Nghiên cứu tạo chế phẩm vi sinh và bước đầu ứng dụng trong xử lý nước thải là giết mổ trên mô hình lọc sinh học dùng bung ngược (USBF).

Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC NGUYỄN THẾ TRUNG NGHIÊN CỨU TẠO CHẾ PHẨM VI SINH VÀ BƯỚC ĐẦU ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC

Trang 1

Số hóa bởi trung tâm học liệu http://lrc.tnu.edu.vn/

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

NGUYỄN THẾ TRUNG

NGHIÊN CỨU TẠO CHẾ PHẨM VI SINH

VÀ BƯỚC ĐẦU ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI

LÒ GIẾT MỔ TRÊN MÔ HÌNH LỌC SINH HỌC

DÒNG BÙN NGƯỢC (USBF)

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ SINH HỌC

Thái Nguyên - 2013

Trang 2

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

NGUYỄN THẾ TRUNG

NGHIÊN CỨU TẠO CHẾ PHẨM VI SINH

VÀ BƯỚC ĐẦU ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI

LÒ GIẾT MỔ TRÊN MÔ HÌNH LỌC SINH HỌC

Trang 3

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng các số liệu và kết quả trong báo cáo này là trung thực

và chƣa hề đƣợc sử dụng trong bất kì một bài báo khoa học nào

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện báo cáo này đã đƣợc cảm ơn và ghi rõ nguồn gốc

Hà Nội, tháng 8 năm 2013 Học viên thực hiện

Trang 4

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, với tất cả tấm lòng, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành, sâu sắc tới TS Phí Quyết Tiến và nhóm nghiên cứu đã tận tình hướng dẫn và dìu dắt tôi trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn

ộ Phòng Công nghệ lên men, Viện Công nghệ sinh học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam - những người đã giúp đỡ và chỉ bảo tôi tận tình trong quá trình thực hiện luận văn của mình

Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy cô Viện sau đại học – Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tậ

Bên cạnh đó, tôi xin cảm ơn những người thân trong gia đình và bạn bè đã tạo điều kiện động viên giúp đỡ tôi cả về vật chất và tinh thần để tôi có thể hoàn thành bản luận văn này

Với lòng biết ơn sâu sắc, tôi xin chân thành cảm ơn tất cả sự giúp đỡ quý báu đó!

Hà Nộ 28 tháng 08 năm 2013

Học viên

Nguyễn Thế Trung

Trang 5

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

A2/O Araerobic/anoxic/oxic (kỵ khí/thiếu khí/hiếu khí)

A/O Anoxic/oxic (thiếu khí/hiếu khí)

BOD Nhu cầu oxy sinh hóa (Biochemical Oxygen Demand)

BOD5 Nhu cầu oxy sinh hóa trong 5 ngày

COD Nhu cầu oxy hóa học (Chemical Oxygen Demand)

CRT Chất thải rắn

DO Hàm lượng oxy hòa tan trong nước (Dissolved Oxygen)

E.M Các vi sinh vật hữu hiệu – (Effective Microorganisms)

EPA Cục Bảo vệ Môi trường Mỹ

FAO Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên Hiệp Quốc

GAC Carbon hoạt tính (Granular Activated Carbon)

HRT Thời gian lưu thủy lực (Hydraulic Retention Time)

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

UASB Bể xử lý sinh học dòng chảy ngược qua tầng bùn kỵ khí (Upflow

Trang 6

Anearobic Sludge Blanket) USBF Lọc dòng ngƣợc bùn sinh học (Upflow Sludge Blanket Filtration)

Trang 7

MỤC LỤC

MỤC LỤC v

DANH MỤC CÁC BẢNG viii

DANH MỤC CÁC HÌNH ix

A MỞ ĐẦU 1

B NỘI DUNG 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 4

1.1 Đặc tính nước thải giết mổ 4

1.2 Đánh giá tình trạng xử lý nước thải giết mổ 6

1.2.1 Tình trạng xử lý nước thải lò giết mổ trên thế giới 6

1.2.2 Tình trạng xử lý nước thải lò giết mổ ở Việt Nam 9

1.3 Các phương pháp xử lý nước thải giết mổ 11

1.3.1 Phương pháp lý học 11

1.3.2 Phương pháp xử lý hóa lý 12

1.3.3 Phương pháp sinh học 13

1.4 Các nhóm vi sinh vật ứng dụng trong xử lý nước thải 14

1.4.1 Vi sinh vật phân giải protein 14

1.4.2 Vi sinh vật chuyển hóa phospho 15

1.4.3 Vi sinh vật phân giải tinh bột 16

1.4.4 Vi sinh vật phân giải lipid 17

1.5 Sơ lược về công nghệ lọc sinh học dòng bùn ngược - USBF 17

1.5.1 Công nghệ lọc sinh học dòng bùn ngược – USBF 17

1.5.2 Các nhóm vi sinh vật ứng dụng trong hệ thống USBF 22

1.5.3 Một số kết quả ứng dụng công nghệ USBF trong xử lý nước thải tại Việt Nam 24

CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 27

2.1 Vật liệu 27

Trang 8

2.2 Hóa chất 27

2.3 Thiết bị 27

2.4 Môi trường nuôi cấy 28

2.5 Phương pháp nghiên cứu 28

2.5.1 Lấy mẫu và phân tích vi sinh vật tổng số trong nước thải 28

2.5.2 Phân lập vi khuẩn xử lý P và N trong điều kiện hiếu khí 30

2.5.3 Nghiên cứu đặc điểm sinh học của các chủng được tuyển chọn 30

2.5.4 Phân loại vi khuẩn bằng phân tích trình tự gen 16S rDNA 33

2.5.6 Tạo chế phẩm vi sinh 37

2.5.7 Bảo quản chế phẩm 38

2.5.8 Phương pháp phân tích nước thải 38

2.5.9 Khởi động hệ thống bùn áp dụng cho mô hình USBF 41

2.5.10 Đánh giá hiệu quả sử dụng chế phẩm vi sinh trên mô hình USBF 43

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 44

3.1 Nghiên cứu tạo chế phẩm sinh học có khả năng ứng dụng trên mô hình USBF 44

3.1.1 Phân lập và tuyển chọn các chủng vi khuẩn thích hợp cho nghiên cứu 44

3.1.2 Nghiên cứu điều kiện môi trường tối ưu, lên men nuôi cấy tạo sinh khối thu chế phẩm sinh học 58

3.1.3 Xây dựng quy trình tạo chế phẩm vi sinh 63

3.1.4 Bảo quản và đánh giá hoạt lực chế phẩm 67

3.2 Bước đầu ứng dụng chế phẩm vi sinh trên mô hình USBF xử lý nước thải lò giết mổ 70

3.2.1 Công nghệ hệ thống xử lý nước thải theo công nghệ USBF trong phòng thí nghiệm 70

3.2.2 Thử nghiệm chế phẩm trên mô hình USBF với nước thải lò giết mổ 72

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO 79

Trang 9

Trang 10

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Số liệu trung bình về thành phần và tính chất nước thải giết mổ gia súc 5

gia cầm 5

Bảng 1.2 Tổng hợp thành phần nước thải giết mổ của một số nước trên thế giới 7

Bảng 2.1 Trình tự mồi 27F và 14R 34

Bảng 2.2 Các phương pháp phân tích nước thải sử dụng trong nghiên cứu 38

Bảng 3.1 Thành phần vi sinh vật có trong các mẫu nước thải giết mổ 44

Bảng 3.2 Khả năng xử lý P, N của ba chủng vi khuẩn được lựa chọn trên nền là bùn sinh học trong điều kiện hiếu khí sau 24 giờ 45

Bảng 3.3 Đặc điểm nuôi cấy và hình thái của ba chủng vi khuẩn PK1.19, ND1.15 và ND1.9 46

Bảng 3.7 Khả năng sinh tổng hợp enzyme ngoại bào của ba chủng vi khuẩn PK1.19, ND1.15, ND1.9 53

Bảng 3.8 Khả năng sinh trưởng của ba chủng lựa chọn trên một số môi trường 58

Bảng 3.9 Ảnh hưởng của pH ban đầu đến sự sinh trưởng của ba chủng lựa chọn 59

Bảng 3.10 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng sinh trưởng của ba chủng vi khuẩn P plecoglossicida PK 1.19, B amyloliquefaciens ND1.15, và P putida ND1.9 60

Bảng 3.11 Ảnh hưởng của thế tích dịch trên thể tích bình nuôi của các chủng lựa 61 Bảng 3.12 Biến động mật độ vi khuẩn theo thời gian ở các điều kiện bảo quản 69

khác nhau 69

Bảng 3.13 Sinh trưởng phát triển của vi khuẩn trong chế phẩm sau khi hoạt hóa 69

Bảng 3.14 Kết quả phân tích thành phần nước thải giết mổ 73

Bảng 3.15 Đánh giá hiệu quả xử lý nước thải giết mổ lợn trong mô hình USBF dung tích 50 lít khi bổ sung chế phẩm vi sinh 75

