BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
VIỆN NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ SINH HỌC
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
NGÀNH CÔNG NGHỆ SINH HỌC
ỨNG DỤNG VI KHUẨN LOẠI BỎ NITƠ VÀ VI KHUẨN TÍCH
LŨY POLYPHOSPHATE TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI
CHĂN NUÔI HEO (SAU BIOGAS) Ở BÌNH 10 LÍT
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
SINH VIÊN THỰC HIỆN:
PGS.TS. CAO NGỌC ĐIỆP
NGUYỄN VĂN QUẮC
MSSV: 3092433
LỚP: CNSH K35
Cần Thơ, Tháng 05/2013
Luận văn tốt nghiệp Đại học Khóa 2009 - 2013
Trường ĐHCT
PHẦN KÝ DUYỆT
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
SINH VIÊN THỰC HIỆN
Cao Ngọc Điệp
Nguyễn Văn Quắc
DUYỆT CỦA HỘI ĐỒNG BẢO VỆ LUẬN VĂN
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
Cần Thơ, ngày
tháng
năm 2013
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
Chuyên ngành Công nghệ Sinh học
Viện NC & PT Công nghệ Sinh học
Luận văn tốt nghiệp Đại học Khóa 2009 - 2013
Trường ĐHCT
CẢM TẠ
Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô giảng dạy chương trình ñại học Công
nghệ Sinh học khóa 35, trường Đại học Cần Thơ ñã nhiệt tình giảng dạy và truyền ñạt
những kiến thức về lĩnh vực Công nghệ Sinh học trong suốt quá trình tôi theo học tại
trường.
Tôi xin chân thành cảm ơn PGs.Ts. Cao Ngọc Điệp ñã tận tình hướng dẫn gợi ý
và cho những lời khuyên hết sức bổ ích trong suốt thời gian tôi thực hiện ñề tài.
Chân thành cảm ơn thầy Trần Vũ Phương - cố vấn học tập lớp Công nghệ Sinh
học khóa 35 ñã luôn quan tâm, ñộng viên và tạo ñiều kiện tốt cho tôi trong suốt quá
trình học tập tại trường cũng như trong thời gian thực hiện ñề tài.
Chân thành cảm ơn anh Nguyễn Tiến Sĩ – học viên cao học K18 ngành công
nghệ sinh học thuộc Viện nghiên cứu và phát triển Công nghệ Sinh học, trường Đại
học Cần Thơ ñã giúp ñỡ tôi trong suốt thời gian thực hiện ñề tài.
Xin cảm ơn các cán bộ của phòng thí nghiệm Vi sinh vật ñất - Viện nghiên cứu
và phát triển Công nghệ Sinh học, trường Đại học Cần Thơ ñã giúp ñỡ và tạo ñiều kiện
hết sức thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình thực hiện thí nghiệm.
Xin cảm ơn tất cả các bạn lớp Công nghệ Sinh học khóa 35 ñã luôn ñộng viên và
giúp ñỡ tôi trong suốt thời gian qua.
Cần Thơ, ngày 29
tháng 04 năm 2013
Nguyễn Văn Quắc
Chuyên ngành Công nghệ Sinh học
Viện NC & PT Công nghệ Sinh học
Luận văn tốt nghiệp Đại học Khóa 2009 - 2013
Trường ĐHCT
TÓM LƯỢC
Nước thải chăn nuôi heo (sau biogas) có hàm lượng ammonium và lân hòa tan
(orthophosphate) quá cao sẽ gây hiện tượng nở hoa do sự phát triển quá nhiều của
các loài tảo. Tuy nhiên có nhiều nhóm vi khuẩn có khả năng chuyển hóa nitơ, chúng
chuyển ammonium thành nitrite (NO2-), nitrate (NO3-), khí nitơ (N2); nhóm vi khuẩn
chuyển hóa lân hòa tan thành lân khó tan (polyphosphate) giúp làm sạch môi trường
ñược gọi là vi khuẩn tích lũy polyphosphate (poly_P).
Thí nghiệm sử dụng phối hợp vi khuẩn Pseudomonas stutzeri dòng D3b và vi
khuẩn Bacillus subtilis dòng DTT1 ñể xử lý ammonium và orthophosphate trong nước
thải chăn nuôi heo (sau biogas). Kết quả cho thấy sử dụng vi khuẩn Pseudomonas
stutzeri dòng D3b kết hợp Bacillus subtilis dòng DTT1 có bổ sung nguồn cacbon acid
acetic (1ml/l) kết hợp với giá thể và sục khí ñạt hiệu quả cao làm giảm ammonium với
hiệu suất loại bỏ ammonium là 98,2% và hàm lượng khí ammoniac (NH3) thoát ra
trong quá trình xử lý thấp sau 18 ngày tiến hành thí nghiệm trong bình nhựa 10 lít
chứa 5 lít nước thải chăn nuôi heo (sau biogas). Tuy nhiên do quá trình sục khí liên
tục làm cho các vi khuẩn tích lũy polyphosphate lại phân giải các lân khó tan
(polyphosphate) mà chúng ñã tích lũy tạo ra orthophosphate làm cho hàm lượng lân
hòa tan tăng lên. Hàm lượng phospho tổng, COD trong nước thải giảm mạnh so với
nước thải ñầu vào nhưng vẫn còn cao, hàm lượng TKN, TSS ñạt tiêu chuẩn loại A theo
quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải QCVN 40: 2011/BTNMT.
