Vi khuẩn Nitrosomonas, Nitrobacter thường được tìm thấy trong đất, nước thải, nước ngọt...
Vi khuẩn Nitrosomonas có dạng hình bầu dục ngắn, thuộc nhóm vi khuẩn gram âm, không sinh nội bào tử. Chúng có tiên mao dài nên chuyển động được. Quá trình chuyển hoá giải phóng năng lượng, Nitrosomonas sử dụng năng lượng tạo ra để khử CO2để tạo ra các hợp chất hữu cơ.
Điều kiện tối ưu cho sự hoạt động của vi khuẩn Nitrosomonas là pH = 7 – 7,5; nhiệt độ khoảng 28 – 30oC.
Quá trình Nitrit hoá bởi vi khuẩn Nitrosomonas:
(NH4)2CO3 + 3O2 Æ 2HNO2 + CO2 + 3H2O
Vi khuẩn Nitrobacter có dạng hình quả lê hoặc hình que, thuộc nhóm vi khuẩn gram âm, sinh sản bằng cách nảy chồi. Nitrobacter giữ vai trò quan trọng trong chu trình nitơ với khả năng chuyển nitrit thành nitrat, trong quá trình chuyển hóa, vi khuẩn Nitrobacter tổng hợp các hợp chất hữu cơ từ CO2.
Điều kiện tối ưu cho sự hoạt động của vi khuẩn Nitrosomonas là pH = 7 – 7,5; nhiệt độ khoảng 28 – 30oC (Nguyễn Lân Dũng, 2000).
Quá trình nitrat hóa bởi vi khuẩn Nitrbacter:
2.6.4. Tình hình nghiên cứu, ứng dụng vi khuẩn Nitrosomonas, Nitrobacter
a. Các chế phẩm sinh học (men vi sinh) xử lý nước ao nuôi thủy sản
Hai thành phần chủ yếu của men vi sinh là vi khuẩn có lợi và các chất dinh dưỡng để nuôi vi khuẩn. Vi khuẩn có lợi được phân lập từ nhiều nơi khác nhau như trong đất, trong nước biển, trong rác. Chúng gồm các loài như
Bacillus sp, Nitrosomonas, Nitrobacter…Chất dinh dưỡng là các loại đường, muối canxi, muối magie…
Về hình thức, men vi sinh có 2 dạng, dạng nước và dạng bột. Hiệu quả mang lại khi sử dụng men vi sinh như sau:
- Làm ổn định chất lượng nước và nền đáy trong ao nuôi tôm cá. - Nâng cao sức khoẻ và sức đề kháng tôm, cá nuôi.
- Giảm thiểu ô nhiễm môi trường ao nuôi và xung quanh do nuôi trồng thuỷ sản gây nên.
- Hạn chế tối đa sự xuất hiện các loài vi khuẩn có hại trong ao nuôi. - Nâng cao hiệu quả sử dụng thức ăn.
Các lợi ích đạt được như trên là do hoạt động tích cực của vi khuẩn qua nhiều cơ chế tác động như sau:
- Cạnh tranh mạnh mẽ chất dinh dưỡng, năng lượng và nơi bám với các loài vi khuẩn có hại và tảo độc.
- Chuyển hoá các chất hữu cơ như thức ăn dư thừa, xác tảo, cặn bã thành CO2 và nước, chuyển các chất độc hại như NH3, NO2- thành các chất không
độc như NO3-, NH4+.
- Hạn chế vi khuẩn có hại trong đường ruột và giúp chuyển hoá hiệu quả thức ăn.
- Tiết ra một số chất kháng sinh, enzyme hay hoá chất để kìm hãm hay tiêu diệt mầm bệnh và tảo độc (Dư Ngọc Tuân, 2010).
b. Bộ lọc sinh học
Bộ lọc sinh học được các nhà nghiên cứu từĐH Khoa học và Công nghệ Shahjalal (Bangladesh) tìm ra nhằm loại bỏ khí thải độc hại và mùi ammoniac từ công nghiệp sản xuất phân bón.