Trang 11

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Hình ảnh minh họa hình thái tế bào vi khuẩn thuộc chi Nitrobacter (A);

Nitrosomonas (B); Pseudomonas (C) 15

Hình 1.2 Mô hình cấu tạo của hệ thống xử lý nướ i theo công nghệ USBF 18

Hình 2.1: Mô hình thiết bị USBF quy mô phòng thí nghiệm dung tích làm việc 50

lít (A) và vận hành song song 02 mô hình thiết bị USBF (B) 28 Hình 2.2 Quy trình tạo chế phẩm từ các chủng vi khuẩn được lựa chọn 38 Hình 2.3 Sơ đồ bổ sung chế phẩm vi sinh vào mô hình thiết bị 42 Hình 3.1 Hình ảnh minh họa đặc điểm khuẩn lạc (A, C, E) và hình thái tế bào (B,

D, F) lần lượt của các chủng vi khuẩn PK1.19, ND1.15 và ND1.9 47 Hình 3.3 Khả năng cùng phát triển của ba chủng PK1.19; ND1.15; ND1.9 trên môi trường MPA 53 Hình 3.4 DNA tống số của các chủng vi khuẩn lựa chọn: đường chạy 1-3: DNA tổng số của các chủng PK1.19; ND1.15 và ND1.9 (A); Điện di đồ sản phẩm PCR; M: thang DNA chuẩn 1kb; 1-3 sản phẩm PCR khuếch đại gen 16S rDNA của

chủng PK1.19; ND1.15 và ND1.9 (B) 54 Hình 3.5 Mức độ tương đồng di truyền giữa trình tự gen 16S rDNA của chủng PK1.19 (A), ND1.15 (B) và ND1.9 (C) với các trình tự tương ứng của các chủng

vi khuẩn khác trên GenBank (NCBI) 56 Hình 3.6 Ảnh hưởng của thời gian lên men tới sinh trưởng của ba chủng vi khuẩn

PK 1.19, ND1.15 và ND1.9 63 Hình 3.7 Sơ đồ mô hình USBF trong phòng thí nghiệm 71

Trang 12

A MỞ ĐẦU

Việt Nam đang trong giai đoạn phát triển thực hiện công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước Do vậy, nền kinh tế thị trường là động lực thúc đẩy sự phát triển của mọi thành phần kinh tế, trong đó có ngành chế biến lương thực, thực phẩm tạo

ra các sản phẩm có giá trị phục vụ cho nhu cầu tiêu dùng trong nước cũng như xuất khẩu Tuy nhiên, ngành này cũng tạo ra một lượng lớn chất thải rắn, lỏng, khí và

là một trong những nguyên nhân gây ra ô nhiễm môi trường chung của đất nước Cùng với ngành công nghiệp chế biến lương thực, thực phẩm thì lĩnh vực giết mổ gia súc, gia cầm cũng trong tình trạng đó Do đặc điểm công nghệ của lĩnh vực có

sử dụng nhiều nước trong quá trình chế biến nên đã thải ra một lượng lớn nước thải, chất thải rắn, khí thải Vấn đề ô nhiễm nguồn nước do các cơ sở giết mổ thải trực tiếp ra môi trường đang là mối quan tâm hàng đầu của các nhà quản lý môi trường Nước bị nhiễm bẩn sẽ ảnh hưởng đến con người và sự sống của các loài thủy sinh cũng như các loài động thực vật sống trong khu vực đó [3] Vì vậy, việc nghiên cứu xử lý nước thải giết mổ là yêu cầu cấp thiết đặt ra không chỉ đối với những người làm công tác bảo vệ môi trường mà còn cho cả cộng đồng

Hiện nay, xu hướng trong công tác xử lý nước thải chế biến thực phẩm nói chung và nước thải giết mổ gia súc gia cầm nói riêng, khi tiến hành xử lý cần đạt hiệu quả nhưng vẫn đảm bảo tính bền vững không gây ra ô nhiễm môi trường thứ cấp Chính vì vậy, công nghệ xử lý nước thải bằng các biện pháp sinh học dựa trên

hoạt động sống của một số nhóm vi sinh vật như Pseudomonas, Lactobacillus,

Bacillus, Thiobacillus, Nitrosomonas, Nitrozocystic, Nitrozolobus và

Nitrosospira đã chuyển hóa các hợp chất hữu cơ có trong nước thải thành dạng

khí, CO2 và nước đáp ứng được những yêu cầu về môi trường xử lý hiếu khí đơn thuần và đang được áp dụng rộng rãi [1] Phương pháp xử lý sinh học hiếu khí cổ điển thường được áp dụng là công nghệ sử dụng bùn hoạt tính trong đó vi sinh vật sinh trưởng, chuyển hóa các hợp chất hữu cơ có trong nước trong điều kiện cấp khí

Trang 13

liên tục nhằm loại bỏ cacbon, lipid, nitơ hay phospho Tuy nhiên, phương pháp chỉ

áp dụng với nguồn nước thải đầu vào có t i lượng các chất ô nhiễm thấp, lượng bùn tạo ra lớn nhằm tối ưu hóa quá trình xử lý đã có nhiều hệ thống xử lý ra đời để khắc phục các nhược điểm trên Hệ thống công nghệ sinh học kết hợp lọc sinh học dòng bùn ngược của Lawrence và McCarty (Upflow Sludge Blanket Filteration, USBF) được thiết kế dựa trên trên mô hình động học xử lý tải trọng theo nhu cầu oxy sinh hóa (Biochemical Oxygen Demand, BOD), nitrate hóa (nitrification) và khử nitrate hóa (denitrification) trong cùng một hệ thống đã khắc phục được một số nhược điểm của xử lý hiếu khí đơn thuần [4]

Công nghệ lọc sinh học dòng bùn ngược (USBF) là công nghệ cải tiến quy trình xử lý bằng bùn hoạt tính có sự kết hợp liên hoàn 3 phân vùng chọn lọc vùng thiếu khí (Anoxic Sector), vùng hiếu khí (Aerobic Sector) và vùng lọc bùn sinh học dòng ngược Đây chính là điểm khác với hệ thống xử lý bùn hoạt tính kinh điển, thường tách rời ba quá trình trên nên tốc độ và hiệu quả xử lý thấp Ngoài ra, công nghệ USBF có thiết kế hợp khối, dễ dàng thay đổi công suất xử lý, chi phí đầu tư, chi phí vận hành, bảo trì thấp (diện tích cần có của hệ thống USBF chiếm 60 - 80%

so với hệ thống bể phản ứng hoạt động gián đoạn (Sequencing Batch Reactor, SBR), chi phí cấp khí thấp hơn 30 - 50% so với SBR, không cần bể lắng thứ cấp…), hạn chế mùi, lượng bùn thải ít, tăng khả năng lắng của bùn…[4], [21], [34] Chính vì tính thời sự của vấn đề xử lý nước thải lò giết mổ và những ưu thế của mô

hình USBF trong xử lý nước thải nên chúng tôi thực hiện đề tài: “Nghiên cứu tạo

chế phẩm vi sinh và bước đầu ứng dụng trong xử lý nước thải lò giết mổ trên mô hình lọc sinh học dòng bùn ngược (USBF)”

Mục tiêu của đề tài:

- Nghiên cứu tạo chế phẩm vi sinh để nâng cao hiệu quả loại bỏ Nitơ và

Phospho trong xử lý nước thải lò giết mổ trên mô hình lọc sinh học dòng bùn ngược – USBF

Trang 14

- Bước đầu thử nghiệm trong xử lý nước thải trên mô hình lọc sinh học dòng

bùn ngược

Nội dung nghiên cứu của đề tài:

- Nghiên cứu tạo chế phẩm sinh học có khả năng ứng dụng trên mô hình

USBF bao gồm: Phân lập và tuyển chọn các chủng vi khuẩn thích hợp cho nghiên

cứu; Nghiên cứu điều kiện môi trường tối ưu, lên men nuôi cấy tạo sinh khối thu chế phẩm sinh học; Xây dựng quy trình tạo chế phẩm vi sinh; Bảo quản và đánh giá hoạt lực chế phẩm

- Bước đầu thử nghiệm chế phẩm vi sinh trên mô hình USBF xử lý nước thải

lò giết mổ

Đề tài đƣợc thực hiện tại Phòng Công nghệ lên men với sự hỗ trợ về trang thiết bị của Phòng thí nghiệm trọng điểm Công nghệ gen, Viện Công nghệ sinh học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Trang 15

B NỘI DUNG CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Đặc tính nước thải giết mổ

