Tìm hiểu vi khuẩn hiếu khí trong đất và khả năng phân giải cacá hợp chất hữu cơ trong nước thải sinh hoạt

Để làm sạch các chất hữu cơ trong nước thải người ta sử dụng các phương pháp cơ học cho lắng cạnbằng hấp phụ, phương pháp hóa học cho kết tủa, phương pháp sinh họcDùng vi sinh vật VSV hi

Trờng đại học vinhKhoa sinh học

===  ===

tìm hiểu vi khuẩn hiếu khí trong đất

và khả năng phân giải các hợp chất hữu cơ

khóa luận tốt nghiệp đại học

chuyên ngành: di truyền - vi sinh

1.1 Tỡnh hỡnh nghiờn cứu vi khuẩn hiếu khớ phõn giải chất hữu cơ

trờn thế giới và Việt Nam 51.1.1 Trờn thế giới 5

1.1.2 Sơ lược tình hình nghiên cứu ở Việt Nam 6

1.2 Hệ vi sinh vật của nước thải 7

1.2.1 Các vi sinh vật chủ yếu 7

1.2.2 Các vi sinh vật gây bệnh có trong nước thải 9

1.2.3 Hiện tượng nước bị ô nhiễm 10

1.3 Cơ sở khoa học của việc sử dụng vi sinh vật hiếu khí xử lý nước thải 13

1.3.1 Một số chủng vi khuẩn hiếu khí 14

a Bacillus 14

b Actinomyces 15

c Corynebacterium 15

d Micrococcus 16

e Pseudomonas 17

1.3.2 Xử lý nước thải nhờ vi sinh vật hiếu khí 18

a Sử dụng vi sinh vật hiếu khí trong Aroten 19

b Sử dụng vi sinh vật hiếu khí trong Bìoilter 19

Chương II ĐỐI TƯỢNG THÒI GIAN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 22

2.1 Đối tượng, địa điểm và thời gian nghiên cứu 22

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 22

2.1.2 Địa điểm nghiên cứu 22

2.1.3 Thời gian nghiên cứu 22

2.2 Phương pháp nghiên cứu 22

2.2.1 Phương pháp lấy mẫu 22

2.2.2 Phương pháp hộp trải 23

2.2.3 Phương pháp phân lập và mô tả đặc điểm khuẩn lạc 23

2.2.4 Phương pháp xác định hàm lượng chất hữu cơ trong nước thải (Theo TCVN) - Phương pháp kali pemanganat 23

2.2.6 Xác định số lượng khuẩn lạc 26

2.2.7 Phương pháp theo dõi ảnh hưởng của nhiệt độ, pH lên sự sinh trưởng của vi khuẩn 27

2.2.8 Môi trường nuôi cấy vi khuẩn hiếu khí 27

2.2.9 Phương pháp xác định tốc độ sinh trưởng theo Blachman (1981) .27

Chương III KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 28

3.1 Tổng vi khuẩn hiếu khí 28

3.2 Thành phần và số lượng vi khuẩn hiếu khí được phân lập từ mẫu thu 28

3.3 Sự sinh trưởng của các chủng vi khuẩn hiếu khí phân lập được 30

3.4 Hoạt độ phân giải hợp chất hữu cơ 32

3.5 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của mật độ VSV lên sự phân giải các chất hữu cơ 34

3.6 Kết quả thử nghiệm hàm lượng chất hữu cơ trong nước thải 36

3.7 Nghiên cứu về chủng Pseudomonas 37

3.7.1 Mật độ Pseudomonas 38

3.7.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên sự sinh trưởng - phát triển của chủng Pseudomonas 38

3.7.3 Ảnh hưởng của pH lên sự sinh trưởng - phát triển của Pseudomonas .40

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 43

TÀI LIỆU THAM KHẢO 48 PHỤ LỤC

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện đề tài, em đã nhận được sự góp ý, động viên

và giúp đỡ của các thầy cô giáo, các bạn sinh viên.

Em xin chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm khoa Sinh học; các thầy cô giáo, các cán bộ trong khoa nói chung và trong Tổ bộ môn Di truyền - Vi sinh

- Phương pháp giảng dạy nói riêng đã tạo điều kiện tốt nhất về cơ sở vật chất

và tinh thần để em hoàn thành đề tài.

Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo hướng dẫn - GVC Nguyễn Dương Tuệ đã quan tâm, giúp đỡ và hướng dẫn tận tình để em có thể nâng cao kiến thức, phương pháp nghiên cứu khoa học và hoàn thành đề tài này.

Xin kính chúc các thầy cô giáo sức khỏe, hạnh phúc và thành công !

Vinh, tháng 5 năm 2010

Sinh viên

Đỗ Thị Thanh Huyền

ĐẶT VẤN ĐỀ

Nước đóng vai trò rất quan trọng trong việc điều hòa khí hậu và cho

sự sống trên trái đất Nước là dung môi lí tưởng để hòa tan, phân bố các chất

vô cơ, hữu cơ làm nguồn dinh dưỡng cho giới thủy sinh cũng như các sinhvật trên cạn Có thể nói rằng ở đâu có nước là ở đó có sự sống và ngược lại.Theo Lương Đức Phẩm (2000), nhu cầu về nước sinh hoạt của người dân đôthị khoảng 100 đến 150 lit/ ngày để cung cấp cho ăn uống, tắm giặt vệ sinh.Nước còn cung cấp cho tưới tiêu thủy lợi, cho công nghiệp chế biến nôngsản, công nghiệp rượu bia, luyện kim, công nghiệp mía đường Và nước đãdùng cho sinh hoạt, sản xuất công nghiệp, nông nghiệp, dịch vụ đều trởthành nước thải

