PHÂN lập và TUYỂN CHỌN một số CHỦNG VI KHUẨN NITRATE hóa từ nước THẢI CHĂN NUÔI HEO đã chuyển đổi

PHÂN lập và TUYỂN CHỌN một số CHỦNG VI KHUẨN NITRATE hóa từ nước THẢI CHĂN NUÔI HEO đã chuyển đổi Nước thải chăn nuôi heo có nồng độ ô nhiễm lớn, hàm lượng chất hữu cơ cao, lượng BOD, COD lớn, lượng chất dinh dưỡng lớn, N, P vượt nhiều lần so với tiêu chuẩn cho phép. (Vũ Đình Tôn, 2008) Ở nước ta, công tác xử lý nước thải chăn nuôi thường chỉ chú trọng đến việc loại bỏ COD, BOD mà chưa được quan tâm đúng mức đối với chỉ tiêu ô nhiễm ammonium (NH4+), là chất gây độc cho sinh vật khi chuyển thành dạng amoniac (NH3), làm giảm hàm lượng oxy hòa tan của nguồn nước. Đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý ammonium trong nước thải chăn nuôi heo là nhóm vi khuẩn tham gia vào quá trình nitrate hóa. Đại diện là vi khuẩn Nitrosomonas đẩy nhanh khả năng oxy hóa ammonium (NH4+) thành nitrite (NO2) để làm nguyên liệu cho quá trình nitrate hóa do vi khuẩn Nitrobacter thực hiện, nhằm hạn chế các hợp chất gây độc, ngăn ngừa dịch bệnh, góp phần xây dựng một nền công nghiệp bền vững, bảo vệ sức khỏe cộng đồng và môi trường sinh thái.

CHƢƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1 Tính cấp thiết đề tài Chăn nuôi heo ngành nghề phổ biến phát triển mạnh nước ta, từ đơn vị chăn ni theo hộ gia đình nhỏ lẻ ngày mơ hình chăn ni heo theo hướng trang trại công nghiệp bán công nghiệp phát triển Theo Tổng cục Thống kê năm 2015, tổng đàn heo nước có khoảng 27,7 triệu chiếm gần 76% tổng số gia súc Tuy nhiên, việc phát triển chăn nuôi theo hướng trang trại thải lượng chất thải lớn gây ô nhiễm môi trường, mùi hôi từ nước thải ảnh hưởng lớn đến sức khỏe người, vật nuôi môi trường sống xung quanh Nước thải chăn ni heo có nồng độ nhiễm lớn, hàm lượng chất hữu cao, lượng BOD, COD lớn, lượng chất dinh dưỡng lớn, N, P vượt nhiều lần so với tiêu chuẩn cho phép (Vũ Đình Tơn, 2008) Ở nước ta, công tác xử lý nước thải chăn nuôi thường trọng đến việc loại bỏ COD, BOD mà chưa quan tâm mức tiêu ô nhiễm ammonium (NH4+), chất gây độc cho sinh vật chuyển thành dạng amoniac (NH3), làm giảm hàm lượng oxy hòa tan nguồn nước Đóng vai trị quan trọng việc xử lý ammonium nước thải chăn ni heo nhóm vi khuẩn tham gia vào q trình nitrate hóa Đại diện vi khuẩn Nitrosomonas đẩy nhanh khả oxy hóa ammonium (NH4+) thành nitrite (NO2-) để làm nguyên liệu cho trình nitrate hóa vi khuẩn Nitrobacter thực hiện, nhằm hạn chế hợp chất gây độc, ngăn ngừa dịch bệnh, góp phần xây dựng cơng nghiệp bền vững, bảo vệ sức khỏe cộng đồng môi trường sinh thái Do “ Phân lập tuyển chọn số chủng vi khuẩn nitrate hóa (Nitrosomonas Nitrobacter) từ nƣớc thải chăn nuôi heo” đề tài nghiên cứu thật cần thiết, có ý nghĩa thực tiễn cao, góp phần nhỏ cơng xử lý nước thải, bảo vệ môi trường nâng cao chất lượng sống 1.2 Mục tiêu đề tài Phân lập tuyển chọn số chủng vi khuẩn nitrate hóa (Nitrosomonas Nitrobacter) có có khả chuyển hóa hợp chất gây độc trung gian (NH 4+,NO2-) thành NO3- 1.3 Nội dung đề tài - Phân lập vi khuẩn Nitrosomonas Nitrobacter từ nước thải chăn nuôi heo - Sàng lọc tuyển chọn vi khuẩn Nitrosomonas Nitrobacter có khả chuyển hóa hợp chất gây độc trung gian (NH4+, NO2-) thành NO3- - Định danh vi khuẩn Nitrosomonas Nitrobacter tuyển chọn Chƣơng 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1 Khái quát chăn ni heo 2.1.1 Tình hình chăn ni heo Việt Nam 2.1.1.1 Hiện trạng chăn nuôi Theo Tổng cục Thống kê năm 2015, tổng đàn heo nước có khoảng 27,7 triệu con, tăng 3,7% so với thời điểm năm trước, thành phố Hồ Chí Minh có khoảng 360 000 con, tăng 30% Cơ cấu chăn nuôi heo chuyển dịch từ hệ thống chăn nuôi nhỏ lẻ sang chăn nuôi trang trại nhằm đáp ứng nhu cầu thực phẩm ngày tăng người tiêu dùng 2.1.1.2 Định hƣớng phát triển chăn nuôi heo Việt Nam Trong số nước thuộc khối ASEAN, Việt Nam nước chịu áp lực đất đai lớn Tốc độ tăng dân số q trình thị hóa làm giảm diện tích đất nơng nghiệp Để đảm bảo an tồn lương thực thực phẩm, biện pháp thâm canh chăn ni, chăn ni heo thành phần quan trọng định hướng phát triển Theo định số 10/2008/QĐ-TTg ngày 16 tháng năm 2008 Thủ tướng phủ việc phê duyệt chiến lược phát triển chăn ni đến năm 2020 thì: o Đến năm 2020 ngành chăn nuôi chuyển sang sản xuất phương thức trang trại, công nghiệp, đáp ứng phần lớn nhu cầu thực phẩm đảm bảo chất lượng cho tiêu dùng xuất o Tỷ trọng chăn nuôi nông nghiệp đến 2020 đạt 42% o Đảm bảo an toàn dịch bệnh vệ sinh an tồn thực phẩm, khống chế có hiệu bệnh nguy hiểm chăn nuôi o Các sở chăn nuôi, chăn nuôi theo phương thức trang trại, công nghiệp sở giết mổ, chế biến gia súc, gia cầm phải có hệ thống xử lý chất thải, bảo vệ giảm ô nhiễm môi trường o Mức tăng trưởng bình quân: giai đoạn 2015 – 2020 đạt khoảng – % năm 2.1.1.3 Hiện trạng ô nhiễm môi trƣờng chăn nuôi heo Trong năm gần đây, chăn nuôi heo phát triển với tốc độ nhanh chủ yếu tự phát chưa đáp ứng tiêu chuẩn kỹ thuật chuồng trại kỹ thuật chăn ni Do suất chăn nuôi thấp gây ô nhiễm môi trường cách trầm trọng Ơ nhiễm mơi trường khơng ảnh hưởng đến sức khỏe vật nuôi, suất chăn ni mà cịn ảnh hưởng lớn đến sức khỏe người môi trường sống xung quanh Mỗi năm ngành chăn nuôi gia súc gia cầm thải khoảng 75 – 85 triệu phân, với phương thức sử dụng phân chuồng không qua xử lý ổn định nước thải không qua xử lý xả trực tiếp môi trường gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Chất thải chăn nuôi tác động đến môi trường sức khỏe người nhiều khía cạnh: gây nhiễm nguồn nước măt, nước ngầm, mơi trường khí, mơi trường đất sản phẩm nơng nghiệp Đây nguyên nhân gây nhiều bệnh hô hấp tiêu hóa chất thải chứa nhiều vi sinh vật gây bệnh, trứng giun, tổ chức y tế giới (WHO) cảnh báo: khơng có biện pháp thu gom xử lý chất thải chăn nuôi cách thỏa đáng ảnh hưởng lớn đến sức khỏe người, vật