Nước thải từ các cơ sở giết mổ chứa một lượng lớn các thành phần hữ

ần còn lại của chất tẩy rửa Nước thải lò giết mổ là sản phẩm của các quá trình giết mổ động vật có chứa thịt, mỡ và các sản phẩm chế biến từ các nguyên liệu thô, một số phụ phẩm xương (chiếm 30 - 40%), nội tạng, da, lông của các loại gia súc (trâu, bò), gia cầm (gà, vịt, ngan, ngỗng ), nước thải chế biến, nước rửa thiết bị, nước vệ sinh nhà xưởng, nước làm sạch khí, nước ngưng lò hơi và có cả nước sinh hoạt cho công nhân nhà máy Nước thải từ các cơ sở giết mổ

có lượng các chất gây ô nhiễm và dòng chảy trong vòng 24 giờ dao động rất nhiều,

do đó sẽ gây khó khăn cho việc xử lý nước thải [34]

Đặc thù của nước thải giết mổ rất giàu các chất hữu cơ (protein, lipid, các axit amin, N-amon, peptit, các axit hữu cơ, mercaptan ) Ngoài ra còn có thể có vụn xương, thịt vụn, mỡ vẩn, lông, móng và máu Trong máu chứa nhiều chất hữu

cơ và có hàm lượng nitơ rất cao vì máu chiếm 6% trọng lượng của động vật sống nên phương pháp xử lý và loại bỏ máu có ý nghĩa rất quan trọng đối với lượng chất gây ô nhiễm được tạo ra Ở những điểm giết mổ cả trâu, bò, lợn, gia cầm thì lượng nước thải nhiều hơn và tỷ lệ chất gây ô nhiễm/tấn thịt giết mổ cao hơn những nơi chỉ giết mổ lợn, gia cầm Hầu hết nước thải tại các cơ sở giết mổ có tải lượng nhu cầu oxy sinh hóa trong 5 ngày (Biochemical Oxygen Demand, BOD5) tới 7.000 mg/l và nhu cầu oxy hóa học (Chemical Oxygen Demand, COD) khoảng 9.400 mg/l [16] Nguồn N-amin cao, nhưng các nguồn dinh dưỡng khác đặc biệt là nguồn phospho lại thấp, trong quá trình xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học cần phải

bổ sung thêm nguồn dinh dưỡng Bên cạnh đó, nước thải giết mổ gia súc, gia cầm cùng với nước phân là một trong những loại nước thải rất đặc trưng, có khả năng gây ô nhiễm môi trường cao bởi nồng độ cặn lơ lửng (Suspension solid, SS) và hàm

Trang 16

lượng chất hữu cơ rất lớn (thể hiện bằng BOD5 và COD) Ngoài ra, loại nước thải này còn rất giàu nitơ (nitơ amoni (N-NH4) và tổng nitơ (N-tổng)), phospho và sinh vật gây bệnh Thành phần đặc trưng và một số tính chất nước thải tại cơ sở giết mổ gia súc và gia cầm được thể hiện trong bảng 1.1[34]

Bảng 1.1 Số liệu trung bình về thành phần và tính chất nước thải giết mổ gia súc

Các chất hữu cơ và vô cơ: Trong nước thải giết mổ, hợp chất hữu cơ chiếm

nồng độ lớn nhất gồm cellulose, protein, axit amin, chất béo, hydratcarbon và các

Trang 17

dẫn xuất của chúng có trong nước thải và nước phân Các chất vô cơ chiếm khoảng 20% gồm cát, đất, ure, amonium, muối Cl-, SO42-

Nitơ và phospho: Khi tiến hành giết mổ gia súc gia cầm sẽ thải ra các chất hữu

cơ giàu nitơ, phospho theo nguồn nước, ớc tiểu của chúng Hàm lượng N- tổng, N-amoni và phospho tổng trong dạng nước thải này khá cao, đạt lần lượt

là 230 – 1200 mg/l và 16 – 53 mg/l

Vi sinh vật gây bệnh: Nước thải giết mổ chứa nhiều loại vi khuẩn, virus và

trứng ấu trùng giun sán gây bệnh

1.2 Đánh giá tình trạng xử lý nước thải giết mổ

1.2.1 Tình trạng xử lý nước thải lò giết mổ trên thế giới

Các hoạt động giết mổ thông thường tập trung vào ba nhóm chính: lợn, gia

súc, gia cầm Theo số liệu của FAO năm 1993, ba loại động vật giết mổ trên chiếm 93% tổng lượng thịt tiêu thụ trên toàn thế giới Theo ước tính tại Mỹ trong năm

2007, có 10 tỷ con vật bị giết mổ mỗi năm được tâp trung ở 5.700 lò mổ và 527.000 công nhân làm việc tại các nhà máy, thu được 28,1 tỉ bảng Anh từ giết mổ bò Còn

ở Canada, cũng trong năm 2007, có 650 triệu con vật bị giết mổ Tính chung ở châu

Âu có 300 triệu gia súc, cừu, lợn và 4 tỉ con gà bị giết mổ mỗi năm

Ở các nước phát triển, hoạt động giết mổ thường được thực hiện tập trung Nhu cầu thị trường của các nước này thường có xu hướng tập trung vào thịt nạc và một số loại sản phẩm phụ khác như: óc, thận, tuyến ức, lưỡi…Chính vì thế, các sản phẩm thịt thường được tách xương tại khu vực giết mổ và làm lạnh trước khi đưa ra thị trường Ở các nhà máy giết mổ được trang bị đồng bộ các hệ thống hiện đại như: hệ thống cấp nước, hơi, điện, hệ thống lạnh, hệ thống vận chuyển nội bộ, các

hệ thống khác xử lý nước thải, chất thải tập trung

Ở các nước đang phát triển, hoạt động giết mổ thường được thực hiện ở nhiều điểm có quy mô lớn, nhỏ rất khác nhau Xưởng giết mổ tại các nước này có

Trang 18

thể rất đơn giản và thực hiện thủ công hoặc các xưởng được trang bị rất hiện đại Các khu vực giết mổ và chế biến công nghiệp thường nhập thiết bị và công nghệ từ các nước phát triển nhưng ít chú trọng đến các thiết bị phụ trợ cho xử lý nước thải

và chất thải rắn Nhìn chung, nước thải giết mổ có độ ô nhiễm các thành phần hữu

cơ cao thể hiện qua các chỉ tiêu SS, COD, BOD, dầu mỡ, T-N (Bảng 1.2)

Bảng 1.2 Tổng hợp thành phần nước thải giết mổ của một số nước trên thế giới

Tây Ban Nha

Nước thải đã qua xử lý sơ

Trang 19

- T-P: Tổng lượng phospho (Total phosphorous)

- (-): Không có số liệu thống kê

COD trong nước thải giết mổ sau khi đã qua lưới lọc 1,0 mm có 40 - 50% là các chất lơ lửng, không tan và rất chậm phân hủy sinh học, phần còn lại ở dạng keo

và chất tan Nước thải lò mổ được xếp vào nhóm nước thải công nghiệp trong ngành nông nghiệp và công nghiệp thực phẩm và được Cục Bảo vệ Môi trường Mỹ (EPA) xếp vào là một trong những nguồn gây ô nhiễm môi trường nhất

Đã có một số phương pháp vật lý và hóa học để xử lý nước thải lò mổ như kỹ thuật keo tụ sử dụng phèn nhôm đơn (Al2(SO4)3), phèn nhôm kép (Kal(SO4)2) và phèn sắt (FeCl3) [4] Hiện nay, nước thải lò mổ có hàm lượng các chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học BOD cao, luôn từ 1100 tới 2400 mg/l trong giới hạn của BOD5, với tỉ lệ của chất hòa tan là từ 40 - 60% Các phần tử không hòa tan chủ yếu là dạng lơ lửng và dạng keo do vậy nó rất khó để bị phân hủy trong các bioreactor Do vậy, việc tiền xử lý nước thải của các lò mổ là việc làm cần thiết Quá trình keo tụ là một trong nhữ ật thích hợp nhất cho quá trình tiền xử lý

để loại bỏ các chất không hòa tan trong nước thải [5]

Một trong những phương pháp phân hủy sinh học được sử dụng để xử lý nước thải cũng như chất thải rắn là sử dụng chế phẩm sinh học E.M ( các vi sinh vật hữu hiệu - Effective Microorganisms) do GS.TS Teruo Higa người Nhật phát minh vào năm 1980 Vi sinh vật hữu hiệu gồm có 05 nhóm cơ bản Nhóm vi khuẩn quang

hợp (Rodopseudomonas), nhóm vi khuẩn Lactobacillus, nhóm nấm men (Saccharomyces), nhóm nấm sợi (Aspergillus và Penicillium) Vai trò của nhóm vi

sinh vật hữu hiệu được thể hiện rõ nhất ở “khả năng tiêu thụ” các chất hữu cơ có trong môi trường [41]

Nước thải lò mổ thải ra từ các bước khác nhau của quá trình giết mổ như làm sạch động vật, chảy máu, cạo lông, rửa sạch, nước rửa sàn…Nước thải chứa máu, các thành phần của da và thịt, phân và các chất ô nhiễm khác Đặc tính tiêu biểu