Nước thải sinh hoạt hay là nước thải các khu dân cư, hộ gia đình, bệnhviện, khách sạn, cơ quan, trường học, khu vui chơi giải trí Loại nước thải này

có hàm lượng chất hữu cơ cao (hidratcacbon, protein, lipit) các chất vô cơsinh dưỡng (photphat, nitơ) cùng với vi sinh vật (có thể có cả vi sinh vật gâybệnh), trứng giun sán

Cũng theo Lương Đức Phẩm và cộng sự (2000), trong nước thải có tới

40 - 60% protein, 25 - 50% hidratcacbon, 10% chất béo, các chất có độc tínhcao như polyclophenol (PCP), các thuốc bảo vệ thực vật như thuốc trừ sâu,thuốc diệt cỏ, diệt nấm và các kim loại nặng như As, Pb, Hg, Cd, Cr cácchất chứa nitơ như nitrat, amoniac, photpho, các hợp chất chứa lưu huỳnh như

H2S, cyanua và những chất này nếu vượt quá tiêu chuẩn cho phép (TCCP)đều xem là ô nhiễm [3]

Khi đánh giá mức độ ô nhiễm, một chỉ tiêu bắt buộc đó là chỉ số BOD(Biochemical Oxygene Demand), qua đó cho biết lượng oxy cần thiết cho visinh vật sử dụng để oxy hóa hết chất hữu cơ trong nước thải

Theo tiêu chuẩn nhà nước Việt Nam (TCVN 6772: 2000) đối với nướcthải sinh hoạt hàm lượng BOD cho phép như sau:

Chỉ tiêu Đơn vị Giới hạn cho phép

Mức I Mức II Mức III Mức IV Mức VBOD5 Mg/l 30 30 40 50 200

Và khi xử lí đạt các mức trên, nước được tái sử dụng cho các mục đíchkhác nhau như bệnh viện, trường học [9]

Như vậy việc làm sạch nước thải để tái sử dụng là cần thiết, góp phầnđảm bảo nước cho nhu cầu sinh hoạt của con người Để làm sạch các chất hữu

cơ trong nước thải người ta sử dụng các phương pháp cơ học (cho lắng cạnbằng hấp phụ), phương pháp hóa học (cho kết tủa), phương pháp sinh học(Dùng vi sinh vật (VSV) hiếu khí oxi hóa để tạo thành CO2 và nước)

Từ năm 1961, Erkenfender và Conon đã nghiên cứu về vi khuẩn hiếukhí phân giải hữu cơ cho thấy, quá trình này có ba giai đoạn:

Giai đoạn oxi hóa chất hữu cơ:

CxHy O z + n O 2 enzim vsv nCO 2 + nH 2 O + H

Giai đoạn xây dựng tế bào:

CxHy O z + n O 2 enzim vsv sinh khối tế bào VSV + nCO 2 + nH 2 O - H

Giai đoạn tự oxi hóa chất liệu tế bào (tự phân hủy):

Sinh khối VSV + nO2 nH2O + NH3 ± H

Trong đó H là năng lượng được sinh ra hay hấp thu vào

Các VSV được quan tâm thuộc các nhóm như: Bacillus, Pseudomonas,Actinomyces, Corynebacterium, Monococcus

Do thành phần hữu cơ trong nước thải rất đa dạng, nên phải cần đếnnhiều chủng VSV, nhằm lợi dụng khả năng oxy hóa khác nhau, kể cả nhữngchất tổng hợp, chất độc hại

Cũng theo các tác giả trên, giá trị BOD (mgCO2/mg chất) của các VSV

Chất bẩn BOD toàn phần

Gluxit: Sacaroza

Glucoza

0,490,54Axit béo: Axit panmitic 2,03

Chất tẩy rửa: Xà phòng canxifonic 1,20

Chất độc hại: Benzen

ToluenFormaldehyt

1,151,100,75

Hoặc gần đây nghiên cứu của Anzai et all (2000), Yassin, Ludwig(2003) Các vi khuẩn trong giống Corynebacterium ngoài oxy hóa gluxit,protein, chất béo còn oxy hóa cả dầu mỏ, hoặc các vi khuẩn trong giốngPseudomonas còn oxy hóa cả chất gây ung thư như pyrudin và các chất hữu

cơ tổng hợp [10,11, 12]

Do thấy được khả năng đặc biệt đó của các vi khuẩn hiếu khí và tầmquan trọng của việc xử lý nước thải vừa có nước sử dụng vừa làm sạch môitrường, góp phần bảo vệ môi trường, chúng tôi chọn đề tài: “Tìm hiểu vi khuẩnhiếu khí trong đất và khả năng phân giải hữu cơ trong nước thải sinh hoạt”

Mục tiêu của đề tài:

Với những lý do đã nêu ở trên, chúng tôi thực hiện đề tài này nhằm:+ Tìm hiểu vi khuẩn hiếu khí trong đất và phân lập chúng

+ Nghiên cứu về sự sinh trưởng, phát triển và các yếu tố ảnh hưởng đếnsinh trưởng, phát triển

+ Tìm hiểu khả năng phân giải hiếu khí các chất hữu cơ và ảnh hưởngcủa các yếu tố môi trường để từ đó xác định điều kiện tối ưu nhằm tối ưu hóaquy trình xử lý nước thải sinh hoạt

Nhiệm vụ đề tài:

Để đạt được mục tiêu như đã nêu, chúng tôi thấy cần phải thực hiện cáccông việc sau:

+ Thu mẫu đất, xử lý, bảo quản để tìm vi khuẩn hiếu khí

+ Bố trí thí nghiệm và phân tích các chỉ tiêu cần thiết: nuôi cấy, phânlập, tính sinh trưởng phát triển, xác định BOD để từ đó biết được khả năngphân giải chất hữu cơ trong các điều kiện thí nghiệm

+ Theo dõi các thí nghiệm, tập hợp các số liệu, xử lý nhận định kết quả

và viết báo cáo luận văn

Chương ITỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 Tình hình nghiên cứu vi khuẩn hiếu khí phân giải chất hữu cơ trên thế giới và Việt Nam

1.1.1 Trên thế giới

Cùng với sự phát triển của sản xuất công nghiệp, xử lý nước thải côngnghiệp đang là vấn đề vô cùng quan trọng, bảo đảm cho sự trong sạch môitrường sống đồng thời góp phần vào sự phát triển bền vững của nền kinh tếmọi quốc gia trên thế giới Tại nhiều nước có nền công nghiệp phát triển caonhư Nhật, Mỹ, Anh, Pháp, các hệ thống xử lý nước thải công nghiệp đãđược nghiên cứu và đưa vào ứng dụng từ lâu, đặc biệt các thành tựu tiên tiếntrong lĩnh vực tự động hoá cũng đã được áp dụng và đem lại hiệu quả kỹthuật, kinh tế xã hội vô cùng to lớn Nhiều hãng đi đầu trong lĩnh vực này nhưUSFilter, Aquatec Maxcon, Hunter Water Corporation (HWC), GlobalIndustries.Inc đã đưa ra các giải pháp công nghệ xử lý nước thải hiện đại.Những công nghệ tự động hoá của các công ty hàng đầu trên thế giới nhưSIEMENS, AB, YOKOGAWA, GF Signet được sử dụng rộng rãi trong cáccông trình xử lý nước thải Trình độ tự động hoá xử lý nước thải đã đạt mứccao, tất cả các công việc giám sát, điều khiển đều có thể thực hiện được tạimột Trung tâm, tại đây người vận hành được hỗ trợ bởi những công cụ đơngiản, dễ sử dụng Hơn thế, hệ thống tự động hoá xử lý nước thải còn được tíchhợp với các hệ thống điều hành ở cấp độ điều khiển cao hơn như cấp điềuhành sản xuất (manufacturing execution: workflow, order tracking,resources), cấp xí nghiệp (enterprise:Production planning, orders, purchase)

và trên cùng là cấp quản trị (administration:Planning, Statistics, Finances)nhằm nâng cao hơn nữa mức tự động hoá và tối ưu hoá quá trình sản xuất.Ngoài ra, trong lĩnh vực điều khiển đã có rất nhiều các lý thuyết điều khiển

hiện đại được áp dụng như điều khiển mờ, mạng nơ-ron, điều khiển dự báotrước (predicted control), điều khiển lai ghép (hybrid control), được ứngdụng trong xử lý nước thải để nâng cao chất lượng điều khiển và hiệu suất củacác công đoạn xử lý Lý thuyết hệ chuyên gia cũng được áp dụng mở ra khảnăng tự động hoá hoàn toàn cho xử lý nước thải.Tại nhiều quốc gia có nềncông nghiệp phát triển cao (Mỹ, Nhật, Đức, Anh, Pháp, ), các hệ thống xử lýnước thải công nghiệp đã được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng từ lâu Nhiềuhãng hàng đầu trong lĩnh vực này như USFilter, Aquatec Maxcon, HunterWater Corporation (HWC), Global Industries.Inc đã đưa ra các giải phápcông nghệ tiên tiến xử lý nước thải Hầu hết các công nghệ hiện đại ngày nayđều được tự động hoá cao, nhờ đó đảm bảo năng suất, chất lượng, hiệu quảnhư mong muốn.

Hiện nay, các nhà nghiên cứu còn đưa ra nhiều mô hình, giải pháp tựđộng hóa cho việc xử lý nước thải như: giải pháp tự động hóa xử lý nước thảiứng dụng cho các nhà máy sản xuất rượu bia vừa và nhỏ

Tất cả các mô hình tự động hóa đều có khâu được xử lí bằng cácphương pháp sinh học Mà trong công nghệ này thường sử dụng hai phươngpháp là kị khí và hiếu khí

Đối với các nước đang phát triển thì các phương pháp sinh học mớiđược nghiên cứu và ứng dụng trong những năm gần đây Tuy nhiên vẫn cònhạn chế và chưa được ứng dụng rộng rãi

1.1.2 Sơ lược tình hình nghiên cứu ở Việt Nam

Việt Nam là một nước đang phát triển, một nước đông dân trên 86 triệudân Từ 1930 - 1975 Việt Nam sống trong cuộc chiến tranh giải phóng đấtnước vì vậy tình trạng ô nhiễm do chiến tranh, đặc biệt là chất độc màu dacam (dioxin) ở Việt Nam là rất nặng Tuy nhiên khi đó đang trong chiến tranhnên vẫn chưa có các biên pháp xử lí ô nhiễm Từ sau 1975 khi đất nước đã

nề, đời sống nhân dân còn khó khăn Do đó nhà nước ta chỉ chú trọng trongviệc phát triển kinh tế, đầu tư cho phát triển công nghiệp, nông nghiệp, dịch

vụ còn việc xử lí chất thải chưa được chú trọng nhiều, phần lớn còn nhỏ lẻ ởtừng khu vực và với các biện pháp như cơ học: thu gom, chôn lấp hay hóahọc bằng việc sử dụng các hóa chất Tuy nhiên các biện pháp này mang nhiềuhạn chế: khó thực hiện, thời gian dài, chi phí cao