Từ khóa: ammonium, glucose, nước rỉ rác, orthophosphate, acid acetic, vi khuẩn khử ñạm, vi
khuẩn tích lũy poly_P.
Chuyên ngành Công nghệ Sinh học
i
Viện NC & PT Công nghệ Sinh học
Luận văn tốt nghiệp Đại học Khóa 2009 - 2013
Trường ĐHCT
MỤC LỤC
Trang
PHẦN KÝ DUYỆT ...........................................................................................................
CẢM TẠ............................................................................................................................
TÓM LƯỢC .....................................................................................................................i
MỤC LỤC ...................................................................................................................... ii
DANH SÁCH BẢNG.....................................................................................................vi
DANH SÁCH HÌNH .................................................................................................... vii
DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT .................................................................................... viii
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU ..............................................................................................1
1.1 Đặt vấn ñề ..............................................................................................................1
1.2. Mục tiêu ñề tài ......................................................................................................2
1.3 Nội dung nghiên cứu..............................................................................................2
CHƯƠNG II: LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU.........................................................................3
2.1. Tổng quan về nước thải chăn nuôi heo .................................................................3
2.1.1. Đặc ñiểm nước thải chăn nuôi heo.................................................................3
2.1.2. Hiện trạng ô nhiễm môi trường do chăn nuôi heo .........................................4
2.2 Sơ lược về nitơ và phospho ...................................................................................5
2.2.1. Sơ lược về nitơ ...............................................................................................5
2.2.2 Sơ lược về phospho.........................................................................................6
2.3 Sơ lược về vi khuẩn khử ñạm và vi khuẩn tích lũy polyphosphate .......................7
2.3.1 Sơ lược về vi khuẩn khử ñạm Pseudomonas stutzeri .....................................7
2.3.2 Sơ lược về vi khuẩn tích lũy polyphosphate Bacillus subtilis ........................9
2.5 Cơ chế xử lý nitơ và phospho trong nước thải bằng vi sinh vật .........................10
2.5.1 Cơ chế xử lý hợp chất nitơ bằng vi sinh vật .................................................10
2.5.2 Cơ chế xử lý hợp chất phospho bằng vi sinh vật ..........................................12
Chuyên ngành Công nghệ Sinh học
ii
Viện NC & PT Công nghệ Sinh học
Luận văn tốt nghiệp Đại học Khóa 2009 - 2013
Trường ĐHCT
2.6 Sơ lược về Biogas ................................................................................................13
CHƯƠNG III: PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP................................................16
3.1. Phương tiện .........................................................................................................16
3.1.1 Vật liệu ..........................................................................................................16
3.1.2. Dụng cụ, trang thiết bị..................................................................................16
3.1.3 Hóa chất ........................................................................................................17
3.1.3.a Môi trường nuôi vi khuẩn khử ñạm........................................................17
3.1.3.b Môi trường nuôi vi khuẩn tích lũy polyphosphate .................................18
3.1.3.c Các hóa chất sử dụng ñể ño ñạm ............................................................19
3.1.3.d Các hóa chất sử dụng ñể ño lân ..............................................................19
3.2 Phương pháp thực hiện ........................................................................................19
3.2.1 Phương pháp nhân giống vi khuẩn................................................................19
3.2.2 Bố trí thí nghiệm ...........................................................................................20
3.2.3 Phương pháp phân tích các chỉ tiêu ..............................................................22
3.2.3.a Đo ñạm NH4+ .........................................................................................22
3.2.3.b Đo lân hòa tan P_PO43- ...........................................................................24
3.2.3.c Đo pH......................................................................................................25
3.2.3.d Xác ñịnh mật số vi khuẩn bằng phương pháp ñếm sống........................25
3.2.3.e Xác ñịnh tổng ñạm (TKN) và tổng lân (TP)...........................................27
3.2.3.f Đo chỉ số TSS ........................................................................................30
3.2.3.g Đo nhu cầu ôxy hoá học ........................................................................31
3.2.3.h Xác ñịnh hàm lượng Nitrate (NO3-) và Nitrite (NO2-) ...........................32