Trang 20

của nước thải từ lò mổ: pH từ 6,8 7,8; COD = 5200 11400 mg/l; TSS = 570

-1690 mg/l; phosphorua = 7 - 28.3 mg/l; NH3-N = 19 - 74 mg/l; protein = 3250 -

7860 mg/l [34]

Bên cạnh đó cũng có một vài phương pháp xử lý nước thải lò giết mổ gia cầm

có thể đơn lẻ hoặc các bể phản ứng (reactor) kết hợp với nhau Hệ thống bể xử lý sinh học dòng chảy ngược qua tầng bùn kỵ khí (Upflow Anearobic Sludge Blanket, UASB) cũng được sử dụng để xử lý nước thải lò mổ gia cầm đã loại bỏ được tới 95% BOD5 với thời gian lưu nước thải là 4 giờ Bể hoạt động gián đoạn (SBR) dựa trên việc làm đầy và lắng của hệ thống bùn hoạt tính và đã loại bỏ được 74% COD Trong hệ thống SBR, việc sử dụng các hạt carbon hoạt tính (Granular Activated Carbon, GAC) như là một chất trung gian để vi sinh vật tấn công vào đã tăng hiệu quả xử lý COD và nitơ tổng số bằng phương pháp hấp phụ và cũng làm tăng chất lượng của bùn hoạt tính Theo các nhà nghiên cứu với việc bổ sung các ion Al3+tăng hiệu quả xử lý kị khí nước thải lò giết mổ gia cầm trong một bể hoạt động liên tục có khuấy (Continuous Stirred Tank Reactor, CSTR) [17]

1.2.2 Tình trạng xử lý nước thải lò giết mổ ở Việt Nam

Hiện nay cả nước có 31 cơ sở giết mổ thịt xuất khẩu, kể cả quốc doanh và tư nhân với công suất trên 40 nghìn tấn thịt đông lạnh, thịt đóng hộp xuất khẩu cho Nga, 10 - 15 nghìn tấn lợn sữa, lợn choai xuất khẩu vào thị trường Hồng Kông, Malaysia Trong số các sở giết mổ trên có 6 cơ sở được công nhận đủ tiêu chuẩn giết mổ xuất khẩu thịt mảnh, thịt đóng hộp sang thị trường Nga và có 9 cơ sở được công nhận đủ tiêu chuẩn chế biến đến bán sản phẩm vào Hồng Kông Tuy nhiên, kết quả điều tra khảo sát ở 24/39 cơ sở giết mổ gia súc có đăng ký hành nghề trên địa bàn TP.HCM cho thấy: ngoại trừ Công ty VISSAN có dây chuyền giết mổ hiện đại, hợp vệ sinh, hầu hết các cơ sở còn lại đã thực hiện giết mổ gia súc trong điều kiện mất vệ sinh và gây ô nhiễm môi trường Ở các cơ sở này, công nhân không có trang bị bảo hộ lao động, giết mổ gia súc bằng phương pháp thủ công Mỗi đêm,

Trang 21

một cơ sở có khả năng giết mổ 400 - 500 con lợn Qua khảo sát, 100% dụng cụ giết

mổ đều nhiễm các loại vi khuẩn độc hại như E coli, S aureus, C perfringens

Những vi khuẩn này có nguy cơ gây ngộ độc thực phẩm (đau bụng, sốt, tiêu chảy…) Về mặt môi trường, các cơ sở này hầu như đều thiếu hệ thống xử lý nước thải và nước thải cùng vớ , mỡ, phân thải…đều được xả trực tiếp ra hố ga, đường cống thoát nước song cũng gây mùi hôi thối nặng tại các cơ sở giết mổ gia súc

Hiện nay Thành phố Hồ Chí Minh quy hoạch 40 cơ sở giết mổ gia súc, 52 cơ

sở giết mổ gia cầm, kiểm soát trên 97% số lượng gia súc, gia cầm được giết mổ Hà Nội hiện có khoảng gần 100 lò mổ tư nhân, riêng 7 quận có 68 điểm giết mổ gia súc tự do (nằm hầu hết ở các khu vực đông dân như: Thanh Xuân, Hai Bà Trưng, Hoàn Kiếm…) Trung bình mỗi ngày, 100 lò mổ này xuất xưởng khoảng 120 tấn thịt lợn, 30 tấn thịt trâu bò Cả thành phố Hà Nội hiện nay mới có một vài cơ sở giết mổ gia súc, gia cầm tập trung bán công nghiệp, nhưng sản lượng không cao, còn hầu hết vẫn là các cơ sở giết mổ của tư nhân, nằm rải rác ở quận Hai Bà Trưng, Thanh Xuân, Tây Hồ, Từ Liêm, Thanh Trì Hiện nay giết mổ gia súc nói chung và giết mổ lợn nói riêng ở nước ta chưa được quy hoạch và quản lý một cách khoa học, nhiều lò giết mổ chưa đảm bảo vệ sinh đặc biệt là các lò mổ từ trong dân (như làng nghề…), ngoại trừ một số lò mổ của các công ty lớn được đăng ký và quản lý chặt chẽ và có hệ thống xử lý nước thải còn hầu hết là tự phát ở quy mô nhỏ nên không có hệ thống xử lý nước thải gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Ngoài thành phần ô nhiễm là chất rắn lơ lửng (TSS) từ 18.000 – 30.000 mg/l, BOD từ 18.000 - 22.000 mg/l, nước thải giết mổ cũng chứa các tạp chất nitơ, phospho, protein, mỡ

Theo báo cáo của Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn Hà Nội, hiện tại, thành phố có 6 cơ sở giết mổ lợn tập trung (tạm gọi là những lò mổ sạch do thành phố quy định), với tổng công suất giết mổ khoảng hơn 1.500 con/ngày đêm gồm

Trang 22

có: lò mổ Khương Đình (quận Thanh Xuân), lò mổ Mai Động, Thịnh Liệt, Lương Yên (quận Hai Bà Trưng), lò mổ Từ Liên (quận Tây Hồ), lò mổ Trung Văn Với trâu, bò, chủ yếu do các hộ tư nhân thực hiện giết mổ, công suất 30 - 50 con/ngày đêm Các cơ sở giết mổ này tập trung ở xã Hải Bối (huyện Đông Anh), phường Mai Động (quận Hoàng Mai), xã Trung Giã (huyện Sóc Sơn)…Với gia cầm, có 8 cơ sở giết mổ tập trung, với công suất không đáng kể Hầu hết số gia cầm tiêu thụ hằng ngày được giết mổ rải rác tại các chợ và hộ tư nhân với số lượng 20.000 – 30.000 con/ngày đêm Kết quả khảo sát hệ thống các cơ sở giết mổ của thành phố Hà Nội vào tháng 5/2009 cho thấy gần 80% cơ sở giết mổ được khảo sát chưa có hệ thống

xử lý chất thải, nước thải

1.3 Các phương pháp xử lý nước thải giết mổ

Nước thải giết mổ ban đầu có nồng độ các chất hữu cơ rất cao, pH từ 5,3 - 8,9; BOD và COD cao, đồng thời có mặt của các chất độc hại Vì vậy, để xử lý nước thải giết mổ cần kết hợp nhiều phương pháp xử lý khác nhau gồm xử lý lý học, hóa

vỏ đồ hộp, rác cây, bao nilon…được giữ lại [11]

- Bể lọc cát được thiết kế để tách các tạp chất vô cơ không tan có kích thước

từ 0,2 mm đến 2 mm ra khỏi nước thải nhằm đảm bảo an toàn cho bơm khỏi bị cát, sỏi bào mòn, tránh tắc đường ống dẫn và tránh ảnh hưởng đến các quá trình sinh học phía sau

Trang 23

- Phương pháp tuyển nổi thường được sử dụng để tách các tạp chất không tan,

tự lắng kém khỏi pha lỏng Trong xử lý nước thải, quá trình tuyển nổi thường được

sử dụng để khử các chất lơ lửng, làm đặc bùn sinh học

1.3.2 Phương pháp xử lý hóa lý

Thông thường người ta thường sử dụng 2 phương pháp để xử lý hóa lý là:

phương pháp trung hòa; phương pháp keo tụ và tạo bông

Keo tụ và tạo bông: Trong nguồn nước, một phần các hạt thường tồn tại ở dạng các hạt keo mịn phân tán, kích thước các hạt thường dao động từ 0,1 – 10 micromet Các hạt này không nổi cũng không lắng, và do đó tương đối khó tách loại Trạng thái lơ lửng của các hạt keo được bền hóa nhờ lực đẩy tĩnh điện Do đó,

để phá tính bền của hạt keo cần trung hòa điện tích bề mặt của chúng, quá trình này được gọi là quá trình keo tụ Các hạt keo đã bị trung hòa điện tích có thể liên kết với các hạt keo khác tạo thành bông cặn có kích thước lớn hơn, nặng hơn và lắng xuống, quá trình này được gọi là quá trình tạo bông [12]

