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

i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRẦN THỊ THU LAN NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VI SINH VẬT BẢN ĐỊA ĐỂ XỬ LÝ NƯỚC THẢI TRONG GIẾT MỔ GIA SÚC TẬP TRUNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ SINH HỌC HÀ NỘI – 2017 ii BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRẦN THỊ THU LAN NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VI SINH VẬT BẢN ĐỊA ĐỂ XỬ LÝ NƯỚC THẢI TRONG GIẾT MỔ GIA SÚC TẬP TRUNG Chuyên ngành: Công nghệ sinh học Mã số: 62420201 LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ SINH HỌC HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS. TS. Nguyễn Văn Cách HÀ NỘI – 2017 i LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới GS. TS. Nguyễn Văn Cách người Thầy đã hướng dẫn và giúp tôi định hướng trong nghiên cứu khoa học, trợ giúp tài chính phục vụ nghiên cứu trong suốt thời gian thực hiện luận án. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tập thể cán bộ phòng Công nghệ xử lý nước, Viện Công nghệ môi trường, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Đây không chỉ là nơi đào tạo giúp tôi trưởng thành hơn trong hoạt động nghiên cứu khoa học mà còn là nơi để tôi chia sẻ những khúc mắc gặp phải trong quá trình thực hiện luận án. Lãnh đạo phòng đã tạo điều kiện về mặt thời gian và trang thiết bị để tôi thực hiện trong suốt quá trình làm luận án. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến chủ nhiệm đề tài KC 08.04, TS. Đỗ Tiến Anh, Viện Khoa học khí tượng thủy văn đã hỗ trợ kinh phí và thiết bị thí nghiệm cho các nội dung nghiên cứu thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn đến các thầy cô của bộ môn vi sinh- hóa sinh- sinh học phân tử, Viện Công nghệ sinh học và Thực phẩm, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, những kiến thức mà tôi được tiếp thu, tích lũy trong suốt thời gian học tập tại đây từ khi là một sinh viên đại học là nền tảng không thể thiếu để tôi có đủ khả năng tiếp thu, trau dồi kiến thức mới phục vụ cho các nghiên cứu trong luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô của Viện đào tạo sau đại học đã giúp đỡ và hướng dẫn tận tình cho tôi các mẫu giấy tờ văn bản trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận án. Để hoàn thành luận án này không thể không nhắc tới sự hỗ trợ và khuyến khích về tinh thân của những người thân trong gia đình và bạn bè. Hà Nội, ngày........tháng/ năm 2017 Tác giả luận án ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa sử dụng để bảo vệ một học vị nào, chưa được ai công bố trong bất kì một công trình nghiên cứu nào. Hà nội, ngày ...........tháng ............năm 2017 Tác giả luận án iii MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG MỞ ĐẦU ..................................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .................................................................................................... 4 1.1. Hiện trạng giết mổ gia súc ................................................................................................ 4 1.1.1. Hiện trạng quy trình giết mổ và nguồn phát thải chất thải trong quá trình giết mổ gia súc ................................................................................................................................... 4 1.1.2. Đặc tính nước thải và nguồn thải ngành giết mổ gia súc ............................................. 6 1.2. Các công nghệ xử lý nước thải giết mổ ............................................................................ 9 1.2.1. Phương pháp cơ học và hóa lý ..................................................................................... 9 1.2.1.1. Phương pháp cơ học .............................................................................................. 9 1.2.1.2. Phương pháp hóa lý ............................................................................................ 10 1.2.2. Phương pháp sinh học ................................................................................................ 10 1.2.2.1. Phương pháp sinh học kị khí ............................................................................... 10 1.2.2.2. Phương pháp hiếu khí ......................................................................................... 11 1.2.3. Các nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải giết mổ gia súc ....................................... 13 1.2.3.1. Các công nghệ nghiên cứu và áp dụng tại các cơ sở giết mổ trên thế giới ......... 13 1.2.3.2. Tình hình nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải giết mổ gia súc của Việt Nam16 1.2.4. Giải pháp công nghệ xử lý có khai thác chất ô nhiễm trong bể xử lý sinh học tích hợp đa chức năng ......................................................................................................................... 18 1.2.4.1. Nguyên lý hoạt động bể tích hợp năm chức năng ............................................... 18 1.2.4.2. Giải pháp công nghệ này đã được kiểm nghiệm công nghệ thành công tại các nguồn nước thải khác nhau: ............................................................................................. 