Những năm gần đây, cùng với sự phát triển nhanh chóng của xã hội,công nghiệp, nông nghiệp, dịch vụ cũng rất phát triển kéo theo đó là tìnhtrạng ô nhiễm nặng ở nhiều nơi, đặc biệt môi trường nước ở nhiều con sông

đã trở thành dòng sông chết do sự xả thải bừa bãi, chất thải không qua xử líđược đổ trực tiếp xuống sông Trước tình trạng này các cơ quan nhà nước đã

có những quan tâm sâu sắc tới việc xử lí ô nhiễm môi trường: Có những đầu

tư cho việc xử lí chất thải, có nhiều khu xử lí chất thải được xây dựng và đivào hoạt động Đặc biệt trong những năm gần đây việc nghiên cứu và ứngdụng các biện pháp sinh học vào xử lí chất thải đã được tiến hành ở một sốnơi như: Công trình vườn hoa lọc nước trên hồ công viên 29 -3 Thành phố ĐàNẵng; Vườn hoa lọc nước trên hồ B52 Thành Phố Hà Nội; công trình xử lýmùi hôi của nước ở hồ Xáng Thổi thành phố Cần Thơ

Như vậy, ở Việt Nam việc ứng dụng các biện pháp sinh học vào xử líchất thải, đặc biệt là nước thải còn hạn chế, đang ở giai đoạn thử nghiệm cục

bộ ở một số vùng, chưa được ứng dụng rộng rãi

1.2 Hệ vi sinh vật của nước thải

1.2.1 Các vi sinh vật chủ yếu

Phần lớn vi sinh vật xâm nhập vào nước từ đất, phân, nước tiểu, cácnguồn thải và từ bụi trong không khí rơi xuống Số lượng và chủng loại visinh vật phụ thuộc vào nhiều yếu tố, nhất là những chất hữu cơ hoà tan trongnước, các chất độc, tia tử ngoại, pH môi trường, những yếu tố quyết định đến

sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật như các chất dinh dưỡng của chúng.Nước càng bẩn càng nhiều chất hữu cơ, nếu thích nghi được thì sự phát triểncủa vi sinh vật càng nhanh.

Trong nước có rất nhiều loại vi sinh vật: vi khuẩn, nấm men, nấm mốc,xoắn thể, xạ khuẩn, virut, thực khuẩn thể, nhưng chủ yếu là vi khuẩn Nóichung trong nước vi sinh vật không sinh bào tử chiếm ưu thế (gần 87%), còntrong bùn số vi sinh vật bào tử chiếm ưu thế (gần 74,5%) [3]

Nước sông luôn thay đổi theo dòng chảy Vì vậy hệ vi sinh vật và sốlượng vi sinh vật luôn thay đổi Ở vùng gần thành phố nước sông có số lượng

vi sinh vật lớn vì ở đây sông nhận một số lượng lớn nước thải sinh hoạt củadân cư, cống rãnh đô thị Còn ở phía xa thành phố số lượng vi sinh vật lạigiảm vì càng càng xa thành phố nước sông càng bị pha loãng lượng chất hữu

cơ giảm dần và như thế các chất dinh dưỡng của vi sinh vật ngày càng cạnkiệt Thêm vào đó vi sinh vật còn bị tiêu diệt bởi tia tử ngoại của ánh sángmặt trời vi sinh vật có đối kháng thực khuẩn thể dung giải vi sinh vật

Nước biển có số lượng vi sinh vật ít hơn ao hồ sông ngòi Mưa tuyết córất ít vi sinh vật: nước giếng phun, nước ngầm tương đối ít vi sinh vật

Nước thải đặc biệt là nước thải sinh hoạt và nước thải của các xí nghiệpchế biến thực phẩm rất giàu các chất hữu cơ, vì vậy số lượng vi sinh vật trongnước thải là rất lớn (105 - 106 tế bào/ml) Trong số này chủ yếu là vi khuẩn,chúng đóng vai trò phân hủy các chất hữu cơ cùng với các chất khoáng khácdùng làm vật liệu xây dựng tế bào đồng thời làm sạch nước thải Ngoài ra còn

có các vi sinh vật gây bệnh, đặc biệt là các bệnh đường ruột như thương hàn,

tả, lị và các vi rut, thực khuẩn thể

Vi khuẩn đóng vai trò rất quan trọng (có thể nói là chủ yếu) trongquá trình phân hủy các chất hữu cơ, làm sạch nước thải trong vòng tuầnhoàn vật chất

- Vi khuẩn dị dưỡng (heterophe) Nhóm vi khuẩn này sử dụng các chấthữu cơ làm nguồn cácbon, dinh dưỡng và nguồn năng lượng để hoạt độngsống, xây dựng tế bào, phát triển có ba loại vi khuẩn dị dưỡng:

+ Vi khuẩn hiếu khí (aerobe): Chúng cần ôxi để sống, như quá trình hôhấp ở động vật bậc cao Oxi cần cho quá trình oxi hóa các chất hữu cơ theophản ứng:

Chất hữu cơ + O2 -> CO2 + H2O + Năng Lượng

+ Vi khuẩn kị khí (anaerobe): Chúng có thể sống và hoạt động ở điềukiện kị khí (không cần Oxi của không khí) mà sử dụng oxi trong những hợpchất nitrat, sunfat để oxi hóa các chất hữu cơ

+ Vi khuẩn tùy nghi (facultative): loại này có thể sống trong điều kiện

có hoặc không có oxi tự do Chúng luôn có mặt trong nước thải Năng lượnggiải phóng một phần được sử dụng cho việc sinh tổng hợp hình thành tế bàomới, một phần thoát ra ở dạng nhiệt

- Vi khẩn tự dưỡng (autotroph): loại vi khuẩn này có khả năng oxi hóacác chất vô cơ để thu năng lượng và sử dụng CO2 là nguồn cacbon cho quátrình sinh tổng hợp Trong nhóm này có vi khuẩn nitrat hóa (Nitromonas;Nitrobacter ), vi khuẩn sắt, vi khuẩn lưu huỳnh

Các vi khẩn leptothirix và Crenothix làm kết tủa sắt thành Fe (OH)3 cómàu vàng đỏ

Các vi khẩn lưu huỳnh có khả năng chịu pH thấp Oxi hóa H2S thành axitsunfric (H2SO4) gây ăn mòn đường ống, các công trình xây dựng ngập trong nước

1.2.2 Các vi sinh vật gây bệnh có trong nước thải

- Vi khuẩn: Những vi khuẩn gây bệnh đường ruột hay gặp: vi khuẩn tả

vibrio cholera; vi khuẩn lị disenterriae - Shigella; vi khuẩn thương hàn và phó thương hàn Samonella typhos và S paratyphos cũng như trực khuẩn đường ruột Escherichia Coli.

- Vi rut bao gồm:

+ Vi rut đường ruột: virut poliamyelit tác dụng lên thần kinh trungương, virut ECHO gây lên bệnh đường ruột không trầm trọng Hay Caxsakie

A và B có thể gây nên viêm màng não bạch cầu, chứng đau cơ hay suy tim

+ Virut viêm gan: chỉ có loại virut viêm gan A mới có thể truyền qua nước.+ Các Adenovirut tác động lên đường hô hấp và mắt

+ Rotavirut gây ra bệnh ỉa chảy thường nghiêm trọng với trẻ em, gây ỉachảy từ 20 đến 70 % trường hợp đối với trẻ sơ sinh

+ Virut u nhú tạo ra các mụn cơm nhiễm vào các bể bơi

- Ngoài ra còn có các loại vi nấm, amip, động vật nguyên sinh và cácloài giun sán gây ra các loại bệnh đường ruột

1.2.3 Hiện tượng nước bị ô nhiễm

Nước bị ô nhiễm hay nước nhiễm bẩn có thể quan sát được bằng cảmquan qua các hiện tượng khác thường như sau: Thay đổi màu sắc, có mùi vị

lạ, đục

- Màu sắc: Nước tự nhiên không màu, nước có rong tảo phát triển cómàu xanh đậm hơn Nước có màu vàng do nhiễm sắt, màu vàng bẩn do nhiễmaxit humic có trong mùn nước thải làm cho nước có màu nâu đen hoặc đen.Mỗi loại nước thải đều có những màu sắc khá đặc trưng, nhưng đa số nướcnhiễm bẩn nặng đều có màu đen

- Mùi vị: Nước sạch không có mùi vị, khi bị nhiễm bẩn có mùi vị lạnhư: Mùi thối, vị tanh, chát

- Độ trong: Nước tự nhiên sạch không có tạp chất thường rất trong, khi

bị nhiễm bẩn các loại nước thải thường bị đục: Độ trong giảm và độ đục tăng

Độ dục do các chất lơ lửng gây ra

Từ năm 1991 Metealt và Eddyđã cho thấy tính chất của nước thải từ

các nguồn phát sinh như sau:

Bảng 1.1: Các tính chất vật lí, hoá học và sinh học đặc trưng của nước thải và nguồn gốc của chúng [3]

Các chất thải sinh hoạt và công nghiệp, sự phân rã

tự nhiên các chất hữu cơ

Sự thối rữa nước thải và các chất thải công nghiệp.Cấp nước cho sinh hoạt, các chất thải sinh hoạt vàsản xuất, xói mòn đất, dòng thấm, chảy vào hệthống cống

Các chất thải sinh hoạt và sản xuất

Chất thải công nghiệp

Các chất thải sinh hoạt và thương mại

Các chất thải sinh hoạt và sản xuất

Phân rã tự nhiên các chất hữu cơ

Nước thải sinh hoạt, cấp nước sinh hoạt, sự thấmcủa nước ngầm

Cấp nước sinh hoạt, các chất thải sinh hoạt, sự thấmcủa nước ngầm, các chất làm mềm nước

Các chất thải công nghiệp

Các chất thải sinh hoạt và nông nghiệp

Các chất thải công nghiệp

Các chất thải sinh hoạt và công nghiệp

1.3 Cơ sở khoa học của việc sử dụng vi sinh vật hiếu khí xử lý nước thải

Quần thể sinh vật ở các loại nước thải là không giống nhau Mỗi loạinước thải có hệ vi sinh vật tương ứng Song, nói chúng vi sinh vật trong nướcthải đều là vi sinh vật hoại sinh và dị dưỡng Chúng không thể tổng hợp đượccác chất hữu cơ làm vật liệu xây dựng tế bào mới cho chúng, trong môitrường sống của chúng phải có mặt các chất hữu cơ để chúng phân huỷ,chuyển hoá thành vật liệu xây dựng tế bào, đồng thời chúng phân huỷ các hợpchất nhiễm bẩn nước đến sản phẩm cuối cùng là CO2 và nước hoặc tạo thànhcác loại khí (CH4, H2S, Indol, N2 )

