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

  • Số trang: 143 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 443 |
  • Lượt tải: 0
dangvantuan

Tham gia: 02/08/2015

Mô tả:

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 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 Chuyên ngành: Công nghệ sinh học Mã số: 62420201 LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ SINH HỌC HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS. TS. Nguyễn Văn Cách HÀ NỘI – 2017 ii 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/ Tác giả luận án i năm 2017 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 ii 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 iii 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 iv 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 v 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 m3/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 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT Kí hiệu Tiếng Việt Tiếng Anh ATTP An toàn thực phẩm Food safety BOD5 Nhu cầu oxy sinh hóa sau 5 ngày Biochemical oxygen Demand COD Nhu cầu oxy hóa học Chemical Oxygen Demand CSGM Cơ sở giết mổ Cattle slaughterhouse DO Oxy hòa tan Dissolved Oxygen F/M Thức ăn/mật độ vi sinh Food/Microorganism 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 Mixed Liquor Volatile Suspended phản ứng Solid OLR Tải trọng hữu cơ Organic Loading Rate SBAR Thiết bị khí nâng hoạt động theo mẻ Sequencing Batch Airlift Reactor SBR Bể phản ứng hoạt động theo mẻ Sequencing Batch Reactor SS Cặn lơ lửng Suspended Solid SV30 Thể tích bùn lắng sau 30 phút SVI Chỉ số thể tích bùn Sludge Volume Iudex TN Tổng nitơ Total nitrogen TP Tổng phốt pho Total phosphorus TSS Tổng cặn lơ lửng Total Suspendid Solid KBSCP Không bổ sung chế phẩm Unbioaugmentation BSCP Bổ sung chế phẩm Bioaugmentation LWK Tổng khối lượng thịt trên tổng số Live Weight Kilogram động vật giết mổ SWW Nước thải lò mổ Slaughterhouse wastewater VSV Vi Sinh Vật Microorganism vi 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 vii 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 OD600nm 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 NO3+NO2 và NH4 .......................................... 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 viii 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 ix 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 1 trong bối cảnh hiện nay. 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. 2 - 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. 3 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 Trâu bò đang sống Thu mua Nước Giết mổ Nước thải: chứa máu, mỡ, tạp chất, BOD, COD,... cao CTR: lông, phân, .... Khí thải: khí than chứa bụi, CO, SO2, NOx,... Xương Thịt Than Muối, Vôi Muối da Sơ chế . Nước thải Bán sản xuất thức ăn & đồ mỹ nghệ Tiêu thụ Bán 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 4 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] 5 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 6 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. 7 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 pH mg/L Đơn vị Masse, D.I dan L. Masse (2000) [67] Pozo,R.D và cộng sự (2005) Kobya, M và công sự (2006) [58] Batstone và cộng sự (2000) Fuchs và cộng sự (2003) [47] Manjunath và cộng sự (2008) [24] Budiyono và cộng sự (2011) [34] BOD5 mg/L 7,1 COD mg/L SS mg/L TN mg/L N-NH4 mg/L Protein mg/L 11.500 2.658 735 221 3.213 190 7,2 900 1.820 430 7,2 11.000 27.500 1.020 7,2 - 8.200 1.130 - 46,5 7,2 6.000 12.975 3.550 381 221,5 7,2 2.250 4.175 1.300 120 - 1,873± 421 3,756 ± 687 1171 ± 212 ± 3,03 311 106 1,77 ± 1.303 ± 653 Bảng 1.2. Đặc trưng nước thải giết mổ gia súc trên Việt Nam [12] Chỉ tiêu Đơn vị Xí nghiệp Chế biến thực phẩm I (Ninh Kiều, Cần Thơ) (1) Cơ sở Tân Phú Trung (Củ Chi) (2) Phường Xuân Phú (Huế) (3) QCVN 40:2011/BTN MT (cột B) - 150 Độ màu Pt-Co - pH Pt-Co 7,2 ± 0,04 6,4 6,5 - 8,0 5,5 - 9 TSS mg/l 476 ± 56,97 270 484 - 512 100 COD mg/l 1886,4 ± 94,98 940 2420 3200 150 BOD5 (20oC) mg/l 928,5 ± 12,26 600 925 1156 50 TN mg/l 143,5 ± 8,0 63,3 168 - 172 40 TP mg/l 24,4 ± 1,69 6,1 - 6 Amoni mg/l - 55,6 -78,2 10 PO43—P mg/l - - - Độ đục NTU - - - Tổng dầu mỡ khoáng mg/l - - 10 Coliform vi khuẩn/100 ml - - 5000 4,6.108 8
- Xem thêm -