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

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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Công trình được hoàn thành tại:

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học: GS.TS Nguyễn Văn Cách

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

1 Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội

2 Thư viện Quốc gia Việt Nam

MỞ ĐẦU

Nước thải và chất thải rắn giết mổ có hàm lượng lớn chất hữu cơ, nitơ đồng thời chứa một số lượng vi khuẩn gây bệnh cao, nếu thải trực tiếp ra môi trường sẽ gây các tác động xấu tới môi trường xung quanh, đặc biệt là sức khỏe con người Tuy nhiên các giải pháp xử lý tại nguồn đang còn tồn tại nhiều bất cập trong việc áp dụng thực tế cho các lò giết mổ như: đòi hỏi mặt bằng xử lý lớn, hệ thống xử lý vận hành phức tạp, chi phí vận hành cao Đây là những lý do khiến các lò giết mổ hiện nay phần lớn không có

hệ thống xử lý hoặc có nhưng chỉ mang tính chất đối phó Để khắc phục tình trạng này việc nghiên cứu tạo ra công nghệ thích hợp giải quyết được các bất cập trên là vô cùng cần thiết

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 lý COD đạt 94 – 97%, TN đạt 80 – 90%

2 Về thực tiễn: Luận án đã thử nghiệm kiểm định chế phẩm trên mô hình xử lý PILOT ngoài hiện trường 20 m3/ngày để vận hành khởi động đến trạng thái xử lý ổn định chỉ sau 2 tuần, chất lượng nước thải sau xử lý đạt tiêu chuẩn xả thải loại B, theo QCVN 40:2011/BTNMT

Kết quả mới:

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 TỔNG QUAN

Trong nước thải có chứa hợp chất hữu cơ cao, chất béo, dầu mỡ và hợp chất nitơ (protein, acid amin) [50] 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 [28], [46] Thông thường, khối lượng máu so với trọng lượng cơ thể ở lợn là 4,6% (máu lợn có khối lượng riêng

d = 1,060 g/cm3) [16] Trong quá trình giết mổ, khoảng 30% lượng máu trong cơ thể động vật sẽ đi vào dòng thải

2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Vật liệu

- Nước thải: nước thải lấy từ 2 cơ sở giết mổ lợn Thịnh An (xã Thịnh Liệt, Thanh Trì, Hà Nội), giết mổ trâu bò Khắc Ngoan (xã Bái Đô, Phú Xuyên, Hà Nội)

- Các chủng vi sinh vật: được phân lập từ nước thải của các cơ sở giết

mổ gia súc

2.2 Phương pháp nghiên cứu

2.2.1 Phương pháp lấy mẫu

2.2.2 Phương pháp xác định các chỉ tiêu trong nước

2.2.5.1 Khảo sát các điều kiện lên mem thu sinh khối của chủng

2.2.5.2 Lên men thu sinh khối của các chủng VSV tuyển chọn để tạo chế phẩm

2.2.5.3 Phương pháp tạo chế phẩm

2.2.6 Phương pháp xử lý nước thải giết mổ gia súc quy mô phòng thí

nghiệm

2.2.6.1 Phương pháp hiếu khí theo mẻ quy mô bình 5L

Thiết bị thí nghiệm là các bình thủy tinh hình trụ, có dung tích 5L, thể tích phản ứng là 3L Thiết bị sục khí được đặt ở đáy bình Khí được cấp vào thông qua máy thổi khí Bổ sung chế phẩm với mật độ vi sinh vật 104CFU/mL

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

Thí nghiệm được thực hiện theo chế độ sục khí – ngừng sục bán liên tục, các chế độ thí nghiệm đều có chu trình làm việc 8h/mẻ Nước thải được cấp vào từ đầu chu trình và liên tục đến 7h 45phút thì ngừng cấp nước Khí cũng được cấp liên tục từ đầu chu trình đến 7h 45phút Sau các chu trình sục khí – không sục khí, nước thải được để lắng trong 9 phút, sau đó phần nước trong ở phần trên được tháo ra trong 5 phút, xả bùn đáy trong 1 phút

Chế độ thí nghiệm

- Ảnh hưởng của tải lượng COD đến hiệu suất xử lý COD

- Ảnh hưởng của tải lượng TN đến hiệu suất xử lý TN

- Ảnh hưởng của MLSS đến hiệu suất xử lý COD, TN

2.2.7 Phương pháp xử lý nước thải giết mổ gia súc quy mô pilot hiện

trường 20 m 3 /ngày

Trên cơ sở kết quả nghiên cứu trong phòng thí nghiệm, chế phẩm vi sinh vật tạo ra từ luận án được sử dụng kiểm định thử nghiệm trong vận hành mô hình xử lý thử nghiệm quy mô 20 m3/ngày tại hiện trường cơ sở giết mổ thực tại hộ gia đình ông Khắc, thôn Bái Đô, xã Tri Thủy, huyện Phú Xuyên, TP Hà Nội Bổ sung chế phẩm với mật độ ban đầu 104 CFU/mL, pH đầu vào luôn duy trì từ 6 – 7 và DO luôn duy trì trong bể từ 4- 7 mg/L Bể xử lý tích hợp hiện trường nêu trên được điều chỉnh thay đổi vách ngăn để ưu tiên tạo nhiều vùng hiếu khí hơn, giảm thể tích vùng thiếu khí và tăng tốc độ sục khí để tránh vùng yếm khí