Trang 24

1.3.3 Phương pháp sinh học

Phương pháp sinh học được ứng dụng để xử lý các chất hữu cơ hòa tan có trong nước thải cũng như một số chất vô cơ như H2S, sunfit, amoniac, nitơ…dựa trên cơ sở hoạt động của vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ gây ô nhiễm Vi sinh vật sử dụng chất hữu cơ và một số khoáng chất có trong nước thải được sử

dụng làm chất dinh dưỡng giúp cho chúng tăng trưởng [11], [23] Phương pháp xử

lý sinh học có thể phân thành 2 loại:

- Phương pháp kị khí sử dụng nhóm vi sinh vật kị khí, hoạt động trong điều kiện không có oxy

- Phương pháp hiếu khí sử dụng nhóm vi sinh vật hiếu khí, hoạt động trong điều kiện cung cấp oxy liên tục

Quá trình phân hủy các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật gọi là quá trình oxy hóa sinh hóa Để thực hiện quá trình này, các chất hữu cơ hòa tan, cả chất keo và chất phân tán nhỏ trong nước thải cần di chuyển vào bên trong tế bào vi sinh vật theo 3 giai đoạn chính như sau:

- Chuyển các chất ô nhiễm từ pha lỏng đến bề mặt tế bào vi sinh vật

- Khuếch tán từ bề mặt tế bào qua màng bán thấm do sự chênh lệch nồng độ bên trong và bên ngoài tế bào

- Chuyển hóa các chất trong tế bào vi sinh vật, sản sinh năng lượng và tổng hợp tế bào mới

Tốc độ quá trình oxy hóa sinh hóa phụ thuộc vào nồng độ chất hữu cơ, hàm lượng các tạp chất và mức độ ổn định của lưu lượng nước thải vào hệ thống xử lý

Ở mỗi điều kiện xử lý nhất định, các yếu tố chính ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng sinh hoá là chế độ thủy động, hàm lượng oxy trong nước thải, nhiệt độ, pH, dinh dưỡng và các yếu tố vi lượng [11], [23]

Trang 25

1.4 Các nhóm vi sinh vật ứng dụng trong xử lý nước thải

1.4.1 Vi sinh vật phân giải protein

Dưới tác dụng của các vi sinh vật hoại sinh, protein được phân giải thành các axit amin Các axit amin này lại được một số nhóm vi sinh vật phân giải thành NH3hoặc NH4+ gọi là nhóm vi khuẩn amin hoá Quá trình này gọi là sự khoáng hóa chất hữu cơ vì qua đó, nitơ hữu cơ được chuyển thành dạng nitơ khoáng Dạng NH4+ sẽ được chuyển hoá thành dạng NO3- nhờ nhóm vi khuẩn nitrat hoá Nhóm vi khuẩn

nitrat hoá bao gồm bốn chi khác nhau: Nitrosomonas, Nitrozocystic, Nitrozolobus

và Nitrosospira, chúng đều thuộc loại dị dưỡng bắt buộc [5], [7] Quá trình chuyển

hóa nitơ thường bao gồm:

- Amon hóa: nghĩa là thủy phân protein và oxy hóa các axit amin thành NH4+

- Nitrit hóa: NH4+ tự do được oxy hóa nhờ vi khuẩn sống trong cây dưới đất

(Nitrosomonas) và dưới biển (Nitrosococcus) từ N3- thành N3+, cho NO2+

- Nitrat hóa: NO2+ được oxy hóa tiếp do vi khuẩn Nitrobacter trong đất và nước

biển cho NO3- (thể N5+) Dưới dạng này nitơ được các thực vật sống trên cạn và dưới nước sử dụng

- Khử nitrat: trong điều kiện không có oxy (ngập úng, cặn lắng ) sẽ diễn ra quá trình khử nitrat Trong đó NO2- và NO3- được các vi khuẩn sử dụng làm chất nhận electron (chất gây oxy hoá) và chuyển thành N2, trả lại nitơ cho khí quyển Nitơ được cố định gần bề mặt đất có thể bị mất do khử nitrat hóa Quá trình này xảy ra

do các vi khuẩn như Pseudomonas denitrificans

Các nhóm vi sinh vật tham gia chuyển hóa protein ở từng giai đoạn sẽ bao gồm: từ NH3 thành nitrit sẽ có sự tham gia của một số nhóm vi khuẩn như:

Nitrosomonas, Nitrosocystis, Nitrosococcus, Nitrosolobus Các đại diện của giống Nitrosomonas không sinh nội bào tử, tế bào nhỏ bé hình bầu dục [3] Trên môi

trường lỏng, Nitrosomonas trải qua một số pha, phát triển tùy thuộc một số điều

Trang 26

kiện

2 NH4+ + 3O2 → 2NO2

+ 4H+ + 2H2O + năng lượng Giai đoạn 2 của quá trình nitrat hóa oxy hóa nitrit thành nitrat bởi một số vi

khuẩn: Nitrobacter winogradski, Nitrospina gracilis, Nitrococcus mobilis Tế bào đặc trưng của vi khuẩn Nitrobacter trong dịch nuôi thường có dạng hình que tròn,

hình hạt đậu, hoặc hình trứng, có thể di động hoặc không di động Khi điều kiện không thuận lợi chúng có thể hình thành những tập đoàn khuẩn keo Vi khuẩn

Nitrospina gracilis là những trực khuẩn thẳng, mảnh dẻ, thỉnh thoảng có dạng hình

cầu, không di động và có đặc trưng là hình thành những tập đoàn khuẩn keo Vi

khuẩn Nitrococcus mobilis có dạng hình tròn, có tiên mao [1]

1.4.2 Vi sinh vật chuyển hóa phospho

Phospho là một trong những yếu tố quan trọng cần thiết cho sự tăng trưởng của thực vật và động vật và hệ sinh thái, có xu hướng tăng trưởng hạn chế chất dinh dưỡng và là xương sống của các chu kỳ của Kreb và Acid Deoxyribo Nucleic (DNA) [22] Trong điều kiện hiếu khí (có sự hiện diện của oxy), chu kỳ tự nhiên có

Trang 27

thể nhiều hơn hoặc ít hơn trong cân bằng cho đến khi dư thừa nitrat (nitơ) hoặc phosphate vào hệ thống Vi khuẩn cố gắng để phân hủy các chất thải hữu cơ, tiêu thụ oxy và giải phóng phosphate hơn được gọi là "vòng tuần hoàn khép kín" Một

số các phosphate có thể được kết tủa như sắt phosphate và được lưu trữ trong các trầm tích nơi nó có thể được sử dụng nếu điều kiện thiếu ôxy phát triển [17] Các

nhóm vi khuẩn tham gia chuyển hóa gồm có Pseudomonas, Acetobacter và

Bacillus là các chủng vi sinh vật phân giải lân chủ yếu [1]

1.4.3 Vi sinh vật phân giải tinh bột

Có nhiều loại vi khuẩn có khả năng phân huỷ tinh bột Một số vi sinh vật có khả năng tiết ra các loại enzyme trong hệ enzyme amylase Ví dụ như một số vi

nấm bao gồm một số loại trong các chi Aspergillus, Fusarium…Đặc biệt là nhóm

vi khuẩn Bacillus đây các vi khuẩn hình que, gram dương, hiếu

khí thuộc họ Bacillaceae Vi khuẩn Bacillus phân bố rất rộng trong tự nhiên, nhất

là trong đất và trong môi trường nước, chúng tham gia tích cực vào sự phân hủy vật chất hữu cơ nhờ vào khả năng sinh nhiều loại enzyme ngoại bào [7], [9] Một số

loài thuộc nhóm vi khuẩn Bacillus như: B cereus, B subtilis và B licheniformisđã được ứng dụng trong xử lý nước thải đặc biệt là nước thải giàu dinh dưỡng do có khả năng sinh nhiều nhóm enzyme như protease để phân hủy protein, amylase phân hủy tinh bột, cellulase phân hủy cellulose, lipase phân hủy lipit…[14]

Hầu hết các vi khuẩn thuộc chi Bacillus là vi khuẩn dinh dưỡng hóa hữu cơ,

thu năng lượng dự trữ từ quá trình axit hóa các hợp chất hữu cơ và chúng có thể phát triển trong môi trường có nhưng nguồn carbon là năng lượng duy nhất Khi có

mặt của không khí phần lớn các vi khuẩn Bacillus đều có thể phát triển và sinh bào

tử và phần lớn trong chúng có enzyme catalase Các thành viên của nhóm vi khuẩn

Bacillus ít phát triển kị khí khi không có các chất nhận điện tử ngoại sinh VI khuẩn

B subtilis được xem là một vi khuẩn hiếu khí hoàn toàn nhưng chúng có thể phát

Trang 28

triển trong điều kiện không có oxy và sản sinh acetoin, acetate, các axit và 2,3- butadiendiol từ pyrovate thông qua acetolactate [5]