3.2.4 Đánh giá chất lượng nước thải .....................................................................35
3.2.5 Phân tích mẫu và xử lý số liệu .....................................................................36
3.3.Thời gian và ñịa ñiểm thực hiện ñề tài ................................................................36
3.3.1 Thời gian .......................................................................................................36
3.3.2 Địa ñiểm ........................................................................................................36
Chuyên ngành Công nghệ Sinh học
iii
Viện NC & PT Công nghệ Sinh học
Luận văn tốt nghiệp Đại học Khóa 2009 - 2013
Trường ĐHCT
CHƯƠNG IV: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ..............................................................37
4.1 Ảnh hưởng của vi khuẩn, glucose, acid acetic và sục khí ñến hàm lượng
ammonium (NH4+) .................................................................................................37
4.1.1 Ảnh hưởng của vi khuẩn, glucose, acid acetic và sục khí ñến hàm
lượng ammonium (NH4+) theo thời gian. ........................................................37
4.1.2 Hiệu suất xử lí ammonium (NH4+) trong nước thải chăn nuôi heo (sau
biogas) theo thời gian ở các nghiệm thức........................................................39
4.2 Ảnh hưởng của vi khuẩn, glucose, acid acetic và sục khí ñến hàm lượng
NH3 thoát ra ở các nghiệm thức theo thời gian...................................................40
4.3 Ảnh hưởng của vi khuẩn, glucose, acid acetic và sục khí ñến hàm lượng
phosphate (PO43-) theo thời gian ở các nghiệm thức ..........................................42
4.4 Ảnh hưởng của vi khuẩn, glucose, acid acetic và sục khí ñến giá trị Ph
theo thời gian ......................................................................................................43
4.5 Ảnh hưởng của vi khuẩn, acid acetic, glucose và sục khí ñến hàm lượng
nitơ tổng (TKN) ...................................................................................................45
4.6 Ảnh hưởng của vi khuẩn, acid acetic, glucose và sục khí ñến hàm lượng
phospho tổng (TP) ...............................................................................................47
4.7 Ảnh hưởng của vi khuẩn, acid acetic, glucose và sục khí ñến nhu cầu
oxi hóa học (COD)...............................................................................................49
4.8 Ảnh hưởng của vi khuẩn, acid acetic, glucose và sục khí ñến hàm lượng
Nitrite (NO2-) ......................................................................................................50
4.9 Ảnh hưởng của vi khuẩn, acid acetic, glucose và sục khí ñến hàm lượng
Nitrate (NO3-).......................................................................................................51
4.10 Ảnh hưởng của vi khuẩn, acid acetic, glucose và sục khí ñến tổng chất
rắn lơ lửng (TSS). ...............................................................................................52
4.11 Ảnh hưởng của acid acetic, glucose và sục khí ñến mật số vi khuẩn................54
CHƯƠNG V: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ....................................................................55
Chuyên ngành Công nghệ Sinh học
iv
Viện NC & PT Công nghệ Sinh học
Luận văn tốt nghiệp Đại học Khóa 2009 - 2013
Trường ĐHCT
5.1 Kết luận................................................................................................................55
5.2 Đề nghị.................................................................................................................55
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................56
PHỤ LỤC ..........................................................................................................................
Chuyên ngành Công nghệ Sinh học
v
Viện NC & PT Công nghệ Sinh học
Luận văn tốt nghiệp Đại học Khóa 2009 - 2013
Trường ĐHCT
DANH SÁCH BẢNG
Trang
Bảng 1. Đặc ñiểm nước thải chăn nuôi heo ở hộ dân......................................................3
Bảng 2: Thành phần nước thải chăn nuôi heo (sau biogas) ñầu vào .............................15
Bảng 3: Thành phần 1 lít môi trường nuôi vi khuẩn khử ñạm ......................................17
Bảng 4: Thành phần 1 lít môi trường lỏng nuôi vi khuẩn tích lũy polyphosphate .......18
Bảng 5. Nghiệm thức thí nghiệm ..................................................................................20
Bảng 6: Thành phần của dãy ñường chuẩn NH4+ ..........................................................23
Bảng 7: Thành phần của dãy ñường chuẩn P_P2O5 ......................................................25
Bảng 8: Đường chuẩn xác ñịnh nitrite bằng thuốc thử Sunfanilamide .........................34
Bảng 9. Giá trị giới hạn các thông số và nồng ñộ chất ô nhiễm theo QCVN
40:2011/BTNMT ................................................................................................35
Bảng 10: Hiệu suất xử lí ammonium (NH4+) trong nước thải chăn nuôi heo
(sau biogas) theo thời gian ở các nghiệm thức ....................................................39
Bảng 11: Mật số vi khuẩn ở các nghiệm thức có bổ sung vi khuẩn..............................54
Chuyên ngành Công nghệ Sinh học
vi
Viện NC & PT Công nghệ Sinh học
Luận văn tốt nghiệp Đại học Khóa 2009 - 2013
Trường ĐHCT
DANH SÁCH HÌNH
Trang
Hình 1. Chuỗi cấu trúc của polyphosphate......................................................................7