Các nhà nghiên cứu ĐH Khoa học và Công nghệ Shahjalal dùng vi khuẩn Nitrosomonas kết hợp loại gỗ than rẻ tiền để tạo ra một bộ lọc sinh học. Vi khuẩn Nitrosomonas sử dụng amoniac như nguồn năng lượng để trao đổi chất, tăng trưởng và sinh sản, sẽ hấp thu amoniac và oxy hóa chúng thành nitric.
Bộ lọc sinh học trên hoạt động ở nồng độ ammoniac từ 100-500mg/L khí thải, loại bỏ amonic từ dòng khí với tỉ lệ 93% trong bảy ngày (Bộ Tài Nguyên Môi Trường, 2010).
Chương 3: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1. Thời gian nghiên cứu
Bảng 3.1: Tiến độ thực hiện đề tài:
STT Nội dung Kết quả Thời gian
1. Thu thập số liệu thứ cấp Thông tin 10- 20/01/2011
2. Tổng hợp số liệu Tư liệu 21-30/01/2011 3. Thu mẫu và phân tích mẫu trước khi bố trí thí nghiệm Số liệu phân tích các chỉ tiêu pH, COD, H2S, N-NH4 +, P-PO43- 01-28/02/2011 4. Bố trí thí nghiệm và đo các thông số theo thời gian. Hiệu suất xử lý nước thải của chế phẩm sinh học. 01/03-01/04/2011 5. Tổng hợp số liệu và viết báo cáo Bảng số liệu hoàn chỉnh 02-15/04/2011
6. Nộp báo cáo Bài báo cáo
hoàn chỉnh 20/04/2010
3.2. Đối tượng nghiên cứu
Phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi heo ở huyện Châu Thành, tỉnh Đồng Tháp bằng chế phẩm sinh học.
3.3. Mục tiêu nghiên cứu
Xác định hiệu suất xử lý nước thải chăn nuôi heo sử dụng chế phẩm sinh học CATA 222.
3.4. Nội dung nghiên cứu
- Chuẩn bị vật liệu: chai bố trí thí nghiệm, bơm sục khí, chế phẩm sinh học, các hoá chất cần thiết.
- Lấy mẫu nước và xác định pH, COD, N-NH4+; P-PO43-, H2S.
- Bố trí thí nghiệm: thí nghiệm được thực hiện với 5 nghiệm thức và 3 lần lặp lại.
* Thực hiện trong điều kiện cấp khí tự nhiên
Thí nghiệm 1: Mẫu được pha loãng ở tỷ lệ: 50% nước thải + 50 % nước cất.
Thí nghiệm 2: Mẫu được pha loãng ở tỷ lệ: 75% nước thải + 25 % nước cất.
Thí nghiệm 3: 100% nước thải.
NT1: Đối chứng (nước thải, không có vi khuẩn). NT2: 0,5 g chế phẩm CATA 222 /1lít nước thải NT3: 1 g chế phẩm CATA 222 /1lít nước thải NT4: 1,5 g chế phẩm CATA 222 /1lít nước thải NT5: 2 g chế phẩm CATA 222 /1 lít nước thải.
* Thực hiện trong điều kiện kị khí
Tiến hành 3 thí nghiệm, mỗi thí nghiệm bố trí 5 nghiệm thức tương tự trong môi trường cấp khí tự nhiên.
Mô tả tiến trình thực hiện thí nghiệm:
+ Nước thu tại hố chứa nước thải của hộ Ông Đặng Văn Ngơ, xử lý theo các độ pha loãng khác nhau, bằng 4 khối lượng chế phẩm sinh học CATA và trong điều kiện môi trường cấp khí tự nhiên, kị khí. Theo dõi quá trình xử lý dựa vào các thông số như: pH, COD, H2S, N-NH4+, P-PO43-, sau mỗi 48 giờ thí nghiệm thu mẫu 1 lần đem phân tích nồng độ chất ô nhiễm còn lại trong môi trường cho đến khí kết thúc thí nghiệm là 12 ngày .