nuôi gây ô nhiễm mơi trường nghiêm trọng Cho đến nay, chưa có báo cáo đánh giá chi tiết đầy đủ ô nhiễm môi trường ngành chăn nuôi gây Theo báo cáo tổng kết viện chăn nuôi (Antoine Pouilieute, Bùi Bá Bổng, Cao Đức Phát, 2010), hầu hết hộ chăn nuôi để nước thải chảy tự môi trường xung quanh gây mùi thối nồng nặc, đặc biệt vào ngày oi Nồng độ khí H 2S NH3 cao mức cho phép khoảng 30 – 40 lần (Bùi Xuân An, 2007) Tổng số vi sinh vật bào tử nấm cao mức cho phép nhiều lần Ngoài nước thải chăn ni cịn có chứa Coliform, E.coli, COD…, trứng giun sán cao nhiều lần so với tiêu chuẩn cho phép Ơ nhiễm mơi trường khu vực trại chăn nuôi phân hủy chất hữu có mặt phân nước thải heo Sau chất thải khỏi thể heo chất khí bay lên, khí thải chăn ni bao gồm hỗn hợp nhiều loại khí có 40 loại gây mùi, chủ yếu H 2S NH3 Trong điều kiện kỵ khí cộng với có mặt vi khuẩn phân nước thải xảy trình khử ion sunphat (SO 42-) thành sunphua (S2-) Trong điều kiện bình thường H2S nguyên nhân gây vấn đề màu mùi Nồng độ S2- hố thu nước thải chăn nuôi heo lên đến 330 mg/l, cao nhiều so với tiêu chuẩn (theo TCVN 5945-2005, nồng độ sunfua 1,0mg/l) (Bùi Xuân An, 2007) Việc kiểm sốt chất thải chăn ni nội dung cấp bách cần cấp quản lý, nhà sản xuất cộng đồng dân cư phải quan tâm để hạn chế vấn đề ô nhiễm môi trường nhằm bảo vệ sức khỏe người, khơng kìm hãm phát triển ngành chăn ni heo 2.1.2 Khái quát nƣớc thải chăn nuôi heo 2.1.2.1 Đặc điểm thành phần Nước thải chăn nuôi heo bao gồm phần phân rắn, nước tiểu, nước rửa chuồng tắm heo (Trương Thanh Cảnh, 2010) Loại nước thải có khả gây nhiễm mơi trường có chứa hàm lượng cao chất hữu cơ, cặn lơ lửng, nitơ, photpho vi sinh vật gây bệnh Số lượng chất thải ngày theo Lochr (1984) – 8% khối lượng thể heo, lượng chất thải rắn từ trại chăn nuôi tạo hàng ngày tương đối lớn dẫn đến lượng nước thải xả từ trại cao Bảng 2.1: Lượng nước thải cách xử lý trang trại (Vũ Đình Tơn, 2008) Lượng nước thải ước tính (m3/ngày) Tỉnh Nơi đổ nước thải Heo nái + đực Heo thịt Tổng số Hải Dương 1,5 – 4,5 -13 3, -17,5 - Ao cá trại Hưng Yên 1,5 – 2,5 – 15 3,5 – 18,5 - Kênh mương công Bắc Ninh 1,5 – - 11 - 20 cộng Theo kết phân tích số nghiên cứu Vũ Đình Tơn (2008) nhìn chung thấy đặc điểm nước thải từ chăn ni heo có chứa lượng chất hữu cao (chiếm khoảng 70 – 80%) bao gồm xenlulozơ, hemixenlulozơ, protein, tinh bột chưa tan Khả hấp thụ N P loài gia súc, gia cầm nên thức ăn có chứa N P chúng tiết ngồi theo phân nước tiểu Hàm lượng nitơ tổng nước thải chăn nuôi đo sau biogas từ 571 – 594 mg/l, photpho từ 13.8 – 62 mg/l Theo Jongbloed Lenis (1992), heo trưởng thành ăn vào 100g nitơ có 30g giữ lại thể, 50g tiết theo nước tiểu dạng urea, 20g dạng phân nitơ vi sinh khó phân hủy an tồn cho mơi trường Chính lí đó, nước thải heo thường chứa hàm lượng N P cao Bảng 2.2: Thành phần nước thải chăn nuôi heo Tôn cs STT Thông số Đơn vị Hồng cs (2012) BOD5 mg/L 873 – 