Hình 2. Tổ chức của các gen tham gia vào quá trình khử nitrate của vi khuẩn
Pseudomonas stutzeri ...........................................................................................8
Hình 3: Mô hình bố trí thí nghiệm xử lí nước thải chăn nuôi heo ở bình 10 lít ............21
Hình 4. Phương pháp ñếm sống và nhỏ giọt .................................................................26
Hình 5: Ảnh hưởng của vi khuẩn, glucose, acid acetic và sục khí ñến hàm
lượng ammonium (NH4+) theo thời gian ............................................................37
Hình 6: Ảnh hưởng của vi khuẩn, glucose, acid acetic và sục khí ñến hàm
lượng NH3 thoát ra theo thời gian ......................................................................41
Hình 7: Ảnh hưởng của vi khuẩn, glucose, acid acetic và sục khí ñến hàm
lượng phosphate hòa tan (PO43-) theo thời gian ở các nghiệm thức...................42
Hình 8: Ảnh hưởng của vi khuẩn, glucose, acid acetic và sục khí ñến pH
theo thời gian ở các nghiệm thức. ......................................................................43
Hình 9: Ảnh hưởng của vi khuẩn, acid acetic, glucose và sục khí ñến hàm
lượng nitơ tổng (TKN) .......................................................................................46
Hình 10: Ảnh hưởng của vi khuẩn, acid acetic, glucose và sụt khí ñến hàm
lượng phospho tổng (TP)..................................................................................47
Hình 11: Ảnh hưởng của vi khuẩn, acid acetic, glucose và sục khí ñến nhu
cầu oxi hóa học (COD).....................................................................................49
Hình 12: Ảnh hưởng của vi khuẩn, acid acetic, glucose và sục khí ñến hàm
lượng Nitrite (NO2-)..........................................................................................50
Hình 13: Ảnh hưởng của vi khuẩn, acid acetic, glucose và sụt khí ñến hàm
lượng Nitrate (NO3-) .........................................................................................51
Hình 14: Ảnh hưởng của vi khuẩn, acid acetic, glucose và sục khí ñến tổng
chất rắn lơ lửng (TSS) ......................................................................................53
Chuyên ngành Công nghệ Sinh học
vii
Viện NC & PT Công nghệ Sinh học
Luận văn tốt nghiệp Đại học Khóa 2009 - 2013
Trường ĐHCT
DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt
Từ ñược viết tắt
ATP
Adenosine triphosphate
ADP
Adenosine diphosphate
BOD
Biochemical Oxygen Demand
CFU
Colony forming unit
COD
Chemical Oxygen Demand
EDTA
Ethylene Diamin Tetra Aceticacid
MNP
Most Probable Number
OD
Optical Density
PAO
Phosphorus acccumulating organism
TKN
Total Kjeldahl Nitrogen
TP
Total Phosphorus
TSS
Total Suspended Solids
VSS
Volatile suspended solid
Chuyên ngành Công nghệ Sinh học
viii
Viện NC & PT Công nghệ Sinh học
Luận văn tốt nghiệp Đại học Khóa 2009 - 2013
Trường ĐHCT
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU
1.1 Đặt vấn ñề
Hiện nay, tốc ñộ ñô thị hóa nhanh cùng với sự phát triển mạnh mẽ của lĩnh vực
chăn nuôi, các ngành công nghiệp như chế biến thực phẩm, chế biến các sản phẩm
sinh học…tạo ra số lượng lớn chất thải rắn, nước thải. Các chất thải, nước thải ñưa ra
môi trường sẽ gây ảnh hưởng xấu ñến môi trường sống. Trong chất thải, nước thải có
rất nhiều thành phần như polysaccharide, các hợp chất nitơ hữu cơ và vô cơ,
phospho,…trong ñó, nitơ và phospho ñã ñược nhận ra là phân tử cơ bản của sự sống,
quan trọng trong việc kiểm soát sự phát triển của tảo và các loại thực vật nước trên các
dòng sông, các hồ và các vịnh nông gần bờ. Dòng thải xuất phát từ nước thải ñô thị và
nước thải công nghiệp ñưa vào trong nguồn nước bề mặt làm tăng thêm quá trình phú
dưỡng ở các hồ, ao…làm giảm lượng oxy trong nước ảnh hưởng xấu ñến ñời sống của
ñộng vật nước, làm giảm giá trị sử dụng của nước (Oldham et al., 2002; Jiang et al.,
2004).
Nguồn nước thải chăn nuôi heo là một nguồn nước thải có chứa nhiều hợp chất hữu
cơ, virus, vi trùng, trứng giun sán… Nguồn nước này có nguy cơ gây ô nhiễm các tầng
nước mặt, nước ngầm và trở thành nguyên nhân trực tiếp phát sinh dịch bệnh cho ñàn
gia súc. Đồng thời nó có thể lây lan một số bệnh cho con người và ảnh hưởng ñến môi
trường xung quanh vì nước thải chăn nuôi còn chứa nhiều mầm bệnh như: Samonella,
Leptospira, Clostridium tetani,…nếu không xử lý kịp thời. Bên cạnh ñó còn có nhiều
loại khí ñược tạo ra bởi hoạt ñộng của vi sinh vật như NH3, CO2, CH4, H2S, . . .Các
loại khí này có thể gây nhiễm ñộc không khí và nguồn nước ngầm ảnh hưởng ñến ñời
sống con người và hệ sinh thái.
Nhiều hộ chăn nuôi ñã ñầu tư xây dựng hầm khí sinh học biogas nhầm giảm thiểu ô
nhiễm môi trường nước và tận dụng nguồn phân thải. Nhưng thực tế, sau quá trình
phân hủy này các thành phần gây ô nhiễm môi trường vẫn còn ở mức cao. Với nồng
ñộ chất dinh dưỡng và chất hữu cơ vượt mức cho phép, nước thải ñầu ra của hầm
biogas (nước thải sau biogas) góp phần làm suy giảm môi trường của nguồn tiếp nhận,
kích thích sự phát triển của rong rêu, tảo,... gây ra hiện tượng phú dưỡng hóa
(eutrophication) làm bẩn nguồn nước, gây thiếu hụt oxy hòa tan (DO) trong nước, khí
Chuyên ngành Công nghệ Sinh học
1
Viện NC & PT Công nghệ Sinh học
Luận văn tốt nghiệp Đại học Khóa 2009 - 2013
Trường ĐHCT
ammoniac cao còn ñộc ñối với thủy sinh, hàm lượng nitrate cao sẽ gây nguy hại ñối
với môi trường và con người. Vì thế, việc tiếp tục xử lý nước thải sau biogas trước khi
thải ra môi trường là rất cần thiết và cần phải xử lý ñồng thời nhiều tác nhân gây ô
nhiễm, ñặc biệt là chất hữu cơ, nitơ và phospho.