+ Sử dụng bình trụ có thể tích 1,5 lít, cho vào mỗi bình 1l mẫu (đã pha loãng theo tỷ lệ theo từng thí nghiệm), x g chế phẩm sinh học, kết hợp sục khí đối với môi trường hiếu khí (với x là lượng chế phẩm tuỳ theo từng nghiệm thức).
- Nhận xét và đánh giá khả năng xử lý nước thải chăn nuôi heo bằng chế phẩm sinh học CATA 222 trong các điều kiện.
3.5. Phương tiện và vật liệu nghiên cứu:
- Nước thải chăn nuôi heo. - Thùng chứa mẫu.
- Chai bố trí thí nghiệm. - Máy đo quang phổ.
- Hoá chất: dung dịch MnSO4, dung dịch NaOH 67,5%, dung dich ferronlin, dung dịch axit HCl 4M, dung dịch CdCl2 2%, dung dịch FAS 0,001N, dung dịch I2 0,001N, dung dịch Na2S2O3 0,001N, dung dịch axit H2SO4, ...
- Ống nghiệm, chai nút mài, pipet, buret, bình định mức, cân, giấy đo pH...
3.6. Phương pháp nghiên cứu 3.6.1. Phương pháp lấy mẫu 3.6.1. Phương pháp lấy mẫu
Mẫu nước được thu vào buổi sáng. Tráng thùng thu mẫu bằng nước tại hiện trường, dùng ca múc nước thải cho vào đến khi đầy, đậy nắp lại sau đó đem về phòng thí nghiệm Khoa kỹ thuật – Công nghệ Môi trường để phân tích.
3.6.2. Phương pháp phân tích các thông số ô nhiễm: a. Phương pháp xác định pH:
Xác định pH bằng giấy pH.
b. Phương pháp xác định N-NH4+:
Xác định N-NH4+bằng phương pháp Indophenol blue Thiết lập đường chuẩn
Dãy đường chuẩn được tạo thành với các nồng độ 0,0; 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1,0 mg/l từ dung dịch chuẩn N-NH4+ 5 mg/l.
Tiến hành trên mẫu phân tích như sau:
Đong 25 ml mẫu nước cần phân tích cho vào bình tam giác 50 ml và lần lượt cho các hoá chất vào như sau:
1 ml thuốc thử A 1 ml thuốc thử B 1 ml thuốc thử C
Chờ 20 – 25 phút xuất hiện màu xanh (nếu có N-NH4+), sau đó đem so màu ở bước sóng 630 nm.
Ghi kết quảđo mật độ quang của mẫu
Từ kết quả so màu dãy đường chuẩn có thể thiết lập phương trình tương quan giữa nồng độ N-NH với kết quả mật độ quang dưới dạng y = ax + b
Trong đó: y: nồng độ của mẫu
x: mức hấp thu của mẫu ở bước sóng càn thiết
Sau khi có phương trình trên, áp dụng kết quả so màu của các mẫu vào phương trình trên để tìm ra nồng độ N-NH4+ của mẫu cần phân tích, đơn vị mg/l.
c. Phương pháp xác định P-PO43-:
Xác định P-PO43- bằng phương pháp Molibden blue
Dãy đường chuẩn được thiết lập với các nồng độ PO43-: 0,0; 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1,0 từ dung dịch chuẩn 5 mg/l.
Dùng ống hút, hút 20ml mẫu nước
Lần lượt cho thuốc thử vào: 1 ml thuốc thử A và 1 ml thuốc thử B. Chờ 10 phút, màu xanh xuất hiện, đem so màu ở bước sóng 750 nm. Ghi kết quả.
Lập phương trình đường chuẩn và tính toán nồng độ P-PO43-.
d.Phương pháp xác định H2S:
Xác định H2S bằng phương pháp Iodine Phương pháp Iodine Thu mẫu nước vào lọ nút mài 125 ml, sau đó tiến hành như sau
Mở nắp lọ ra cho vào 1ml dung dịch CdCl2 2%, đậy nắp lại lắc đều, để 5 phút, sau đó lắc đều một lần nữa, để yên trong 24 giờ (nếu có H2S sẽ có kết tủa màu vàng dưới đáy bình).
