Nghiên cứu ứng dụng nhóm vi khuẩn anammox trong xử lý nước thải nuôi heo (tt)

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết Ngành chăn nuôi nói chung, chăn nuôi heo, phát triển theo hướng sản xuất công nghiệp Khối lượng chất thải sinh (chất thải rắn lỏng) tạo vô lớn Quản lý nguồn chất thải nhằm hạn chế ô nhiễm môi trường góp phần không nhỏ làm cho ngành sản xuất trở nên phát triển bền vững Đặc điểm nước thải chăn nuôi heo giàu chất hữu dễ phân hủy sinh học, giàu nitơ giàu photpho, có mùi hôi đặc trưng Nhưng thường trình xử lý quan tâm đến COD, SS…, sau trình lại nồng độ N-NH4 cao yếu tố gây ô nhiễm môi trường Vì việc tìm kiếmđđược công nghệ thích hợp để xử lý nitơ nước thải nuôi heo hoàn cảnh tương lai việc làm cần thiết Năm 1995 phát phản ứng chuyển hóa nitơ phản ứng oxy hóa kỵ khí Ammonium (Anammox) Quá trình Anammox ứng dụng thành công nước thải sinh hoạt đô thò nước thải công nghiệp thuộc da Hà Lan Đến Việt Nam chưa có công bố thức tạp chí chuyên ngành liên quan đến nghiên cứu thực nghiệm Anammox Mục tiêu luận án Từ vấn đề nêu trên, đề tài ”Nghiên cứu ứng dụng nhóm vi khuẩn Anammox xử lý nước thải nuôi heo” thực nhằm đạt hai mục tiêu sau: - Nghiên cứu môi trường thích hợp để làm giàu nhóm vi khuẩn Anammox từ bùn bể UASB hệ xử lý nước thải nuôi heo - Nghiên cứu xác lập công nghệ hợp lý cho xử lý nitơ sử dụng vi khuẩn Anammox nước thải nuôi heo Nội dung luận án * Nghiên cứu tích lũy-làm giàu nhóm vi khuẩn Anammox từ bùn kỵ khí (UASB) hệ thống xử lý nước thải chăn nuôi heo môi trường khác đònh danh vi khuẩn làm giàu phương pháp sinh học phân tử * Có vi khuẩn Anammox ứng dụng thí nghiệm * Nghiên cứu số yếu tố như: HRT, COD/tổng N tải lượng nitơ, ảnh hưởng đến qui trình xử lý ammonium nước thải chăn nuôi heo nhóm vi khuẩn Anammox làm giàu * Thực nghiệm sử dụng vi khuẩn Anammox làm giàu xử lý N-NH4 nước thải nuôi heo với mô hình 10 lít/ngày pilot 500lít/ngày Phương pháp nghiên cứu Để thực nội dung nghiên cứu nêu trên, sử dụng phương pháp nghiên cứu sau đây: ƒ Điều tra khảo sát, thu thập phân tích số liệu đặc trưng hóa lý sinh học nước thải chăn nuôi heo số trại nuôi heo thành phố Hồ Chí Minh Bình Dương ƒ Tổng quan tài liệu nghiên cứu nước công nghệ xử lý nitơ nước thải, thiết bò xử lý yếu tố ảnh hưởng đến trình xử lý ammonium nhóm vi khuẩn Anammox ƒ Thiết lập mô hình thực nghiệm làm giàu vi khuẩn Anammox từ bùn lấy bể UASB hệ thống xử lý nước thải chăn nuôi heo với môi trường khác ƒ Thiết lập thí nghiệm cho mô hình nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng Anammox từ sinh khối Anammox vừa làm giàu ƒ Nhận dạng đònh danh vi khuẩn Anammox phương pháp sinh học phân tử