Vì vậy việc ứng dụng vi khuẩn loại bỏ ñạm và vi khuẩn tích lũy polyphosphat ñể xử
lý nước thải chăn nuôi heo (sau biogas) là rất cần thiết.
1.2. Mục tiêu ñề tài
Sử dụng vi khuẩn khử ñạm và vi khuẩn tích lũy polyphosphate ñể chuyển hóa
amonium và orthophosphate trong xử lý nước thải chăn nuôi heo (sau biogas) ở qui mô
bình 10 lít
1.3 Nội dung nghiên cứu
Xác ñịnh nguồn dinh dưỡng thích hợp bổ sung vào nước thải chăn nuôi heo (sau
biogas) giúp vi khuẩn khử ñạm và vi khuẩn tích lũy polyphosphate có thể loại bỏ
ammonium và orthophosphate ñạt hiệu quả cao.
Chuyên ngành Công nghệ Sinh học
2
Viện NC & PT Công nghệ Sinh học
Luận văn tốt nghiệp Đại học Khóa 2009 - 2013
Trường ĐHCT
CHƯƠNG II: LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU
2.1. Tổng quan về nước thải chăn nuôi heo
2.1.1. Đặc ñiểm nước thải chăn nuôi heo
Nước thải chăn nuôi heo là hỗn hợp gồm: phân, nước tiểu và nước rửa
chuồng… một loại nước thải rất ñặc trưng có màu ñen hoặc xanh ñen, ñục và có mùi
hôi thối, ñặc biệt nó có khả năng gây ô nhiễm môi trường do có chứa hàm lượng cao
các chất hữu cơ, cặn lơ lửng, N, P và vi sinh vật gây bệnh. Theo kết quả ñiều tra ñánh
giá hiện trạng môi trường của Viện chăn nuôi (2006) tại các cơ sở chăn nuôi heo có
quy mô tập trung thuộc Hà Nội, Hà Tây, Ninh Bình, Nam Định, Quảng Nam, Bình
Dương, Đồng Nai cho thấy ñặc ñiểm của nước thải chăn nuôi heo như sau:
- Hợp chất hữu cơ: chiếm 70–80% bao gồm cellulose, protit, acid amin, chất
béo, hidrat carbon và các dẫn xuất của chúng, thức ăn thừa. Các chất vô cơ chiếm 20–
30% gồm cát, ñất, muối, urê, ammonium, muối chlorua, SO42-,…
- N và P: khả năng hấp thụ N và P của các loài gia súc, gia cầm rất kém, nên khi
ăn thức ăn có chứa N và P thì chúng sẽ bài tiết ra ngoài theo phân và nước tiểu. Trong
nước thải chăn nuôi heo thường chứa hàm lượng N và P rất cao. Hàm lượng N-tổng =
200 – 350 mg/l trong ñó N-NH4 chiếm khoảng 80-90%; P_tổng = 60-100mg/l.
- Các vi sinh vật gây bệnh: Nước thải chăn nuôi chứa nhiều loại vi trùng, virus và
trứng ấu trùng giun sán gây bệnh.
Bảng 1. Đặc ñiểm nước thải chăn nuôi heo ở hộ dân
TT
1
2
3
4
5
6
7
Thông
Đơn
số
vị
BOD5
mg/L
COD
mg/L
TSS
mg/L
VSS
mg/L
TKN
mg/L
T-P
mg/L
Fecal
colifrom MPN/100mL
Khoảng giá
trị
873 – 1690
1794 – 3871
1528 – 4521
955 – 2753
421 – 778
131 – 512
4,3x106 110x106
TB ± s
1297 ± 201
3022 ± 597
2674 ± 712
1674 ± 485
608 ± 87
342 ± 92
QCVN24:2009/
BTNMT(cột B)
50
100
100
30
6
21,7x106
-
(Nguồn: Nguyễn Thị Hồng và Phạm Khắc Liệu, 2012)
Chuyên ngành Công nghệ Sinh học
3
Viện NC & PT Công nghệ Sinh học
Luận văn tốt nghiệp Đại học Khóa 2009 - 2013
Trường ĐHCT
2.1.2. Hiện trạng ô nhiễm môi trường do chăn nuôi heo
Trong những năm gần ñây, ngành chăn nuôi heo phát triển với tốc ñộ rất nhanh
nhưng chủ yếu là tự phát và chưa ñáp ứng ñược các tiêu chuẩn kỹ thuật về chuồng trại
và kỹ thuật chăn nuôi. Do ñó năng suất chăn nuôi thấp và gây ô nhiễm môi trường một
cách trầm trọng. Ô nhiễm môi trường không những ảnh hưởng ñến sức khỏe vật nuôi,
năng suất chăn nuôi mà còn ảnh hưởng rất lớn ñến sức khỏe con người và môi trường
sống xung quanh. Mỗi năm ngành chăn nuôi gia súc gia cầm thải ra khoảng 75-85
triệu tấn phân, với phương thức sử dụng phân chuồng không qua xử lý ổn ñịnh và
nước thải không qua xử lý xả trực tiếp ra môi trường gây ô nhiễm nghiêm trọng.