Mở nắp lọ ra, dùng ống cao su loại bỏ phần nước trong của lọ, lượng nước còn lại trong lọ khoảng 30 ml.
Hoà tan kết tủa bằng 5 ml dung dịch I2 0,01N và 5 ml dung dịch HCl 4M, lắc đều cho kết tủa tan hoà toàn, chuyển dung dịch từ chai nút mài sang bình tam giác 100 ml, tráng chai nút mài bằng 30 ml nước cất (nước tráng này cũng cho vào bình tam giác).
Dùng dung dich Na2S2O3 0,01N chuẩn độ cho đến khi dung dịch trở nên màu vàng nhạt, cho vào 3 giọt chỉ thị hồ tinh bột lắc đều, dung dich có màu xanh. Sau đó, tiếp tục chuẩn độ từ từ cho đến khi dung dịch chuyển từ màu xanh sang không màu thì dừng lại, ghi thể tích dung dịch Na2S2O30,01N đã sử dụng.
Dùng lọ chứa 125 ml nước cất làm mẫu trắng và tiến hành tương tự nhe tiến hành ở mẫu trên hoặc đong 30ml nước cất làm mẫu trắng (không cần cho CdCl2). Tính kết quả 0 2 ( ) ( ) 17 1000 125 tb V V N H S ppm − × = × × Trong đó: V0: thể tích dung dịch Na2S2O3 sử dụng để chuẩn độ mẫu trắng Vtb: thể tích trung bình dung dich Na2S2O3
N: nồng độđương lượng dung dịch Na2S2O3
17: đương lượng gam của H2S 1000: hệ số quy đổi từ gam sang mg
e. Phương pháp xác định COD:
Xác định COD bằng phương pháp bicromat
- Cho vào ống nghiệm: 5ml mẫu nước, 3ml dung dịch K2Cr2O7 0,1N và 7ml H2SO4. Lưu ý phản ứng xảy ra mạnh nên cần cho acid cẩn thận, chảy dọc theo ống nghiệm. Sau đó, lắc mẫu thật đều.
- Cho ống nghiệm vào tủ sấy, nung ở nhiệt độ 150oC trong vòng 2 giờ (nung kèm theo 1 ống mẫu trắng ở nhiệt độ 150oC).
- Sau thời gian phản ứng 2 giờ lấy ống nghiệm ra để nguội đến nhiệt độ phòng, chuyển toàn bộ dung dịch qua erlen và tráng kỹống nghiệm bằng nước cất và gọp nước cất vào erlen.
- Thêm 2 -3 giọt chỉ thị ferroin và định phân bằng dung dịch FAS 0,01N. Kết thúc phản ứng khi dung dịch chuyển từ xanh lục sang màu nâu đỏ thì dừng lại và ghi kết quả thể tích dung dịch FAS đã dùng. Tương tự, định phân mẫu trắng đun và không đun.
Công thức tính nồng độ của COD:
COD(mg/l) =
Trong đó:
Vođ: thể tích dung dịch FAS dùng chuẩn độ mẫu trắng, không đun (ml). Vo: thể tích dung dịch FAS dùng chuẩn độ mẫu trắng, có đun (ml). V1: thể tích dung dịch FAS dùng chuẩn độ mẫu nước cần phân tích (ml). CN: nồng độđương lượng của FAS; N = 3 x 0,1/ Vođ
8: Đương lượng gam của oxy.
1000: hệ số chuyển đổi thể tích từ mililit sang lít. Vm: thể tích mẫu đã được sử dụng (ml).
3.6.3. Phương pháp xử lý số liệu:
Sử dụng phần mềm Microsoft Excel 2007 để tính toán, tổng hợp số liệu và vẽđồ thị. So sánh hiệu suất xử lý của các nghiệm thức với nhau bằng cách sử dụng kiểm định Duncan. 1 ( o ) N 8 1000 m V V C V − × × ×
Chương 4: KẾT QUẢ THẢO LUẬN
4.1. Kết quả phân tích các chỉ tiêu khi các thí nghiệm được bố trí trong điều kiện cấp khí tự nhiên trong điều kiện cấp khí tự nhiên
Chúng tôi tiến hành phân tích, đánh giá sự thay đổi các thông số: pH, COD, NH4+, PO43-, H2S, sau 12 ngày thí nghiệm của 5 nghiệm thức với 3 nồng độ ban đầu khác nhau và trong 2 điều kiện môi trường khác nhau nhằm mục đích so sánh và tìm ra nghiệm thức nào, trong môi trường nào có khả năng xử lý nước thải chăn nuôi heo cao nhất.
