của vi sinh vật trong hoạt động xử lý nước thải cần phải tạo điều kiện môi trường phù hợp cho sự phát triển của vi sinh vật trong đó Tuy nhiên, không phải tất cả các vi sinh vật đều có lợi cho các quá trình chuyển hóa trong xử lý nước thải Nếu như các điều kiện môi trường không phù hợp cho sự phát triển của các loài vi sinh vật hoặc số lượng các vi sinh vật trong hệ thống xử lý ở mức quá nhiều sẽ gây cản trở cho quá trình chuyển hóa và làm giảm hiệu suất xử lý nước thải

Đặc điểm chung của vi sinh vật

Vi sinh vật có các đặc điểm chung sau đây:

- Kích thước nhỏ bé

- Hấp thu nhiều, chuyển hoá nhanh

- Sinh trưởng nhanh, phát triển mạnh

- Có năng lực thích ứng mạnh và dễ dàng phát sinh biến dị

- Phân bố rộng, chủng loại nhiều

1.3.4.2 Vi khuẩn thuộc chi Bacillus

Một loài vi khuẩn được phát hiện sớm nhất và được đặt tên là “Vibrio subtilis” vào

năm 1835 bởi Ehrenberg Vào năm 1872, vi khuẩn này được đặt tên lại bởi Ferdinand

Cohn (1828-1898) là Bacillus subtilis Vi khuẩn này là thành viên của một chi lớn và đa dạng: Bacillus, một phần trong Họ Bacillaceae Vi khuẩn thuộc chi Bacillus là những vi

khuẩn Gram dương, sinh trưởng và phát triển trong điều kiện có oxy, có khả năng tạo bào

tử, gọi là nội bào tử [45] Kích thước tế bào sinh dưỡng 0.5-1.2 μm x 2.5-10 μm và kích thước bào tử 0.42-0.98 μm x 1.22-2 μm [48], [72] Các nội bào tử thường có hình oval, hình tròn, hình trụ hoặc hình quả thận Trong điều kiện bất lợi mỗi tế bào chỉ tạo một nội bào tử duy nhất, nội bào tử thường nằm ở trung tâm tế bào hoặc nằm lệch về một trong hai

đầu của tế bào

Ngoài ra, dựa vào hình thái của bào tử và bọc bào tử, chi Bacillus được chia thành

3 nhóm, tuy nhiên gần đây sự phân loại được chia thành 2 nhóm là nhóm B subtilis và nhóm B cereus