1.4.4 Vi sinh vật phân giải lipid

Hiện nay, việc loại bỏ chất béo và dầu bằng các biện pháp vật lý và hóa học

là quá trình tiền xử lý như loại bỏ các chất nổi và tách bọt do vậy việc phát hiện ra các chủng vi sinh vật có khả năng sinh enzym phân hủy các hợp chất hữu cơ là việc làm cần thiết Các chủng vi sinh vật có khả năng sản xuất lipase trong hệ thống xử

lý nước thải để phân hủy chất béo, dầu và các quá trình tiền xử lý là việc làm cần thiết Lipase từ vi sinh vật được sản xuất từ nấm men, nấm và vi khuẩn là các enzym ngoại bào, nội bào Lipase ngoại bào từ nấm men và vi khuẩn được sử dụng

nhiều vì nó dễ sử dụng Lipase ngoại bào được sản xuất từ nấm men như: Candida

deformans, C rugosa và vi khuẩn như Pseudomonas aeruginosa EF2, P fragi

CRDA323, Rhizopus nodosus, Aspergillus oryzae, A.flovus và Alcaligenes sp dòng

số 679 [13]

1.5 Sơ lược về công nghệ lọc sinh học dòng bùn ngược - USBF

1.5.1 Công nghệ lọc sinh học dòng bùn ngược – USBF

1.5.1.1 Giới thiệu chung về công nghệ USBF

Công nghệ USBF, lần đầu tiên được giới thiệu tại Mỹ vào cuối những năm

1970 của thế kỷ XX, với thiết kế dựa trên mô hình học xử lý BOD, nitrat hóa, và khử nitrat hóa của công ty Lawrence và McCarty, sau đó được áp dụng ở Châu Âu

từ những năm 1998 trở lại đây Hiện nay, trên thế giới từ mô hình ban đầu của Lawrence và McCarty đã được áp dụng kết hợp trên nhiều dạng khác nhau tùy thuộc vào đặc điểm của nước thải của mỗi nước, công nghệ này chưa được sử dụng nhiều ở Việt Nam

Công nghệ USBF là công nghệ cải tiến quy trình xử lý bằng bùn hoạt tính, tuy nhiên có sự kết hợp liên hoàn 3 phân vùng chọn lọc thiếu khí (Anoxic Sector), vùng

Trang 29

hiếu khí (Aerobic Sector) và vùng lọc bùn sinh học dòng ngược (USBF) Đây chính

là điểm khác với hệ thống xử lý bùn hoạt tính kinh điển, thường tách rời ba quá trình trên nên tốc độ và hiệu quả xử lý thấp Quá trình USBF có thể áp dụng để: Loại bỏ chất hữu cơ dạng hydratcacbon (BOD), nitrat hóa/khử nitrat và loại bỏ phospho [4]

1.5.1.2 Mô hình và nguyên tắc hoạt động của công nghệ USBF

Mô hình cấu tạo của hệ thống xử lý nướ ệ USBF thể hiện

Trang 30

Ít O 2 – thiếu khí

Trong phản ứng này, BOD đầu vào được xem như nguồn cacbon hay nguồn năng lượng để khử nitrat, nitrit (và các hợp chất nitơ có hóa trị dương) thành khí nitơ (hóa trị không) Giai đoạn biến đổi từ N-NO3 đến N2 là giai đoạn cần ít oxy do

ở đây các vi khuẩn nitrat hoạt động cần ít oxy Ngoài ra, trong bùn tuần hoàn khi có một số tế bào vi sinh vật bị chết và tự phân, các chất dinh dưỡng của tế bào được hòa tan dùng làm thức ăn cho vi khuẩn khử nitrat và vi sinh vật nói chung Khử nitrat cũng có thể do chuyển hóa nội sinh của sinh khối vi sinh vật được tạo ra Quá trình xử lý phospho đồng thời cũng được xử lý tại ngăn anoxic, tương tự như các quá trình xử lý theo phương pháp Araerobic/anoxic/oxic (AA/O) và Phostrip Trong quy trình USBF, sự lên men của BOD hòa tan xảy ra trong vùng anoxic Sản phẩm của quá trình lên men cấu thành thành phần đặc biệt của vi sinh vật có khả năng lưu giữ phospho (bio-P) Tổng lượng phospho được xử lý sinh học phụ thuộc chủ yếu vào tỷ lệ BOD/P của dòng nước thải vào [31], [32] Như vậy, ngăn anoxic có vai trò loại bỏ C, khử nitơ và loại bỏ P Sau đó nước thải chảy qua ngăn hiếu khí nhờ khe hở dưới đáy ngăn USBF Tại ngăn này có bố trí hệ thống phân phối khí cung cấp oxy cho quá trình trao đổi chất của vi sinh vật

Trong quy trình công nghệ công nghệ USBF, quá trình amon oxy hóa thành

nitrit và sau đó thành nitrat bởi vi khuẩn Nitrosomonas và Nitrobacter trong từng vùng sục khí riêng biệt Vi khuẩn Nitrosomonas và Nitrobacter sử dụng nguồn

cacbon vô vơ (chủ yếu là HCO3- và CO2) cùng với các chất dinh dưỡng (N, P, vi lượng…) để xây dựng tế bào Thành phần nitơ được ưa chuộng nhất để xây dựng tế bào là amoni Quá trình chuyển hóa hợp chất N gồm: Các chất hữu cơ chứa N → N-NH4 →N-NO2→ N-NO3

Giai đoạn xử lý hiếu khí, phospho hòa tan được hấp thu bởi phospho lưu trữ

trong vi sinh khuẩn (Acinetobacter) mà chúng đã sinh trưởng trong vùng anoxic, để

xây dựng tế bào Hàm lượng phospho trong tế bào chiếm khoảng 2% khối lượng

Trang 31

khô Trong ngăn hiếu khí, một số loại vi sinh vật có khả năng hấp thu phospho cao hơn mức bình thường, khoảng 2 - 7% Loại vi sinh vật này phát triển trong điều kiện vận hành kế tiếp chu trình thiếu khí - yếm khí, tham gia vào quá trình tách loại phospho

Phospho sau đồng hóa sẽ được loại bỏ khỏi hệ thống như xác vi sinh hay bùn

dư Bùn gồm sinh khối vi sinh vật và một số cặn lơ lửng lắng xuống đáy và được xả

đi tại ngăn thứ ba (ngăn lắng - lọc USBF) Như vậy, khử phospho là xả cặn bùn giầu phospho Dịch bùn giầu phospho này có thể dùng nước vôi kết tủa [32]

Hỗn hợp bùn nước sau ngăn hiếu khí chảy tiếp vào ngăn lắng bùn và lọc theo

sự di chuyển từ dưới lên, ngược chiều với dòng bùn lắng xuống theo phương thẳng đứng và đi ra ngoài Quy trình USBF được thiết lập trên nguyên lý bể lắng dòng chảy lên có lớp bùn lơ lửng Ngăn này có dạng hình thang, nước thải sau khi được xáo trộn đi từ dưới đáy bể lắng qua hệ thống vách ngăn thiết kế đặc biệt mà ở đó xảy ra quá trình tạo bông thủy lực Bể lắng hình thang tạo ra tốc độ dâng dòng chảy

ổn định trên toàn bề mặt từ đáy đến mặt trên bể lắng, điều này cho phép sự giảm gradient vận tốc dần dần trong suốt bể lắng Như vậy, với sự kết hợp ba ngăn này

sẽ đơn giản hóa hệ thống xử lý, tiết kiệm vật liệu và năng lượng chi phí cho quá trình xây dựng và vận hành hệ thống Đồng thời, hệ thống có khả năng xử lý nước thải có tải lượng hữu cơ, N và P cao [4], [17]

Trong quá trình vận hành hệ thống, có một phần bùn dư (là hỗn hợp của sinh khối tạo thành và một phần xác vi sinh vật chết) thu được từ ngăn lắng USBF tuần hoàn trở lại ngăn thiếu khí anoxic, để cung cấp hệ vi sinh vật cho quá trình khử nitrat hóa, đồng thời có tác dụng giúp hệ nhanh chóng ổn định và thích nghi với dòng thải vào Phần bùn lắng còn lại được rút ra định kỳ sau một khoảng thời gian nhất định, tùy thuộc tuổi bùn và công suất của hệ xử lý Lượng bùn dư này được xả thẳng vào bể chứa bùn, định kỳ khoảng 3 - 5 tháng tiến hành chôn lấp hoặc đóng

Trang 32

rắn hoặc sử dụng máy ép bùn để xử lý phần bùn thải Bùn lắng đọng ở bể chứa có thể đưa trở lại hệ thống xử lý [4]