ƒ Thiết lập mô hình thực nghiệm xử lý trình nitrat hóa “giới hạn” (nitrit hóa) Anammox việc sử dụng nhóm vi khuẩn Anammox.với lưu lượng 10lít/ngày ƒ Trên sở kết thí nghiệm thu thiết lập thực thí nghiệm ứng dụng vi khuẩn Anammox Nitrosomonas xử lý ammonium qui mô pilot 500lít/ngày ƒ Tính toán xử lý số liệu phân tích Cấu trúc : Luận án gồm chương kết luận kiến nghò Ý nghóa khoa học thực tiễn Đề tài thực Việt Nam nghiên cứu môi trường làm giàu ứng dụng nhóm vi khuẩn Anammox đối tượng nước thải nuôi heo Về mặt khoa học giúp cho nghiên cứu có sở để chọn môi trường thích hợp cho loại bùn, làm giàu sinh khối vi khuẩn Anammox với thời gian ngắn Đồng thời ứng dụng công nghệ sinh học với việc sử dụng vi khuẩn Anammox xử lý nước thải có nồng độ ammonium cao Các số liệu phân tích thu trình vận hành mô hình thí nghiệm pilot tiến hành Viện Sinh Học Nhiệt Đới Xí nghiệp lợn giống Đông Á (huyện Dó An – tỉnh Bình Dương) CHƯƠNG TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 ĐẶC ĐIỂM, TÍNH CHẤT VÀ QUÁ TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI HEO 1.1.1 Giới thiệu chất thải chăn nuôi heo Mặc dù nước thải nuôi heo gây ô nhiễm môi trường vậy, hầu hết sở chăn nuôi lớn nhỏ chưa có hệ thống xử lý thích hợp có hoạt động không thường xuyên, hiệu xử lý thấp Nguyên nhân vấn đề phần nhà quản lý xí nghiệp chăn nuôi chưa coi việc xử lý chất thải thật cần thiết 1.1.2 Nước thải chăn nuôi heo * Đặc điểm thành phần nước thải nuôi heo Hàm lượng chất gây ô nhiễm nước thải nuôi heo dao động đáng kể tùy thuộc khối lượng nước dùng vệ sinh chuồng trại Bảng Thành phần nước thải chăn nuôi heo số nước Quốc gia Việt Nam Việt Nam Úùc Ý Singapore Thái Lan Nhật Hàn Quốc BOD5 mg/l 700-2100 1664-3268 70006.700 - COD mg/l 1000-3000 2561-5028 2106-6000 4600 6450 9000-20000 3.300-5.500 TS g/l - SS N-NH4 pH mg/l mg/l 300 865 6,5-7,7 1700-3218 304-4717,2 - 8,1 391-669 2,13 435 6,65 1,6-3,3 7.900 0,9-1,8 400-600 - T-P mg/l 14-62 45-90 * Xử lý nước thải nuôi heo phương pháp sinh học Có nhiều phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi heo, nhiên phương pháp có ưu, nhược điểm đònh: - Phương pháp xử lý sinh học điều kiện tự nhiên: Chủ yếu vào khả tự làm sinh học môi trường đất thủy vực - Một số phương pháp xử lý sinh học điều kiện nhân tạo: Bể Aerotank; Bể lọc kỵ khí; Bể UASB; Bể Biogas 1.1.3 Một số qui trình xử lý nước thải chăn nuôi heo - Qui trình thứ sử dụng thiết bò xử lý kỵ khí tốc độ thấp bể lên men tạo khí biogas Phương pháp áp dụng xử lý nước thải chăn nuôi heo hộ gia đình - Qui trình thứ hai xây dựng quy trình công nghệ thiết bò tương đối hoàn chỉnh, đồng nhằm áp dụng xí nghiệp nuôi heo mang tính chất