Trong nước thải các chất nhiễm bẩn chủ yếu là các chất hữu cơ hoà tan,ngoài ra còn có các chất hữu cơ ở dạng keo và phân tán nhỏ ở dạng lơ lửng,các dạng này tiếp xúc với bề mặt tế bào vi khuẩn Bằng cách hấp phụ hay keo

tụ sinh học, sau đó xảy ra quá trình dị hoá và đồng hoá Quá trình dị hoá làquá trình phân huỷ các chất hữu cơ có khối lượng phân tử lớn, có cấu trúcphân tử mạch dài Thành các hợp chất có mạch ngắn, có khối lượng thấp, cóthể đi qua được màng vào trong tế bào để chuyển vào quá trình phân huỷ nộibào hay chuyển sang quá trình đồng hoá

Như vậy quá trình làm sạch nước thải gồm 3 giai đoạn như sau:[3]

- Các chất hữu cơ tiếp xúc với bề mặt tế bào vi sinh vật

- Khuyếch tán và hấp thụ các chất ô nhiễm nước qua màng bán thấmvào trong tế bào sinh vật

- Chuyển hoá các chất này trong nội bào để sinh ra năng lượng và tổnghợp các vật liệu mới cho tế bào vi sinh vật

Các giai đoạn này có liên quan chặt chẽ Kết quả là nồng độ các chấtnhiễm bẩn giảm dần, đặc biệt là vùng gần tế bào vi sinh vật nồng độ các chấthữu cơ ô nhiễm thấp hơn vùng ở xa Đối với sản phẩm do tế bào vi sinh vậttiết ra thì ngược lại Phân huỷ các chất hữu cơ chủ yếu xảy ra trong tế bào visinh vật

Quá trình phân huỷ hay quá trình oxi hoá - khử không phải tất cả đều bịoxi hoá hoàn toàn thành các sản phẩm cuối cùng là CO2 và H2O, một số sảnphẩm trung gian của quá trình này được tham gia vào quá trình đồng hoá, quátrình sinh tổng hợp vật chất tế bào để hình thành tế bào mới để phục vụ chosinh trưởng Đồng thời với quá trình đồng hoá trong tế bào còn xảy ra quátrình dị hoá các vật liệu tế bào khi đã già tạo ra vật liệu và năng lượng phục

vụ cho quá trình đồng hoá

1.3.1 Một số chủng vi khuẩn hiếu khí

Các chủng vi khuẩn hiếu khí thường gặp, đóng vai trò quan trọng trong

việc phân huỷ các hợp chất hữu cơ là: Bacillus, Actinomyces,

Corynebacterium, Micrococcus.

a Bacillus

Bacillus có dạng hình que - một số nơi còn gọi là trực khuẩn Trực

khuẩn phân bố rất rộng rãi trong tự nhiên, với nhiều loài khác nhau: Bacillus

anthracis, Bacillus cereus, Bacillus subtilis, Bacillus coagulans trong đó đa

số là vô hại Chúng có đời sống hiếu khí và một số loài có khả năng tạo bào tử

do đó có thể sống trong những điều kiện bất lợi ở bất kì môi trường nào trongthời gian dài Giống vi sinh vật này sinh trưởng và phát triển rất mạnh, người

ta thường quan sát thấy tập đoàn của giống vi sinh vật này rất rộng lớn, cóhình dạng bất định và đang phát triển lan rộng nhóm vi sinh vật này có hoạttính rất mạnh, có khả năng oxi hóa chất hữu cơ nhanh chóng và triệt để tạothành CO2 và H2O vì vậy có tác dụng làm sạch môi trường, có lợi cho việc xử

lí các hợp chất hữu cơ trong nước thải Ngoài ra, trong giống này có một sốloài gây bệnh như ấu trùng Paenibacillus tuy nhiên chúng dễ xử lí trongđiều kiện kị khí

Hình 1.1 Bacillus

b Actinomyces

Actinomyces là vi khuẩn Gram dương và có thể sống hiếu khí hay kỵkhí Chúng có nhiều loài và phân bố rất rộng trong tự nhiên [15] Các loàithuộc giống này phân bố rất rộng trong tự nhiên và có hoạt tính rất mạnh cóthể phân hủy được những chất hữu cơ khó phân hủy như linhin và chitin điều này rất có lợi cho việc xử lí nước thải có chứa các hợp chất hữu cơ khóphân hủy Thuộc giống này cũng có một số loài gây bệnh nhưng khi xử lítrong điều kiện kị khí chúng sẽ được loại bỏ

đã nhóm thành các phân khu với tỉ lệ G/X khác nhau

Một số loài Corynebacterium được sử dụng cho ứng dụng công nghiệprất quan trọng, chẳng hạn như việc sản xuất các axit amin, nucleotide, và cácyếu tố dinh dưỡng khác (Martín, 1989); phân giải hydrocarbon; dầu mỏ(Khurana et al, 2000.) Một số loài sản xuất ra chất chuyển hóa tương tự nhưthuốc kháng sinh: bacteriocins của corynecin-linocin các loại, chống đại lýkhối u.