Chất thải chăn nuôi tác ñộng ñến môi trường và sức khỏe con người trên nhiều
khía cạnh: gây ô nhiễm nguồn nước mặt, nước ngầm, môi trường khí, môi trường ñất
và các sản phẩm nông nghiệp. Đây chính là nguyên nhân gây ra nhiều căn bệnh về hô
hấp, tiêu hoá, do trong chất thải chứa nhiều vi sinh vật gây bệnh, trứng giun. Tổ chức y
tế thế giới (WHO) ñã cảnh báo: nếu không có biện pháp thu gom và xử lý chất thải
chăn nuôi một cách thỏa ñáng sẽ ảnh hưởng rất lớn ñến sức khỏe con người, vật nuôi
và gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Đặc biệt là các virus biến thể từ các dịch
bệnh như lở mồm long móng, dịch bệnh tai xanh ở lợn có thể lây lan nhanh chóng .
Cho ñến nay, chưa có một báo cáo nào ñánh giá chi tiết và ñầy ñủ về ô nhiễm
môi trường do ngành chăn nuôi gây ra. Theo báo cáo tổng kết hiện trạng môi trường
chăn nuôi ở một số tỉnh của viện chăn nuôi năm 2006, hầu hết các hộ chăn nuôi ñều ñể
nước thải chảy tự do ra môi trường xung quanh gây mùi hôi thối nồng nặc, ñặc biệt là
vào những ngày oi bức. Nồng ñộ khí H2S và NH3 cao hơn mức cho phép khoảng 30-40
lần . Tổng số vi sinh vật và bào tử nấm cũng cao hơn mức cho phép rất nhiều lần.
Ngoài ra nước thải chăn nuôi còn có chứa Coliform, E.coli, COD..., và trứng giun sán
cao hơn rất nhiều lần so với tiêu chuẩn cho phép.
Ô nhiễm môi trường khu vực trại chăn nuôi do sự phân huỷ các chất hữu cơ có
mặt trong phân và nước thải của heo. Sau khi chất thải ra khỏi cơ thể của heo thì các
chất khí ñã lập tức bay lên, khí thải chăn nuôi bao gồm hỗn hợp nhiều loại khí trong ñó
có trên 40 loại gây mùi, chủ yếu là H2S và NH3. Trong ñiều kiện kỵ khí cộng với sự có
mặt của vi khuẩn trong phân và nước thải xảy ra quá trình khử các ion sunphate (SO42-
Chuyên ngành Công nghệ Sinh học
4
Viện NC & PT Công nghệ Sinh học
Luận văn tốt nghiệp Đại học Khóa 2009 - 2013
Trường ĐHCT
) thành sunphur (S2-). Trong ñiều kiện bình thường thì H2S là một trong những nguyên
nhân gây ra các vấn ñề về màu và mùi. Nồng ñộ S2- tại hố thu nước thải chăn nuôi lợn
có thể lên ñến 330mg/l cao hơn rất nhiều so với tiêu chuẩn (theo TCVN 5945-2005 cột
C nồng ñộ sunfur là 1,0mg/l).
2.2 Sơ lược về nitơ và phospho
2.2.1. Sơ lược về nitơ
Nitơ là thành phần bắt buộc của các acid amin, protein, acid nucleic, các
photpholipid, các hợp chất cao năng (ATP, ADP…), các coenzyme (NAD, FAD…),
một số vitamin, diệp lục, một số hormon và nhiều hợp chất hữu cơ khác. Đó là cơ sở
phân tử của mọi cấu trúc và mọi chức năng của tế bào và cơ thể, ñảm bảo duy trì và
phát triển sự sống.
Nitơ trong khí quyển tồn tại dưới dạng khí N2 và chiếm khoảng 79% thể tích
không khí. Mặc dù sống trong "ñại dương Nitơ" nhưng thực vật nói chung không có
khả năng ñồng hóa trực tiếp ñược.
Trong môi trường sống, nitơ tồn tại dưới 2 dạng:
- Đạm tự do trong khí quyển (N2). Dạng này cây không thể sử dụng ñược.
- Dạng các hợp chất nitơ hữu cơ và vô cơ.
+ Hợp chất nitơ vô cơ trong các muối ammonium (NH4+), muối nitrate (NO3- )
+ Nitơ hữu cơ của các protein ở dạng xác bã ñộng vật, thực vật chưa phân giải
hoàn toàn, ở dưới dạng mùn protein.
Tất cả các nitrate trong ñất, hay trong các nguồn nước như ao, hồ, ruộng...ñều
ñược tạo thành do hoạt ñộng sống của vi khuẩn nitrite hóa và vi khuẩn nitrate hóa.
Còn các vi khuẩn amon (ammonium) hóa cũng phát triển mạnh, chúng phân giải
protein của các xác bã ñộng, thực vật và vi sinh vật, bổ sung lượng dự trữ amon cho
ñất.
Riêng nguồn nitơ phân tử của khí quyển (N2) chỉ có nhóm vi sinh vật ñất mới
có khả năng ñồng hóa nguồn nitơ này.
Chuyên ngành Công nghệ Sinh học
5
Viện NC & PT Công nghệ Sinh học
Luận văn tốt nghiệp Đại học Khóa 2009 - 2013
Trường ĐHCT
Ngoài ra nhờ các quá trình tổng hợp hóa học khi có sự phóng ñiện trong các
cơn giông mà từ N2 có thể hình thành các dạng NO2-, NO3-, NH4+. Tuy nhiên
nguồn này ít quan trọng vì chỉ cung cấp một lượng nhỏ.