công nghiệp có qui trình sau: Xử lý học (lắng tách chất rắn), xử lý sinh học (bắt đầu sinh học kỵ khí UASB, sinh học hiếu khí hồ thực vật thủy sinh), khử trùng nước trước xả thải môi trường - Đã thiết lập hệ thống xử lý nước thải nuôi heo công suất 150 m3/ngày, Xí nghiệp lợn giống Đông Á: Hệ thống hoạt động, liên tục 18 tháng đạt ổn đònh cao Nước thải sau xử lý đạt tiêu môi trường sau: COD = 82,4 mg/l, BOD5 = 43,9mg/l, N-NH4 = 8,4mg/l; SS= 47,3mg/l, toång P = 3,7mg/l So với TCVN 5945-1995 (cột B) hàm lượng N-NH4 chưa đạt Vì vậy, cần có giải pháp khắc phục Nguồn tiếp nhận Khí biogas Cấp khí Các bể điều hòa tách phân Các bể kỵ khí (UASB) Các bể hiếu khí Hồ thực vật thuỷ sinh Bể lắng Hình Sơ đồ công nghệ xử lý nước thải Xí nghiệp lợn giống Đông Á - Hoạt động hệ pilot xử lý nước thải nuôi heo công suất 30 m3/ngày, đặt Xí nghiệp chăn nuôi heo Gò Sao - Quận 12 Tp.HCM, đạt kết xử lý sau: hiệu loại COD 96,7%; BOD5 97,4%; N-NH4 99,4%; SS 97,9% Bùn hoàn lưu Nước thải Các ô ủ Compost * Edgerton (Úc) cho chiến lược giải nước thải chăn nuôi heo sử dụng kỹ thuật SBR, làm giảm mùi hôi N-NH4 giảm 99%, COD giảm 79% P-PO4 giảm 49% * Tilche Công nghệ SBR mà tác giả đề nghò giảm 98% COD, nitơ phospho (COD từ 28.760 mg/l xuống 336 mg/l, tổng N từ 2.153 mg/l xuống 30,3 mg/l, tổng P từ 450 mg/l xuống 8,75 mg/l) * Khi nghiên cứu trình xử lý nước thải nuôi heo Karakashes cộng (The future of Biogas in Europe – III, 14 -16 june 2007) cho thaáy hiệu xử lý đạt COD 90-95 %, N-NH4 80-90%, TSS 98% phospho khoảng 96 % Tóm lại: Ở nước ta tiến hành nhiều thực nghiệm nhằm tìm công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi heo Nhiều kết nghiên cứu triển khai áp dụng trang trại chăn nuôi heo Tuy nhiên nghiên cứu triển khai ứng dụng đa số quan tâm đến kết khử COD, BOD5, SS, mà quan tâm đến xử lý thành phần nitơ photpho nước thải chăn nuôi heo, lại nguyên nhân sâu xa gây nên hủy hoại sinh thái môi trường thủy vực ô nhiễm nguồn nước, kể nước sinh hoạt 1.2 TỔNG QUAN VỀ NHÓM VI KHUẨN ANAMMOX 1.2.1 Giới thiệu: Năm 1995, phản ứng chuyển hóa nitơ chưa biết trước lý thuyết lẫn thực nghiệm phát Đó phản ứng oxy hóa kỵ khí ammonium (Anaerobic Ammonium Oxdation – Anammox) Trong ammonium oxi hóa nitrit điều kiện kỵ khí, không cần cung cấp chất hữu cơ, để tạo thành nitơ phân tử Trên bình diện lý thuyết, chu trình nitơ tự nhiên bổ sung thêm mắt xích mới, công nghệ, có nhà máy xử lý nitơ phi truyền thống vận hành Hà Lan, Đức, Áo Mục tiêu luận án tổng quan cách hệ thống phát hiện, phát triển, vấn đề hóa sinh vi sinh học ứng dụng phản ứng Anammox nói chung, làm sở nghiên cứu loại môi trường làm giàu sinh khối vi khuẩn Anammox khả