Một trong những loài được nghiên cứu nhất là C glutamicum, có tên

đề cập đến khả năng của mình để sản xuất axit glutamic trong điều kiện hiếukhí Nó được sử dụng trong ngành công nghiệp thực phẩm như sản xuấtmonosodium glutamate (bột ngọt) trong sản xuất nước tương và sữa chua.Loài Corynebacterium đã được sử dụng trong sản xuất đại trà của các axitamin khác nhau bao gồm L-Glutamic acid, một phụ gia thực phẩm nổi tiếngđược thực hiện tại một tỷ lệ 1,5 triệu tấn / năm do Corynebacterium Các conđường trao đổi chất của Corynebacterium đã được chế tác hơn nữa để sảnxuất L-Lysine và L-Threonine

Các loài thuộc giống này có khả năng oxi hóa rất mạnh các hợp chấtgluxit tạo ra các sản phẩm có ích

d Micrococcus

Hình 1.4 Micrococcus mucilaginosis

Micrococcus là một chi của vi khuẩn trong họ Micrococcaceae.Micrococcus xảy ra trong nhiều môi trường, bao gồm cả nước, bụi và đất.Micrococci có tế bào Gram dương hình cầu khác nhau, từ khoảng 0,5-3 µm

Một số loài Micrococcus, như M luteus (màu vàng) và M roseus (đỏ)

chất tiết vàng hoặc màu hồng thuộc địa khi trồng trên agar muối mannitol

Chủng của M luteus đã được tìm thấy để sản xuất riboflavin khi nuôi cấy trên

các chất ô nhiễm hữu cơ độc hại như pyridin [17] Những nghiên cứu gần đâycủa Greenblat et al chứng minh rằng Micrococcus luteus đã tồn tại ít nhất là34.000 đến 170.000 năm trên cơ sở phân tích rRNA 16S, và có thể lâu hơnnữa [14]

Các loài thuộc giống này sinh trưởng phát triển mạnh trong mọi điềukiện Chúng có khả năng oxi hóa chất hữu cơ rất mạnh kể cả những chất khóphân giải và độc hại, gây ung thư như: pyridin, thuốc diệt cỏ, biphenylclo

[13] [18] Chúng có thể liên quan đến cai nghiện hoặc biodegradation của

nhiều chất gây ô nhiễm môi trường khác [19] Ngoài ra chúng còn có khả năngchuyển hóa cả những chất gây ô nhiễm nặng như dầu mỡ và có khả năng kéodài chuỗi các bon (C21- C34) trong tổng hợp dầu mỏ

e Pseudomonas

Hình 1.5 P aeruginosa colonies on an agar plate

Pseudomonas phân bố rất rộng trong tự nhiên, gặp ở hầu hết các loạinước thải Pseudomonas hầu như có thể đồng hóa được mọi chất hữu cơ, kể

cả các chất hữu cơ tổng hợp như polyvinyl alcohol - PVA, và sống khá lâutrong môi trường nước nhiều loài của giống này ưa lạnh, nhiệt độ tối thiểu

là -2 - 5oC, tối thích là 20 - 25oC Tất cả Pseudomonas đều có hoạt tính

amilaza và proteaza, pH môi trường dưới 5,5 sẽ kìm hãm vi khuẩnPseudomonas phát triển và kìm hãm tổng hợp proteaza [3] Hầu hết các

Pseudomonas spp có khả năng kháng penicilin và đa số các phiên bản beta

liên quan đến thuốc kháng sinh Lactam Như vậy giúp cho quá trình loại bỏkháng sinh có trong nước thải

1.3.2 Xử lý nước thải nhờ vi sinh vật hiếu khí

Như chúng ta đã biết nước thải, đặc biệt là nước thải sinh hoạt và nướcthải của các xí nghiệp chế biến thực phẩm thường có hàm lượng hữu cơ caonên gây hôi thối và ô nhiễm nặng Chính vì vậy mà tiêu chuẩn Việt Nam vàthế giới bao giờ cũng phải phân tích các chỉ tiêu COD (Chemical OxygeneDemand), BOD (Biochemical Oxygene Demand) để dựa vào nhu cầu sử dụngoxy cần thiết khi oxy hóa chất hữu cơ từ đó xác định lượng chất hữu cơ trongnước thải Từ đây căn cứ vào COD, BOD đánh giá mức độ ô nhiễm

Cơ sở của phương pháp hiếu khí:

Cho vi sinh vật hiếu khí vào nước thải, khuấy trộn và cung cấp oxi cho

vi sinh vật hoạt động để chúng oxi hóa triệt để các chất hữu cơ

Có hai khả năng sử dụng chất hữu cơ của vi sinh vật là:

Chất hữu cơ CO2 + H2O vsv dị dưỡng vsv hiếu khí

Các bông này có mầu nâu dễ lắng có kích thước từ 3 đến 150µm Những bông

già”, hoạt tính giảm Nếu được hoạt hóa (trong môi trường thích hợp có sụckhí đầy đủ) sẽ sinh trưởng trở lại và hoạt tính được phục hồi [3].