1690 1150,8 – 1250,7 COD mg/L 1794 – 3871 2140,5 – 2527,7 SS mg/L 1528 – 4521 VSS mg/L 955 – 2753 TN mg/L 421 – 778 TP mg/L 131 – 512 Tổng coliform MPN/100 mL 4,4 x 106 – 110x 106 (2008) 230,8 – 241, 2.1.2.2 Hiện trạng ô nhiễm nƣớc thải chăn nuôi heo Tại khu vực miền Nam có khoảng 1500 trang trại chăn ni heo quy mơ vừa lớn, có khoảng 10,5% số trang trại có hệ thống xử lý nước thải Theo Vân cs (2013) thống kê địa bàn toàn miền Nam, số nước thải BOD COD nước thải chăn nuôi heo vượt ngưỡng cho phép (Bảng 1.3) Bảng 2.3 BOD COD nước thải trang trại chăn nuôi heo miền Nam (Vân cs, 2013) COD, BOD (mg/l) Loại chất thải COD BOD Nước ao gần chuồng khuôn viên trang trại 2,4 1,2 Nước thải sau biogas 27,3 19,1 Nước hồ tắm cho heo 20,5 37,4 Hỗn hợp nước thải phân 106 81,6 Nước rửa chuồng 84,2 65,6 50 30 QCVN 01 – 79: 2011/BNNPTNT 2.1.2.3 Một số phƣơng pháp xử lý nƣớc thải chăn nuôi heo Nước thải chăn nuôi heo coi nguồn nước thải gây ô nhiễm nghiêm trọng Hiện nay, để xử lý ô nhiễm môi trường chăn ni có nhiều cơng nghệ đại áp dụng Các biện pháp triển khai thực năm gần như: Xây dựng hầm khí biogas, sử dụng số chế phẩm sinh học xử lý mùi hơi,…Trong đó, việc xây dựng hầm biogas biện pháp áp dụng rộng rãi mang lại hiệu tương đối rõ nét (Trần Liễu, 2010) Trên sở cơng nghệ khí sinh học, nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi heo Việt Nam tập trung vào qui trình chính: o Sử dụng thiết bị xử lý kị khí tốc độ thấp bể biogas kiểu Trung Quốc, Ấn Độ, Việt Nam dùng túi nhựa PE (phương pháp áp dụng cho xử lý nước thải chăn ni heo hộ gia đình với số đầu heo khơng nhiều 400 con) o Xây dựng qui trình cơng nghệ thiết bị tương đối hồn chỉnh, đồng nhằm áp dụng xí nghiệp chăn ni heo mang tính chất cơng nghiệp 2.2 Các q trình chuyển hố nitơ vơ vai trị nhóm vi khuẩn nitrate hóa Trong nước nitơ tồn nhiều dạng khác môi trường cạn nitơ phân tử, hợp chất nitơ vô hợp chất hữu phức tạp có thể sống (protein, acid amin) N2 Nitơ hữu Cố định nitơ ếtvật Quá trình ti động U rê Vi khuẩn khử nitrat Nitơ hữu Thủy phân Khử amin NH3 NH + nước thải Khi pH tăng MLVSS Nitơ hữu NO 3− Nitrobacter NO 2− Nitrosomonas NH + Bể BHT Hình 2.1 Vịng tuần hồn nitơ (Triết Việt, 2009) Khi thể sinh vật chết đi, chất hữu chứa nitơ bị thối rửa amơn hố tác dụng vi sinh vật thành NH hay NH4+ Dạng NH4+ bị chuyển hoá thành dạng NO3- nhờ nhóm vi khuẩn nitrate hố Các hợp chất nitrate lại chuyển hoá thành dạng nitơ phân tử tác dụng vi khuẩn phản nitrtate hoá Khí nitơ phân tử cố định lại dạng hợp chất hữu nhờ nhóm vi khuẩn cố định đạm Các trình kết hợp lại tạo vịng tồn hồn nitơ thuỷ vực (Hình 1.1) Trong tất q trình có tham gia nhóm vi khuẩn khác Nếu hoạt động nhóm vi khuẩn ngừng trệ, tồn tiến trình chuyển hố nitơ bị ảnh hưởng gây tích tụ số hợp chất nitơ thuỷ vực gây nên biến đổi chất lượng nước làm ảnh hưởng đến đời sống thuỷ sinh vật sống thuỷ vực (Kiều Hữu Ảnh Ngơ Tự Thành, 1985) 