1.5.1.3 Ưu điểm của công nghệ USBF

Các ứng dụng tại các nước tiên tiến cho thấy, công nghệ USBF có thể áp dụng trên quy mô công nghiệp trong dây chuyền xử lý nước thải của nhà máy chế biến thực phẩm (thủy sản; đồ hộp thịt, cá ), nhà máy giết mổ gia súc gia cầm, nhà máy

bia, rượu ; nước thải sinh hoạt và nước thải của các nhà hàng, khách sạn Các ưu điểm của hệ thống USBF như sau [4]:

- Giảm chi phí đầu tư: USBF kết hợp tất cả các công đọan xử lý vào một bể làm

giảm kích thước các bể và giảm chi phí đầu tư công trình

- Chi phí vận hành và bảo trì thấp: Với thiết kế gọn, tối thiểu hóa các động cơ,

các thiết bị cơ động, vận hành theo chế độ tự chảy sẽ hạn chế việc giám sát quá trình và hạn chế đến mức tối đa chi phí vận hành và bảo trì

- Hiệu suất xử lý cao: Là công nghệ thiết kế nhằm khử chất hữu cơ dạng carbon

(BOD, COD) và chất dinh dưỡng (N, P) nên chất lượng nước thải sau khi xử lý luôn đảm bảo tiêu chuẩn thải theo yêu cầu nhất là hàm lượng chất dinh dưỡng mà các công trình xử lý sinh học thông thường khác khó đạt được Nồng độ BOD5 và TSS (Tổng chất rắn) sau xử lý nhỏ hơn 10 mg/l và N-NH4 nhỏ hơn 0,5 mg/l USBF

xử lý chất hữu cơ dạng carbon và cả nitơ và phospho

- Lượng bùn thải bỏ ít: Hệ thống được thiết kế với tuổi bùn khoảng 10 ngày nên

lượng bùn sản sinh ít hơn với hệ thống sinh học hiếu khí thông thường

- Hạn chế mùi: Dưới điều kiện phân hủy hiếu khí và nồng độ bùn lớn làm giảm

những tác nhân gây mùi Bể USBF có thể lắp đặt tại những khu vực đông dân cư

mà không sợ ảnh hưởng bởi mùi

- Thay đổi thể tích linh động: Bể lắng hình côn trong bể tạo không gian trống để

các phản ứng khác xảy ra chung quanh và bản thân bể lắng cũng có thể thay đổi thể

Trang 33

tích linh động, tác động lên thể tích của các công đoạn còn lại Bể USBF cũng có thể chịu được sự quá tải lưu lượng, khi lưu lượng tăng cao, lớp bùn họat tính dâng cao hình thành diện tích lọc lớn hơn nên cũng ít ảnh hưởng đến chất lượng nước đầu ra

- Thiết kế theo đơn nguyên: Do kết hợp nhiều quá trình xử lý trong một công

trình nên USBF gần như một công trình thiết kế hoàn chỉnh, mặt khác có kiểu dáng

là hình khối chữ nhật nên rất thuận tiện để thiết kế thành từng đơn nguyên Việc đơn nguyên hóa công trình giúp việc thiết kế công trình linh động hơn về mặt bằng, công suất hệ thống Chính vì kiểu dáng đơn giản nên có thể thiết kế công nghệ USBF để cải tạo các công trình cũ hay lắp đặt trong những không gian có sẵn [4]

1.5.2 Các nhóm vi sinh vật ứng dụng trong hệ thống USBF

1.5.2.1 Nhóm vi khuẩn Pseudomonas

Pseudomonas là một trực khuẩn hiếu khí Gram (-) được sử dụng như một tác

nhân có thể chuyển hóa các chất ô nhiễm hóa học trong môi trường, vì nó có thể phân hủy các hợp chất hydratcacbon đa vòng thơm do có hoạt tính amylaza và

proteaza, đồng thời cũng lên men được nhiều loại đường Ngoài ra, Pseudomonas,

Acetobacter và Bacillus là các chủng vi sinh vật phân giải lân chủ yếu [1], [13]

1.5.2.2 Nhóm vi khuẩn Nitrobacter và Nitrsomonas

Vi khuẩn tự dưỡng trong bùn hoạt tính làm giảm các hợp chất carbon bị oxy hóa như CO2 cho sự tăng tế bào Các vi khuẩn này thu năng lượng bằng cách oxy hóa NH4+ thành NO3- theo một quá trình chuyển hóa hai giai đoạn thường gọi là quá trình nitrat hóa

Đầu tiên là giai đoạn oxy hóa NH3 thành nitrit bởi một số đại diện thuộc

nhóm vi khuẩn nitrat hóa: Nitrosomonas, Nitrosocystis, Nitrosococcus,

Trang 34

Nitrosolobus Tất cả chúng đều giống nhau về mặt sinh lý, sinh hóa, chỉ khác nhau

về mặt hình thái học và cấu trúc tế bào Các đại diện của giống Nitrosomonas

không sinh nội bào tử, tế bào nhỏ bé hình bầu dục Trên môi trường lỏng,

Nitrosomonas trải qua một số pha, phát triển tùy thuộc một số điều kiện Hai pha

chủ yếu là pha di động - tế bào có 1 hay chùm tiên mao và pha tạp đoàn khuẩn keo

- các tế bào không di động

2 NH4+ + 3O2 → 2NO2- + 4H++2H2O+ năng lượng

Giai đoạn 2 của quá trình nitrat hóa oxy hóa nitrit thành nitrat bởi một số vi

khuẩn: Nitrobacter winogradski, Nitrospina gracilis, Nitrococcus mobilis Tế bào đặc trưng của Nitrobacter trong dịch nuôi thường có dạng hình que tròn, hình hạt

đậu, hoặc hình trứng, có thể di động hoặc không di động Khi điều kiện không

thuận lợi chúng có thể hình thành những tập đoàn khuẩn keo Nitrospina gracilis là

những trực khuẩn thẳng, mảnh dẻ, thỉnh thoảng có dạng hình cầu, không di động và

có đặc trưng là hình thành những tập đoàn khuẩn keo Nitrococcus mobilis có dạng

hình tròn, có tiên mao [1], [13]

1.5.2.3 Nhóm vi khuẩn Bacillus

Bacillus là tên của một chi gồm các vi khuẩn hình que, Gram dương, hiếu

khí thuộc về họ Bacillaceae Vi khuẩn Bacillus phân bố rất rộng trong tự nhiên,

nhất là trong đất và trong môi trường nước, chúng tham gia tích cực vào sự phân hủy vật chất hữu cơ nhờ vào khả năng sinh nhiều loại enzyme ngoại bào Chi

Bacillus đã phát hiện được gần 500 loài, là vi khuẩn hình que, Gram dương, sinh

trưởng hiếu khí hoặc kỵ khí không bắt buộc, tất cả đều hình thành nội bào tử Do sự

đa dạng sinh thái và loài nên các hoạt chất sinh học của chúng cũng rất phong phú

Triển vọng ứng dụng của vi khuẩn Bacillus trong nhiều lĩnh vực đời sống, đặc biệt

là trong xử lý nước thải vì khả năng sinh nhiều enzyme ngoại bào Một số loài

thuộc nhóm vi khuẩn Bacillus như: B cereus, B subtilis và B licheniformis đã

Trang 35

được ứng dụng trong xử lý nước thải đặc biệt là nước thải giàu dinh dưỡng do có khả năng sinh nhiều nhóm enzyme như protease để phân hủy protein, amylase phân hủy tinh bột, cellulase phân hủy celluloza, lipase phân hủy lipit…[1], [9], [13]

Hầu hết các vi khuẩn thuộc chi Bacillus là vi khuẩn dinh dưỡng hóa hữu cơ,

thu năng lượng dự trữ từ quá trình acid hóa các hợp chất hữu cơ và chúng có thể phát triển trong môi trường có nhưng nguồn carbon là năng lượng duy nhất Khi có

mặt của không khí phần lớn các vi khuẩn Bacillus đều có thể phát triển và sinh bào

tử và phần lớn trong chúng có enzyme catalase Các thành viên của nhóm Bacillus

ít phát triển kị khí khi không có các chất nhận điện tử ngoại sinh B subtilis được

xem là một vi khuẩn hiếu khí hoàn toàn nhưng chúng có thể phát triển trong điều kiện không có oxy và sản sinh acetoin, acetate, các acid và 2,3-butadiendiol từ pyrovate thông qua acetolactate [13], [14]

1.5.3 Một số kết quả ứng dụng công nghệ USBF trong xử lý nước thải tại Việt Nam

Hiện nay công nghệ lọc dòng ngược bùn sinh học USBF chỉ mới bước đầu được nghiên cứu tìm hiểu tại Việt Nam Năm 2006 một nhóm nghiên cứu thuộc

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM thực hiện đề tài “Nghiên cứu xử

lý nước thải đô thị bằng công nghệ sinh học kết hợp lọc dòng ngược USBF (The Upflow Sludge Blanket Filter)” và kết quả xử lý trên mô hình thực nghiệm nhận