Hệ vi sinh vật trong bùn hoạt tính có nhiều loài thuộc các giống:Actynomyces, Bacillus, Bacterium, Corynobacterium, Micrococcus,Pseudomonas Trong đó loài Pseudomonas có khả năng phân huỷ rất mạnh,

có thể oxy hoá được rượu, axit béo, các buahyđro thơm, hidratcacbon vànhiều hợp chất khác

Do đó bùn hoạt tính được sử dụng chủ yếu trong bể hiếu khí (Aroten)hay bể phản ứng sinh học (Bioreactor)

a Sử dụng vi sinh vật hiếu khí trong Aeroten

Bể được thiết kế như sau:

Nước thải

Nước ra

Sục khí Lắng cặn Bioreactor

Ở đây nước thải được qua lắng cặn, sau đó cho vào bể Aroten, ở đó visinh vật tiếp xúc với các chất hữu cơ và oxy hóa các chất hữu cơ

b Sử dụng vi sinh vật hiếu khí trong Biofilter

- Biofilter là bể lọc sinh học, ở đó người ta sử dụng vi sinh vật hiếu khíbám vào giá thể (màng xốp) tạo ra màng lọc sinh học

- Bể được thiết kế như sau:

Màng lọc dày sẽ trở nên có ích hơn, vì lớp ngoài sẽ tập trung các visinh vật hiếu khí, lớp trong tập trung nhiều vi sinh vật yếm khí có trong nướcthải Nên VSV hiếu khí sẽ phối hợp với VSV kỵ khí khi lọc bởi:

+ VSV hiếu khí oxy hóa chất hữu cơ

+ VSV kỵ khí sẽ tiêu diệt các VSV hiếu khí gây bệnh có trong nước thải

- Cho nên

Bể dùng Biofilter có thể phân biệt qua các đặc điểm sau:

- Theo mức độ xử lí: Bể dùng Biofilter có thể xử lí tuần hoàn hoặcBiofilter xử lí không tuần hoàn

- Theo chế độ làm việc: Làm việc liên tục và làm việc không liên tụctức là gián đoạn có tuần hoàn và không tuần hoàn

- Theo biện pháp làm thoáng: Biofilter làm thoáng tự nhiên vàBiofilter làm thoáng nhân tạo

Trong thực tế ta thường gặp hai loại Biofilter:

+ Biofilter nhỏ giọt: Dùng để xử lí sinh hoá nước thải hoàn toàn với

kích thuớc của hạt vật liệu lỏng không lớn hơn 25 - 30 mm và tải trọng tướinước nhỏ 0,5 - 1 m3, vật liệu lọc và được sử dụng trong trường hợp lưulượng nhỏ từ 20 - 1000m3/ngày đêm Hiệu suất xử lí của Biofilter nhỏt giọt

Chương IIĐỐI TƯỢNG THỜI GIAN VÀ PHƯƠNG PHÁP

NGHIÊN CỨU

2.1 Đối tượng, địa điểm và thời gian nghiên cứu

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu

Vi khuẩn hiếu khí trong đất

2.1.2 Điạ điểm nghiên cứu

- Vườn thực nghiệm trường Đại học Vinh - TP Vinh - Nghệ An

- Mẫu nước thải tại kênh bắc Tp Vinh Nghệ An (nước thải sinh hoạt)

- Phân lập và nghiên cứu tại phòng thí nghiệm Vi sinh và Phòng thínghiệm trung tâm trường Đại học Vinh

2.1.3 Thời gian nghiên cứu

- Thu thập số liệu, tiến hành thí nghiệm từ tháng 10 năm 2009 đếntháng 1 năm 2010

- Xử lí số liệu và hoàn thành luận văn từ tháng 2 năm 2010 đến tháng 5năm 2010

2.2 Phương pháp nghiên cứu [1, 2, 7]

2.2.1 Phương pháp lấy mẫu [7]

+ Phương pháp lấy mẫu đất

- Chọn vị trí thu mẫu

- Tiến hành thu năm mẫu tại năm vị trí khác nhau

- Mỗi vị trí lấy 250g mẫu đất

+ Phương pháp lấy mẫu nước thải: Dùng bình nhựa dung tích 1lit lấymẫu nước thải tại địa điểm đã lự chọn Sau đó đậy chặt nắp cho vào túipolietilen gói kín và bảo quản ở tủ lạnh ở 0 - 4o C

2.2.2 Phương pháp hộp trải [7]

- Dùng pipetman và que trang vô trùng, thao tác vô trùng chuyển 1mlhuyền phù chứa giống vi sinh vật lên bề mặt môi trường trong đĩa Petri

- Vô trùng que trang bằng cồn 70oC và trên ngọn lửa đèn cồn

- Dùng que trang trang đều mẫu trên bề mặt môi trường nuôi cấy

- Nuôi vi sinh vật ở nhiệt độ 30oC cho đến khi hình thành khuẩn lạc

2.2.3 Phương pháp phân lập và mô tả đặc điểm khuẩn lạc [2, 7]

Vi khuẩn khi phát triển trên các bề mặt môi trường đặc sẽ hình thànhkhuẩn lạc đặc trưng cho mỗi loài Dựa vào đó nghiên cứu những đặc điểm củakhuẩn lạc

Những đặc điểm cần quan tâm đó là:

+ Hình dạng khuẩn lạc: Tròn, hình amíp, hình rể

+ Thời gian xuất hiện khuẩn lạc: Từ 24h trở đi

+ Màu sắc: Xanh, đỏ, tím, vàng, trắng, sữa, trong

+ Mép khuẩn lạc: Tròn, bong, xù xì

+ Bề mặt của khuẩn lạc; Trơn, phẳng, lồi, lõm

2.2.4 Phương pháp xác định hàm lượng chất hữu cơ trong nước thải (theo TCVN) - Phương pháp kali pemanganat [8]

a Nguyên tắc

Dựa vào khả năng oxi hoá mạnh của kali pemanganat cho mẫu thử tácdụng với kali pemanganat để oxi hoá mẫu thử Dựa vào lượng KMnO4 cho vàomẫu thử và lượng còn lại sau khi oxi hoá có thể tính được lượng chất hữu cơ