2.2.2 Sơ lược về phospho
Phospho là chất dinh dưỡng chủ yếu cần cho tất cả các tế bào sống, phospho
cấu tạo nên adenosine triphosphate (ATP), acid nucleic (DNA và ARN), phospholipid,
acid teichoic, acid teichuronic. ATP là phân tử giàu năng lượng, ñược dùng ñể vận
chuyển năng lượng trong tế bào. Phospholipid là thành phần quan trọng trong cấu trúc
của màng tế bào. Acid teichoic, acid teichuronic là thành phần quan trọng trong cấu
trúc vách tế bào vi khuẩn gram dương. Phospho còn ñược dự trữ trong tế bào như là
hạt nhỏ volutin hay polyphosphatex
Phospho có thể chiếm từ 1 - 3% trọng lượng khô của vi khuẩn.
Phospho có thể tồn tại ở dạng hữu cơ hoặc vô cơ.
Dạng vô cơ của phospho gồm orthophosphate và polyphosphate.
+ Orthophosphate có giá trị ñối với sự chuyển hóa sinh học mà không cần có
thêm sự bẻ gãy, ñược coi như là chất dinh dưỡng phospho có giá trị cho vi khuẩn sử
dụng trong các hệ thống xử lí nước thải và cho thực vật thủy sinh trong nước tự nhiên.
Orthophosphate bao gồm PO43-, HPO42-, H2PO4- và H3PO4. Dạng orthophosphate phổ
biến nhất trong các hệ thống xử lí nước thải là HPO42-, H2PO4-. Số lượng của mỗi dạng
là tùy thuộc vào pH. Trong hầu hết các hệ thống xử lí nước thải, HPO42-, H2PO4- là
dạng nổi trội ở giá trị pH lớn hơn 7.
+ Polyphosphate là phân tử phức hợp với hai hay nhiều nguyên tử phospho,
nguyên tử oxi và có thể có nguyên tử hydro, polyphosphate ñược thể hiện bằng công
thức hóa học của ion pyrophosphate (P2O73-), pyrophosphate là thành phần ñầu tiên
trong chuỗi polyphosphate không phân nhánh ( P2O73-, P3O105-….). Polyphosphate trải
qua sự thủy phân rất chậm và phóng thích orthophosphate, sự thủy phân có thể ñược
thực hiện bằng phương pháp hóa học hoặc bằng sinh học nhờ vi khuẩn và tảo. Sự thủy
phân của polyphosphate chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố bao gồm thời gian và pH
trong bình phản ứng hiếu khí, dạng chính của orthophosphate ñạt ñược từ sự thủy phân
là tùy thuộc vào pH (Gerardi, 2006).
Chuyên ngành Công nghệ Sinh học
6
Viện NC & PT Công nghệ Sinh học
Luận văn tốt nghiệp Đại học Khóa 2009 - 2013
Trường ĐHCT
Hình 1. Chuỗi cấu trúc của polyphosphate
(Nguồn: www.dairyscience.info/industrial...sms.html, ngày 22/11/2012)
+ Nhờ vào tính ổn ñịnh của nước, Polyphosphate còn dễ dàng tách khoáng như
là aluminum, calcium, và iron.
Phosphate (Pi) có thể gắn với các hợp chất hữu cơ gọi là phospho hữu cơ.
Những hợp chất phospho hữu cơ thì ít quan trọng trong nước thải chăn nuôi nhưng nó
trở nên ñáng lo ngại trong nước thải công nghiệp và bùn, những dạng chất hữu cơ phổ
biến của phospho gồm inositol phosphate, acids nucleic, phospholipid, và phytin.
Phytin là acid hữu cơ tìm thấy ở bắp và ñậu nành rất khó phân hủy.
Phospho tổng bao gồm phospho hữu cơ và phospho vô cơ. Nguồn chủ yếu của
phospho thải ra ñối với hệ thống xử lí nước thải ñô thị bao gồm nước thải của con
người, thuốc tẩy rửa và nước thải công nghiệp. Orthophosphate chiếm từ 50 - 70%
phospho tổng, trong khi polyphosphate và phospho hữu cơ chiếm từ 30 - 50% phospho
tổng (Gerardi, 2006).
2.3 Sơ lược về vi khuẩn khử ñạm và vi khuẩn tích lũy polyphosphate
2.3.1 Sơ lược về vi khuẩn khử ñạm Pseudomonas stutzeri
Giới: Bacteria
Ngành: Proteobacteria
Lớp: Gamma Proteobacteria
Bộ: Pseudomonadales
Họ: Pseudomonadaceae
Chi: Pseudomonas
Loài: Pseudomonas stutzeri
(Nguồn: http://en.wikipedia.org/wiki/Pseudomonas_stutzeri, ngày 20/12/2012)
Chuyên ngành Công nghệ Sinh học
7
Viện NC & PT Công nghệ Sinh học
Luận văn tốt nghiệp Đại học Khóa 2009 - 2013
Trường ĐHCT
Giống Pseudomonas là một trong những giống vi khuẩn ña dạng có vai trò ñặc
biệt quan trọng trong các chu trình carbon và nitơ. Pseudomonas stutzeri là thành viên
nổi bật của giống này. P. stutzeri ñầu tiên ñược phân lập bởi Burri và Stutzer (1895),
có tên gọi là Bacillus denitrificans II, sau ñó ñổi tên thành Pseudomonas stutzeri bởi
Niel và Allen. Van Niel và Allen (1952) mô tả vi khuẩn P. stutzeri có dạng hình que,
khử ñược nitơ. Khuẩn lạc có dạng nhăn nheo, khô khan và bám chặt với nhau. P.