20 1.3. Giải pháp công nghệ xử lý nước thải ngành giết mổ gia súc bằng phương pháp sinh học ..................................................................................................................................... 21 1.3.1. Cơ sở khoa học của phương pháp xử lý sinh học ....................................................... 21 1.3.2. Cơ sở lý thuyết loại bỏ hợp chất hữu cơ, nitơ trong nước .......................................... 22 1.3.3. Giải pháp công nghệ xử lý bằng bùn hoạt tính........................................................... 24 1.3.4. Chế phẩm vi sinh vật trong xử lý nước thải ............................................................... 28 iv 1.3.4.1. Vi sinh vật trong nước thải ................................................................................. 28 1.3.4.2. Vi khuẩn thuộc chi Bacillus ................................................................................ 28 1.3.4.3. Mục tiêu phân lập chọn chủng vi sinh vật .......................................................... 29 1.3.4.4. Tổng quan về chế phẩm vi sinh .......................................................................... 31 1.3.4.5. Các nghiên cứu ứng dụng chế phẩm VSV .......................................................... 33 1.4. Định hướng nghiên cứu và phát triển giải pháp công nghệ của Luận án .................. 35 1.4.1. Cơ sở khoa học trong xây dựng hướng nghiên cứu của Luận án ............................... 35 1.4.2. Hướng phân giải protein ............................................................................................. 37 1.4.3. Tổng hợp các hướng phát triển công nghệ trong luận án ........................................... 38 CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ....................................... 41 2.1. Vật liệu .............................................................................................................................. 41 2.1.1. Đối tượng nghiên cứu ................................................................................................. 41 2.1.2. Hoá chất thí nghiệm ................................................................................................... 41 2.1.3. Thiết bị phân tích ........................................................................................................ 41 2.1.4. Môi trường.................................................................................................................. 42 2.2. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................................ 42 2.2.1. Phương pháp lấy mẫu ................................................................................................. 42 2.2.2. Phương pháp xác định các chỉ tiêu trong nước .......................................................... 43 2.2.3. Phương pháp vi sinh vật ............................................................................................. 43 2.2.3.1. Phân lập ............................................................................................................... 43 2.2.3.2. Phương pháp tuyển chọn ..................................................................................... 44 2.2.4. Phương pháp định danh bằng phương pháp truyền thống .......................................... 46 2.2.4.1. Thử hoạt tính catalase ......................................................................................... 46 2.2.4.2. Khả năng sử dụng một số loại đường ................................................................. 47 2.2.5. Phương pháp định danh bằng phương pháp sinh học phân tử ................................... 47 2.2.5.1. Tách DNA tổng số từ vi khuẩn ........................................................................... 47 2.2.5.2. Nhân khuyếch đại gen bằng phản ứng PCR ....................................................... 48 2.2.5.3. Tinh sạch sản phẩm PCR .................................................................................... 48 2.2.5.4. Xác định trình tự chuỗi nucleotid và so sánh tương quan trình tự gen ............... 48 2.2.6. Tạo chế phẩm ............................................................................................................. 49 2.2.6.1. Khảo sát các điều kiện lên men thu sinh khối của chủng ................................... 49 2.2.6.2. Lên mem thu sinh khối của các chủng VSV tuyển chọn để tạo chế phẩm ......... 50 v 2.2.6.3. Phương pháp tạo chế phẩm ................................................................................. 50 2.2.7. Phương pháp xử lý nước thải giết mổ gia súc quy mô phòng thí nghiệm .................. 52 2.2.7.1. Phương pháp hiếu khí theo mẻ quy mô bình 5L ................................................. 52 2.2.7.2. Phương pháp xử lý hiếu khí bán liên tục quy mô 35L ........................................ 53 2.2.8. Phương pháp xử lý nước thải giết mổ gia súc quy mô pilot hiện trường 20 m3/ngày 57 2.2.8.1. Xác định thời gian khởi động của bể tích hợp năm chức năng ........................... 57 2.2.8.2. Xác định hiệu suất xử lý COD trong các chế độ ................................................. 