năng, ứng dụng chúng vào hệ thống xử lý nước thải chăn nuôi heo 1.2.2 Sự phát phản ứng Anammox Thật ra, phản ứng Anammox dự báo từ trước phát Trên sở tính toán nhiệt động học, Broda, 1977 dự báo tồn vi khuẩn hóa tự dưỡng có khả oxy hóa ammonium nitrat, nitrit chí mặt lượng dễ xảy oxy hóa oxy phân tử: NH4+ + NO25 NH4+ + NO3NH4+ + 1.5 O2  N2 + H2O G0 = -357 Kj/mol  N2 + H2O + H+ G0 = -297 Kj/mol  NO2- + H+ + H2O G0 = -275 KJ/mol (1.1) (1.2) (1.3) Mãi 17 năm sau phản ứng Anammox lần phát bể lắng tiếp sau bể khử nitrat hệ xử lý bể phân hủy bùn Gist-brocades (Delft, Hà Lan) 1.2.3 Hóa sinh học trình Anammox 1.2.3.1 Phương trình phản ứng Như nói trên, phản ứng Anammox trình oxy hóa ammonium nitrit chế phương trình phản ứng sau: NH4+ + 1,32 NO2- + 0,066 HCO3- + 0.13 H+  1,02 N2 + 0,26 NO3+2,03 H2O + 0,066 CH2O0.5N0.15(Anammox) (1.4) 1.2.3.2 Cơ chế hóa sinh Dựa vào kết khảo sát việc sử dụng phương pháp đồng vò 15 N đề xuất chế hóa sinh trình Anammox Hình Cơ chế sinh hóa trình Anammox NR : enzyme khử nitrit (sản phẩm giả thiết NH2OH) HH: hydrazine hydrolase HZO: enzyme oxy hóa hydrazine Một điểm thú vò liên quan đến enzym HZO vi khuẩn Anammox có cấu trúc tương tự HAO vi khuẩn Nitrosomonas Vì nhân haem ion sắt (FeII FeIII), nên vi khuẩn Anammox có màu đỏ đặc trưng quần tụ mật độ lớn Xuất màu đỏ bùn hoạt tính thò tốt diện vi khuẩn Anammox Các nghiên cứu nhóm vi khuẩn Anammox cho thấy phản ứng kết hợp ammonium với hydroxylamine oxy hóa hydrazine xảy bên “thể” gọi Anammoxosome Anammoxosome nằm tế bào chất, bao bọc màng lipid ladderane, tách nguyên vẹn từ tế bào Anammox Hình Sơ đồ phân khoang tế bào Anammox - Cell wall: thành tế bào, - Intracytoplasm: màng tế bào chất - Cytoplasmic membrane: màng tế bào - Nucleoid: thể nhân 1.2.4 Vi sinh học trình Anammox Đến có chi vi khuẩn Anammox phát Brocadia, Kuenenia Scalindua Về mặt phân loại, vi khuẩn thành viên tạo thành nhánh sâu ngành Planctomycetes, Planctomycetales B A Hình Sơ đồ phát sinh loài vi khuẩn Anammox (A): Quan hệ với chi khác thuộc Planctomycetales (B): Quan hệ chi dòng có hoạt tính Anammox 1.2.5 Đặc điểm sinh lý yếu tố ảnh hưởng đến trình hoạt động vi khuẩn Anammox Nhóm vi khuẩn Anammox hoạt động khoảng nhiệt độ từ 20 đến 430C (tối ưu 400C), pH = 6.4 – 8.3 (tối ưu pH 8.0) Bảng 2: Tóm tắt yếu tố môi trường ảnh hưởng đến trình Anammox đặt tính nước thải nuôi heo sau bể UASB AOB Các yếu tố ảnh hưởng Nhiệt độ (0C) DO (mg/L) pH HCO3-/ N-NH4 (mol/mol) COD/tổng N (g/g) N-NO2 /N-NH4 (g/g) F/M (g/g.ngày) Nồng độ N-NH4 (mg/l) Môi trường tổng hợp nghiên cứu 25 - 35 1 0-5 0,9 -1,8 0,01-0,37 100 – 2.400 Đặt tính nước thải sau UASB vaø AOB 24 -26 6,8 - 8,2 >1