stutzeri là vi khuẩn gram âm, hình que, có roi và di chuyển ñược, không tạo bào tử và
là loài vi khuẩn hiếu khí. Vi khuẩn P. stutzeri có giới hạn nhiệt ñộ rất rộng, từ 40C ñến
450C, tùy thuộc vào ñặc tính riêng của từng dòng (Lalucat et al., 2006). Khả năng khử
nitrate của Pseudomonas stutzeri cơ bản dựa trên toàn bộ các gen mã hóa cho các
enzyme dị hóa nitrat (dissimilatory reductase) chứa bên trong. Chúng bao gồm: gen
nar (nitrate reductase), gen nir (nitrite reductase), gen nor (nitric oxide reductase) và
gen nos (nitrous oxide reductase) (Lalucat et al., 2006). Tổ chức của toàn bộ các gen
này trong vi khuẩn Pseudomonas stutzeri ñược trình bày trong Hình 3.
Hình 2. Tổ chức của các gen tham gia vào quá trình khử nitrate của vi khuẩn
Pseudomonas stutzeri ( Nguồn: Lalucat et al., 2006)
Vi khuẩn P. stutzeri có khả năng loại trừ nitơ từ NO3- giải phóng N2, chúng có
thể tăng trưởng trong ñường maltose và tinh bột (Bennasar et al, 1998). P. stutzeri
ñược tìm thấy trong nước, ñất là loài có tính ña dạng sinh học cao, sống không kiên
ñịnh và phân bố rộng rải khắp vùng ñịa lý (Zumft, W.G., 1997). P. stutzeri có khả
năng khử nitơ theo nhiều con ñường khác nhau, khử nitrate thành N2 mà không có sự
tích lũy nitrite, khử nitrate theo hai bước (khử NO3- thành NO2- và khử NO2- thành N2),
khử nitrate với sự tích tụ nitrite ở nồng ñộ thấp (Su et al, 2001). Sự biến ñổi nitrite là
một bước quan trọng trong chu trình nitrogen, trong ñó NO2 bị khử thành NO sau ñó
thành N2. Hầu hết các enzyme khử nitơ của P. stutzeri ñược nghiên cứu bao quát.
Enzyme khử nitrate và nitrite thể hiện khi nồng ñộ oxy hòa tan không vượt quá 5% và
Chuyên ngành Công nghệ Sinh học
8
Viện NC & PT Công nghệ Sinh học
Luận văn tốt nghiệp Đại học Khóa 2009 - 2013
Trường ĐHCT
2,5%, trong khi ñó enzyme khử nitrous oxide hiện diện khi nồng ñộ oxy không cao
hơn 5% (Korner và Walter G. Zumft, 1989). Ở nồng ñộ oxy bão hòa các chất nhận
ñiện tử có nguồn gốc nitơ không bị ảnh hưởng trên sự hiện diện enzyme khử nitơ của
vi khuẩn P. stutzeri. Ở nồng ñộ oxy bão hòa 27%, nitrate kích thích sự thể hiện hầu hết
các enzyme khử nitrate và thể hiện ñáng kể enzyme khử nitrite, nitrous oxide (Korner
và Walter G. Zumft, 1989).
2.3.2 Sơ lược về vi khuẩn tích lũy polyphosphate Bacillus subtilis
Giới: Bacteria
Ngành: Firmicutes
Lớp: Bacilli
Bộ: Bacillales
Họ: Bacillaceae
Chi: Bacillus
Loài: Bacillus subtilis
(Nguồn: http://en.wikipedia.org/wiki/Bacillus_subtilis, ngày 26/12/2012).
Vi khuẩn Bacillus subtilis ban ñầu ñược ñặt tên là Vibrio subtilis bởi Ehrenberg
vào năm 1835 và ñến năm 1872 ñược ñổi tên thành Bacillus subtilis bởi Ferdinand
Cohn (Nguồn: http://en.wikipedia.org/wiki/Bacillus_subtilis, ngày 26/12/2012).
Bacillus subtilis là trực khuẩn Gram dương, hình que (dài 2 – 3 µm, rộng 0,7 0,8 µm), có khả năng sinh bào tử, hiếu khí và kỵ khí không bắt buộc, phân bố rộng
khắp trong môi trường nhưng tập trung nhiều nhất trong ñất (Nguyễn Đức Lượng,
2004).
Một trong những ñặc ñiểm quan trọng của Bacillus subtilis là khả năng tạo bào
tử trong những ñiều kiện nhất ñịnh. Bacillus subtilis có khả năng hình thành bào tử
trong chu trình phát triển tự nhiên hoặc khi vi khuẩn gặp ñiều kiện bất lợi (dinh dưỡng
trong môi trường bị kiệt quệ, nhiệt ñộ không thích hợp,…) (Tô Minh Châu, 2000).
Vi khuẩn Bacillus subtilis là loài hiếu khí ngoại trừ sự hiện diện của glucose và
nitrate, một số tăng trưởng kỵ khí có thể xảy ra. Bacillus subtilis phát triển tối ưu trong
khoảng nhiệt ñộ 25 – 350C.
Chuyên ngành Công nghệ Sinh học
9
Viện NC & PT Công nghệ Sinh học
- Xem thêm -