57 2.2.8.3. Xác định hiệu suất xử lý TN trong các chế độ .................................................... 58 2.2.8.4. Đánh giá tính ổn định của chế phẩm ................................................................... 58 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................................................................ 59 3.1. Khảo sát đặc trưng nước thải giết mổ gia súc của một số cơ sở khu vực Hà Nội ...... 59 3.1.1. Cơ sở giết mổ Thịnh An ............................................................................................. 59 3.1.2. Cơ sở giết mổ trâu bò Khắc Ngoan ............................................................................ 60 3.2. Phân lập, tuyển chọn vi khuẩn thích ứng để xử lý nước thải giết mổ gia súc ............ 63 3.2.1. Phân lập vi khuẩn ....................................................................................................... 63 3.2.2. Tuyển chọn các chủng vi khuẩn phân lập .................................................................. 64 3.2.2.1. Kiểm tra năng lực phân giải cơ chất của các chủng phân lập ............................. 64 3.2.2.2. Khả năng sinh trưởng, phát triển của các chủng tuyển chọn .............................. 65 3.2.2.3. Năng lực loại bỏ COD trong nước thải giết mổ gia súc của các chủng tuyển chọn67 3.2.3. Định tên các chủng vi sinh vật tuyển chọn ................................................................. 70 3.2.3.1. Đặc điểm hình thái, sinh lý, sinh hóa của các chủng .......................................... 71 3.2.3.2. Định tên chủng bằng phương pháp sinh học phân tử ......................................... 73 3.3. Thử nghiệm tạo chế phẩm vi sinh vật ............................................................................ 76 3.3.1. Thử nghiệm xác định các điều kiện lên men thu sinh khối vi khuẩn ......................... 76 3.3.1.1. Lựa chọn môi trường thích hợp .......................................................................... 77 3.3.1.2. Ảnh hưởng của pH đến môi trường .................................................................... 78 3.3.1.3. Nhu cầu oxy hòa tan đến năng lực phát triển sinh khối vi sinh vật .................... 80 3.3.1.4. Ảnh hưởng của tỷ lệ cấp giống đến năng lực phát triển sinh khối VSV ............. 80 3.3.1.5. Trạng thái sinh trưởng và phát triển của các chủng đã tuyển chọn..................... 82 3.3.2. Tạo chế phẩm ............................................................................................................. 83 3.3.2.1. Khả năng xử lý nước thải giết mổ gia súc của các chủng tuyển chọn ................ 83 3.3.2.2. Kiểm định đặc tính chủng trong môi trường thực............................................... 86 vi 3.3.3. Tạo chế phẩm vi sinh vật xử lý nước thải giết mổ gia súc ......................................... 87 3.3.3.1. Kiểm tra sự tương hỗ của các chủng vi khuẩn thí nghiệm .................................. 87 3.3.3.2. Quy trình công nghệ tạo chế phẩm vi sinh vật .................................................... 87 3.3.3.3. Sơ đồ quy trình công nghệ tạo chế phẩm vi sinh vật .......................................... 90 3.4. Thử nghiệm ứng dụng chế phẩm trong xử lý nước thải giết mổ gia súc quy mô phòng thí nghiệm .................................................................................................................... 90 3.4.1. Thử nghiệm ứng dụng chế phẩm trong xử lý nước thải giết mổ gia súc bằng phương pháp hiếu khí theo mẻ trên quy mô bình 5L ........................................................................ 90 3.4.1.1. Năng lực xử lý COD ........................................................................................... 91 3.4.1.2. Năng lực xử lý nitơ tổng ..................................................................................... 92 3.4.1.3. Xác định MLSS qua các mẻ xử lý ...................................................................... 94 3.4.1.4. Diến biến chất ô nhiễm theo thời gian xử lý của chế phẩm ................................ 96 3.4.2. Xử lý nước thải giết mổ bằng phương pháp hiếu khí bán liên tục quy mô 35 L........ 97 3.4.2.1. Chỉ số thể tích bùn lắng (SVI) ............................................................................ 97 3.4.2.2. Ảnh hưởng của tải lượng đến hiệu suất xử lý ..................................................... 99 3.4.2.3. Ảnh hưởng của MLSS đến hiệu suất xử lý ....................................................... 102 3.4.2.4. Đánh giá chất lượng bùn thải ............................................................................ 103 3.5. Thử nghiệm năng lực xử lý của chế phẩm ngoài hiện trường trên mô hình xử lý quy mô pilot 20 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 LUẬN111 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 phản ứng Mixed Liquor Volatile Suspended 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 động vật giết mổ Live Weight Kilogram SWW Nước thải lò mổ Slaughterhouse wastewater VSV Vi Sinh Vật Microorganism vii 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