2.3 Q trình nitrate hóa Amonium sản phẩm cuối q trình chuyển hóa protein, cần phải ngăn chặn gây độc hại cho lồi thủy sinh vật nồng độ thấp (Grommen, 2005) Quá trình nitrate hố q trình oxy hố muối amơn thành muối nitrate nhờ hoạt động nhóm vi sinh vật gọi chung nhóm vi khuẩn nitrate hố Đây nhóm vi khuẩn hiếu khí tự dưỡng hố bao gồm hai nhóm nhỏ tham gia vào hai giai đoạn trình này: Giai đoạn giai đoạn oxy hoá NH 4+ thành NO2được gọi giai đoạn nitrite hoá thực nhóm AOB (ammonia oxidizing bacteria) Giai đoạn giai đoạn oxy hoá NO 2- thành NO3- gọi giai đoạn nitrate hố nhóm NOB (nitrite oxidizing bacteria) (Cole, 1994) NH4+ + 1.5O2  NO2- + 2H+ +H2O NO2- + 0.5O2  NO3- (Vi khuẩn nhóm AOB) (Vi khuẩn nhóm NOB) Tóm tắt q trình nitrate hóa Q trình nitrate hóa xúc tác hai nhóm phylogenetically: vi khuẩn amonia-oxy hóa (AOB) vi khuẩn nitrite-oxy hóa (NOB) (Roeland Grommen, 2004) Nhóm vi khuẩn AOB thuộc nhánh nhân loại phụ bao gồm chi: Nitrosomonas, Nitrosospira, sinh vật tiền nhân, Nitrosovibrio, Nitrosolobus, Nitrosococcus (Lâm Minh Triết, Lê Hồng Việt, 2009) Nhóm vi khuẩn NOB thuộc nhánh nhân loại phụ sinh vật tiền nhân, bao gồm chi: Nitrobacter ( -Proteobacteria), Nitrococcus ( -Proteobacteria), Nitrospina (preliminarily assigned to the -Proteobacteria) Nitrospira (separate phylum) (Aurelie Cebron & Josette Garnier, 2005) Vi khuẩn nitrate hóa tồn nhiều loại mơi trường sống gồm nước ngọt, nước biển, nước lợ, nước thải, nước đất Các chi đại diện Nitrosomonas Nitrobacter Chúng sử dụng trực tiếp carbon dioxide tổng hợp thành carbon hữu cho tế bào (Gerardi, 2002) Có nhiều sinh vật tham gia vào trình phân hủy chất hữu có khả tham gia q trình nitrate hóa Trong đó, vi khuẩn phân hủy chất hữu chiếm phần lớn (90-97%) có khoảng 3-10% vi khuẩn nitrate hóa Tuy có nhiều nhóm sinh vật tham gia vào q trình nitrate hóa người ta cho vi khuẩn đóng vai trị quan trọng nhất, tốc độ nitrate hóa chúng gấp từ 1.000 – 10.000 lần so với tốc độ nitrate hóa nhóm khác.( Lâm Minh Triết Lê Hồng Việt, 2009) Q trình nitrate hóa diễn vi khuẩn dị dưỡng (Arthrobacter) nấm (Aspergillus) Các vi sinh vật sử dụng nguồn carbon từ hợp chất hữu oxi hóa amôn thành nitrate Tuy nhiên, vi khuẩn dị dưỡng cần lượng tăng trưởng chúng chậm nhóm vi khuẩn nitrate hóa tự dưỡng nhiều Do đó, mức độ đóng góp vào trình nitrate hóa coi khơng đáng kể Trong đất rừng tỉ lệ nitrate hóa vi sinh vật dị dưỡng khơng q 10% tổng q trình nitrate hóa ( Lâm Minh Triết Lê Hoàng Việt, 2009) Các điều kiện tối ưu cho q trình nitrate hóa Bảng 2.4: Các điều kiện tối ưu cho trình nitrate hóa ( Đỗ Hồng Lan Chi Lâm Minh Triết, 2005) Điều kiện Thông số thiết kế Khoảng pH cho phép (95% nitrat hóa) 7.2 – 8.4 Nhiêt độ cho phép (95% nitrat hóa), oC 15 – 35 Nhiệt độ tối ưu, oC (ước tính) 30 Oxy hịa tan lưu lượng tối đa, mg/l >1 MLVSS, mg/l Kim loại nặng ức chế q trình nitrat hóa (Cu, Zn, Cd, Ni, Pb, Cr) 1200 – 2500