4.1.1. Kết quả đo pH a. Thí nghiệm 1
Kết quả pH được đo lần lượt trên tất cả các nghiệm thức. Kết quả được thể hiện qua đồ thị sau:
Hình 4.1: Sự biến động pH của 5 nghiệm thức qua 12 ngày thí nghiệm ở thí nghiệm 1
Kết quả hình 4.1 cho thấy, giá trị pH của các nghiệm thức thay đổi qua 12 ngày thí nghiệm. Giá trị pH ở tất cả các nghiệm thức đều giảm theo thời gian và thấp hơn giá trị pH của nghiệm thức đối chứng (NT1-1). Có thể giải thích hiện tượng trên là do trong quá trình thí nghiệm có xảy ra hiện tượng
6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 N0 N2 N4 N6 N8 N10 N12 Giá tr ị pH Thời gian (ngày) Thí nghiệm 1 NT1-1(ĐC1) NT1-2 NT1-3 NT1-4 NT1-5
nitrat hóa, tạo ra H+ làm giảm pH của môi trường. Các phản ứng xảy ra như sau:
Đồng thời xảy ra hiện tượng amon hóa và khử nitrat với sự tham gia của vi khuẩn Bacillus sp.. Trong đó:
* Quá trình amon hóa xảy ra qua 2 giai đoạn:
- Giai đoạn thứ nhất: protein như một chất cảm ứng, kích thích tế bào vi sinh vật tổng hợp ra protease để thủy phân protein tạo ra các sản phẩm có trọng lượng nhỏ hơn, trong đó axit amin được xem là sản phẩm cuối cùng.
Protein pecton polypeptit axit amin - Giai đoạn thứ hai:
Một phần axit amin được sử dụng như một vật liệu tham gia tổng hợp protein, phần còn lại sẽđược deamin hóa để tạo ra năng lượng và giải phóng NH3.
Quá trình khử amin trong tế bào vi sinh vật có thể xảy ra theo nhiều con đường khác nhau.
- Khử amin bằng cách thủy phân có kèm decarbonyl hóa hoặc không: R-CHNH2-COOH + H2O Æ R-CHOH-COOH + NH3
R-CHNH2-COOH + H2O Æ R-CH2OH + CO2 + NH3
- Khử amin bằng do oxy hóa có kèm decarbonyl hóa hoặc không: R-CHNH2-COOH + 0,5 O2 Æ R-CO-COOH + NH3 (NH4)2CO3 2NH3 + CO2 + H2O NH3 + 1,5 O2 NO2- + 2H+ + H2O NO2- + 0,5 O2 NO3- Nitrosomonas Nitrobacter H2O H2O H2O
R-CHNH2-COOH + O 2 Æ R-COOH + CO2 + NH3
- Khử amin do mất NH3 trực tiếp
R-CHNH2-COOH + 2 H Æ R-CH2-COOH + NH3
* NH3 tạo ra sẽ tham gia vào quá trình nitrat hóa như trên.
* Quá trình khử nitrat Các phản ứng có thể xảy ra:
HNO3 + 2H Æ HNO2 + H2O
R-CHNH2-COOH Æ R-COOH + N2 + H2O
R-CO-NH2 + O2 Æ N-OH Æ R-COOH + N2 + H2O
Từ ngày thí nghiệm thứ 8 đến ngày 12 pH có giảm nhưng không đáng kể. Là do lượng cơ chất lúc này đã giảm nhiều, khả năng sống của các vi khuẩn bịức chế, kìm hãm các quá trình chuyển hóa.
Bảng 4.1: Kết quả kiểm định Duncan giá trị pH trung bình của 5 nghiệm thức