3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1 Khảo sát đặc trưng nước thải giết mổ gia súc của một số cơ sở khu vực phía Bắc

Đưa ra được hướng công nghệ tối ưu trong xử lý chất thải giết mổ gia súc thì việc khảo sát đặc trưng nước thải là một khâu rất quan trọng Trong quá trình nghiên cứu đề tài đã khảo sát tại 3 cơ sơ giết mổ gia súc tập trung trên khu vực phía bắc Kết quả được thể hiện trên bảng 3.1, bảng kết quả tổng hợp phân tích của các cơ sơ giết mổ

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

Số lượng

(thôn Bái Đô, xã

Tri Thủy, huyện

Phú Xuyên,

thành phố Hà

Nội

Nước thải tập trung

QCVN 40:2011- BTNMT cột

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

Kết luận: Qua quá trình phân lập và tuyển chọn chúng tôi đã chọn

được 3 chủng M2, C1, C8 có các hoạt tính chính sau:

- Chủng M2: có hoạt tính emzym đa dạng, có khả năng sinh khối lớn

sau 28h lên men, có khă năng xử lý nước thải đạt hiệu suất xử lý COD là 93% sau 36h xử lý và COD đầu ra còn 74 mg/L

- Chủng C1: có hoạt tính enzyme đa dạng, có năng lực sinh khối lớn

sau 22h lên men, có năng lực xử lý nước thải giết mổ gia súc nhanh nhưng thời gian pha cân bằng không ổn định Đồng thời có khả năng tạo bông bùn và kết lắng nhanh trong quá trình xử lý nước thải

- Chủng C8: có hoạt tính enzyme đa dạng và có khả năng lực sinh khối

lớn trong môi trường lên men nhân tạo giàu dinh dưỡng đồng thời có năng lực xử lý nước thải và đạt hiệu suất trên 93% và thời gian xử lý kéo dài hơn chủng C1 nhưng có khả năng kết bông bùn lớn và lắng thuận lợi

Ba chủng M2, C1, C8 đã đáp ứng được các tiêu chí: Có hoạt tính enzyme đa dạng nhưng hoạt tính protease là chủ đạo, có năng lực sinh khối lớn và xử lý nước thải nhanh đồng thời có khả năng kết lắng bông bùn thuận lợi Do đó 3 chủng này được chọn và làm các nghiên cứu tiếp theo

Định tên 3 chủng C1, C8, M2:

- Đặc điểm hình thái của 3 chủng trên: mang gram dương, trực khuẩn

que dài, có bào tử

- Định tên chủng bằng phương pháp sinh học phân tử: chủng C1 thuộc

loài Bacillus mojavensis và được định tên là chủng Bacillus mojavensis C1 ; chủng C8 thuộc loài Bacillus mojavensis và được định tên là chủng

Bacillus mojavensis C8 ; chủng M2 thuộc loài Bacillus velezensis và

được định tên là chủng Bacillus velezensis M2

3.3 Thử nghiệm tạo chế phẩm vi sinh

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

khuẩn

3.3.1.1 Lựa chọn môi trường thích hợp

Bảng 3.2 Các môi trường lên men khảo sát

Tên thí nghiệm Thành phần peptone, cao thịt, NaCl

trong môi trường

Hình 3.1 Biểu đồ chỉ ảnh hưởng của môi trường đến sinh trưởng

Kết quả được trình bày trong hình 3.2

Hình 3.2 Biểu đồ chỉ ảnh hưởng của pH môi trường đến sự phát triển của các chủng vi khuẩn tuyển chọn

3.3.1.3 Nhu cầu oxy hòa tan đến năng lực phát triển sinh khối VSV

Trong nghiên cứu này luận án lựa chọn phương pháp thay đổi thể tích dịch lên men

Hình 3.3 Biểu đồ chỉ ảnh hưởng của thể tích dịch lên men đến sự phát

triển của các chủng vi khuẩn tuyển chọn

Sau 24h lên men cả ba chủng vi khuẩn M2, C1, C8 đều có khả năng tổng hợp sinh khối cao nhất ở thể tích lên men 100 mL (OD600nm lần lượt

là 4,28; 4,76; 5,00) Chọn thể tích dịch lên men là 100mL/500 mL cho quá trình lên men thu sinh khối của 3 chủng M2, C1, C8 ở quy mô bình tam giác 500mL

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

khối VSV

Kết quả thể hiện trên hình 3.4 cho thấy giá trị OD600nm cao nhất của cả

3 chủng M2, C1, C8 ở các tỷ lệ cấp giống 5%, 5%, 3% lần lượt là 4,53;