được hết sức khả quan

Nghiên cứu sử dụng mô hình công nghệ USBF để xử lý nước thải đô thị, là công nghệ cải tiến của của quá trình bùn hoạt tính trong đó kết hợp 3 modul chính: quá trình thiếu khí, hiếu khí và quá trình lọc bùn sinh học ngược trong cùng một đơn vị xử lý nước thải Đây chính là công đoạn thể hiện ưu điểm của hệ thống do kết hợp cả lọc và xử lý sinh học của chính khối bùn hoạt tính một cách rất hiệu quả Hiệu quả xử lý COD, BOD5, N và P tương ứng vào khoảng 85%, 90%, 94% và 75% Bùn hoạt tính thích nghi rất nhanh với đặc tính của nước thải và điều kiện vận hành của mô hình Chất lượng nước thải đầu ra đạt tiêu chuẩn cho phép

Trang 36

Nghiên cứu của Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM về công nghệ USBF trong xử lý nước thải đô thị mới chỉ dừng ở bước khẳng định hiệu quả

xử lý cao Hiệu quả này cũng đã được khẳng định qua nhiều nghiên cứu ngoài nước trong suốt 30 năm trở lại đây Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu chưa đánh giá được các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu quả xử lý của công nghệ USBF và thông số của thiết

bị tại điều kiện ở nước ta Do đó, kết quả nghiên cứu chưa thực sự được áp dụng vào thực tế sản xuất

Bằng thực tế tìm hiểu sơ bộ cho thấy, ở miền Bắc nước ta hiện chưa có cơ sở sản xuất nào áp dụng công nghệ này trong hệ thống xử lý nước thải của mình, công nghệ sử dụng phổ biến vẫn là công nghệ bùn hoạt tính Một số công ty cũng đã bắt đầu giới thiệu sơ bộ về công nghệ USBF, nhưng mới chỉ dừng ở giới thiệu mô hình, chưa nghiên cứu sâu về thông số ảnh hưởng, thông số thiết kế, công nghệ nhập nguyên chiếc của nước ngoài

Tại miền Nam, cũng có một số công trình xử lý nước thải tại khách sạn và khu nghỉ dưỡng đã sử dụng thiết bị USBF (ví dụ: khách sạn Novotel - Phan Thiết, Bình Thuận; khu nghỉ dưỡng Aquaba - Mũi Né, Bình Thuận…) Tuy nhiên, những công nghệ thiết bị USBF này cũng được một số công ty tư vấn công nghệ môi trường cung cấp trên cơ sở nhập thiết bị của nước ngoài về lắp đặt tại Việt Nam

Với các công nghệ USBF nhập ngoại có ưu điểm: dây chuyền thiết bị đồng

bộ, tính tự động hóa cao, thiết bị tối ưu tương thích cho dải công suất - tính chất nước thải nhất định Tuy nhiên, giá thành thiết bị rất cao khó đáp ứng được nhu cầu trong nước, sau một thời gian vận hành dễ dẫn tới gặp nhiều khó khăn hoặc bị hỏng hóc do thiết bị chưa hoàn toàn phù hợp khi chạy ở điều kiện tại nước ta, trong khi

đó thời gian cho quá trình bảo dưỡng bị kéo dài, ảnh hưởng tới kinh doanh sản xuất, đòi hỏi công nhân vận hành có tay nghề cao…Vì vậy, tần suất sử dụng công nghệ USBF chưa phổ biến

Trang 37

Mặt khác, hiện nay, theo số liệu thống kê mới chỉ có 22% khu công nghiệp đã hoàn thành hạng mục công trình xử lý nước thải…tại các khu công nghiệp còn lại, nước thải sau xử lý cục bộ đều thải trực tiếp ra sông, biển gây ô nhiễm nghiêm trọng môi trường nước, đất và ảnh hưởng tới dân cư xung quanh khu công nghiệp [3] Trong sản xuất công nghiệp tại Việt Nam chưa có nhà máy, cơ sở sản xuất áp dụng công nghệ USBF Như vậy, nhận thấy rằng mức độ làm chủ công nghệ USBF tại nước ta là rất hạn chế, đặc biệt, việc đánh giá khả năng ứng dụng trên quy mô công nghiệp cho công nghệ USBF chưa được thực hiện

Trang 38

CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 2.1 Vật liệu

Các mẫu nước thải sử dụng trong nghiên cứu được thu thập tại 5 địa điểm giết mổ lợn tập trung được ký hiệu như sau:

- BH1: Mẫu được lấy tại cơ sở giết mổ lợn Bích Hồng (Phùng Khoang – Từ Liêm – Hà Nội)

- PK1: Mẫu được lấy tại cơ sở giết mổ lợn Mễ Trì (Mễ Trì – Từ Liêm – Hà Nội)

- TL2: Mẫu được lấy tại Trung tâm nghiên cứu gia cầm Thụy Phương (Thuỵ Phương - Từ Liêm - Hà Nội)

- ND1: Mẫu được lấy tại công ty Cổ phần xuất nhập khẩu đông lạnh lợn con (Từ Liêm, Hà Nội)

- ND2: Mẫu được lấy tại công ty Cổ phần công nghệ thực phẩm Vinh Anh (Trung Văn – Từ Liêm – Hà Nội)

2.2 Hóa chất

Các hóa chất chính sử dụng trong nghiên cứu được trình bày trong Phụ lục 1

2.3 Thiết bị

Thiết bị được sử dụng trong nghiên cứu được trình bày trong Phụ lục 1

Thiết bị thử nghiệm: Mô hình USBF quy mô phòng thí nghiệm dung tích làm việc 50 lít do Viện Máy và Dụng cụ công nghiệp (Bộ công thương) chế tạo và lắp đặt Mô hình có khả năng điều chỉnh lưu lượng đầu vào, lưu lượng bùn tuần hoàn và khuấy tự động Thiết bị thử nghiệm được thể hiện trên hình 2.1

Trang 39

A B

Hình 2.1: Mô hình thiết bị USBF quy mô phòng thí nghiệm dung tích làm việc 50

lít (A) và vận hành song song 02 mô hình thiết bị USBF (B)

Quá trình được thực hiện trên 02 mô hình USBF giống nhau và chạy song song để so sánh đánh giá hiệu quả các đợt xử lý

2.4 Môi trường nuôi cấy

Môi trường nuôi cấy được thể hiện trong Phụ lục 1

2.5 Phương pháp nghiên cứu

2.5.1 Lấy mẫu và phân tích vi sinh vật tổng số trong nước thải

2.5.1.1 Phương pháp lấy mẫu

Tùy theo tính chất của mẫu (bùn hay nước) mà có phương pháp thu thập mẫu thích hợp Dụng cụ lấy và đựng mẫu được vô trùng trước khi sử dụng Mẫu nước thải được lấy cách bề mặt 10 cm, mẫu nước được đựng trong các ống nghiệm nút cao su có ghi rõ đặc điểm và địa điểm lấy mẫu Mẫu được bảo quản trong tủ lạnh ở 4oC cho đến khi xử lý và phân tích Các mẫu sử dụng cho phân tích chỉ tiêu

ô nhiễm của nước thải được đánh số từ M1 đến M7

2.5.1.2 Xác định số lượng vi sinh vật trong nước thải

- Pha loãng mẫu:

Trang 40

Hút 1 ml mẫu nước thải cho vào ống nghiệm chứa 9 ml nước cất khử trùng, lắc đều Dịch thu được đã có độ pha loãng là 10-1 Hút 1 ml dịch đã pha loãng chuyển vào một ống nghiệm sạch đã chứa 9 ml nước cất khử trùng được độ pha loãng 10-2 Tiếp tục pha loãng cho tới khi đạt độ pha loãng 10-6 hoặc cao hơn Dịch

đã pha loãng ở mỗi nồng độ được cấy vô trùng và trang đều trên các đĩa Petri đã có sẵn môi trường phân lập thích hợp Các đĩa đã cấy được nuôi trong tủ ấm 30oC trong 2 - 4 ngày

- Xác định vi khuẩn hiếu khí tổng số:

Lấy 0,1 ml dịch pha loãng ở nồng độ cần thiết, nhỏ vào chính giữa các đĩa môi trường MPA Dùng que gạt trang đều đĩa thạch cho đến khi khô mặt thạch Các đĩa thạch khi đã gạt khô cho vào tủ ấm ở nhiệt độ là 37o

C Sau 24 - 48 giờ thì lấy đĩa và đếm số lượng khuẩn lạc

Công thức tính số lượng CFU/ml: N =

m d n

n n

Trong đó:

CFU: đơn vị hình thành khuẩn lạc

N : số lượng CFU/ml

C : tổng số khuẩn lạc đếm được trên tất cả các đĩa

n1: số khuẩn lạc trong đĩa Petri ở tỉ lệ pha loãng lần 1

n2: số khuẩn lạc trong đĩa Petri ở tỉ lệ pha loãng lần 2

nn : số khuẩn lạc trong đĩa Petri ở tỉ lệ pha loãng lần n

d : tỉ lệ pha loãng lần 1