5,13; 5,21

Hình 3.4 Biểu đồ chỉ giá trị OD600nm tại các tỷ lệ cấp giống khác nhau

ở thời điểm 24h

Ghi chú: 1: Tỷ lệ cấp giống 1%; 2: Tỷ lệ cấp giống 3%; 3: Tỷ lệ cấp

giống 5%; 4: Tỷ lệ cấp giống 7%; 5: Tỷ lệ cấp giống 10%

3.3.1.5 Trạng thái sinh trưởng và phát triển của các chủng đã tuyển chọn Lên men các chủng B velezensis M2, B mojavensis C1, B mojavensis C8 với các điều kiện đã khảo sát ở trên: nhiệt độ 37oC tốc độ lắc 200 vòng/phút, thể tích dịch lên men 100 mL trong bình tam giác 500

mL, môi trường lên men cao thịt 3 g/l, pepton 10 g/l, NaCL 5 g/l Tỷ lệ cấp giống và pH của các chủng M2, C1, C8 lần lượt là: 5%, 5%, 3% và 6,5; 7,5; 7 Cứ sau 2h nuôi cấy lấy mẫu đo giá trị OD600nmvà trang trải trên môi trường NA để xác định mật độ vi sinh vật

Hình 3.4 Đồ thị biểu diễn trạng thái sinh trưởng và phát triển

của chủng M2, C1, C8 Kết quả trên hình 3.5 cho thấy sinh khối của chủng B velezensis M2

tăng dần từ 0h đến khoảng 22h và đạt giá trị OD cao nhất ở 24h (OD600nm

đạt 4,3); Chủng B mojavensis C1, C8 đạt giá trị OD cao nhất sau 22h và

26h lên men, tương ứng (OD600nm đạt 4,56; 5,19) và duy trì trạng thái ổn định đến 26h Sau đó giá trị OD của chủng C1 và C8 giảm nhanh đến 38h còn 2,69; 3,42

Kết quả mật độ vi sinh (CFU/mLl) tương đồng với giá trị OD600nm Mật độ vi sinh đạt cao nhất của các chủng M2, C1, C8 lần lượt là 6,2x109

CFU/mL sau 26h lên men

Qua khảo sát các yếu tố lên men đến khả năng tạo sinh khối của ba chủng vi khuẩn nghiên cứu, kết luận cả ba chủng vi khuẩn M2, C1, C8 đều phù hợp để sản xuất chế phẩm vi sinh nhằm mục đích xử lý nước thải giết mổ gia súc

3.3.2 Tạo chế phẩm

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

tuyển chọn

Luận án đã triển khai thí nghiệm so sánh năng lực xử lý nước thải của

3 chủng tuyển chọn được ở trên Khảo sát năng lực của đơn chủng và kết hợp các chủng

Hình 3.5 Biểu đồ chỉ so sánh năng lực xử lý COD của các chủng

Hình 3.6, 3.7 cho thấy sau 24h xử lý tất cả các bình có bổ sung chủng

vi sinh vật bản địa đạt hiệu suất cao từ 62 -72% trong khi đó bình không

bổ sung vi sinh vật đạt 48% Sau 30h các bình có bổ sung vi sinh vật đạt hiệu suất cao và đạt trên 90%, bình phối trộn chủng (M2, C1, C8) cho hiệu suất xử lý cao nhất đạt 93%

Hình 3.6 Biểu đồ chỉ hiệu suất xử lý COD của các chủng

Kết quả cho thấy hiệu suất xử lý của mẫu phối trộn các chủng là cao hơn khi dùng đơn lẻ các chủng Do đó chế phẩm phải được tạo bởi hỗn

hợp chủng cho hiệu suất xử lý tối ưu nhất

Kết luận: chủng M2, C1, C8 sẽ được nghiên cứu phối trộn tạo chế phẩm xử lý nước thải giết mổ gia súc

3.3.2.2 Kiểm định đặc tính chủng trong môi trường thực

Luận án đã khảo sát thí nghiệm với 2 bình tam giác 1000 ml, điều kiện thí nghiệm giống nhau nhưng khác đối tượng nước thải đưa vào Bình 1 lấy 200ml nước thải, bình 2 lấy 200ml nước thải đã được lọc qua giấy lọc với lỗ lọc 0,45µm (Cả 2 bình bổ sung 5% hỗn hợp giống và cho vào máy nuôi lắc 200v/p Sau 24h, 48h lấy mẫu và xác định các chỉ số COD, MLSS, kết quả thể hiện trên bảng 3.3

Bảng 3.3 Đặc tính của chế phẩm

COD

(mg/L)

TSS (mg/L)

MLSS (mg/L)

Hệ số chuyển hóa vào SK

COD (mg/L)

TSS (mg/L)

MLSS (mg/L)

Hệ số chuyển hóa vào SK

Trước khi lọc TT

Sau khi lọc

% chuyển hóa SS