Phân lập, tuyển chọn và ứng dụng vi khuẩn đông tụ để xử lý nước thải chăn nuôi heo ở các tỉnh đồng bằng sông cửu long (toàn văn)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
  






HỒ THANH TÂM



PHÂN LẬP, TUYỂN CHỌN VÀ ỨNG DỤNG VI KHUẨN
ĐÔNG TỤ ĐỂ XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI HEO
Ở CÁC TỈNH ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG



LUẬN ÁN TIẾN SĨ
Chuyên ngành: VI SINH VẬT HỌC
Mã ngành: 62 42 01 07







CẦN THƠ, 2015
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
  



HỒ THANH TÂM
MS.NCS: P000028


PHÂN LẬP, TUYỂN CHỌN VÀ ỨNG DỤNG VI KHUẨN
ĐÔNG TỤ ĐỂ XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI HEO
Ở CÁC TỈNH ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG



LUẬN ÁN TIẾN SĨ
Chuyên ngành: VI SINH VẬT HỌC
Mã ngành: 62 42 01 07



Người hướng dẫn khoa học
PGS.TS. NGÔ THỊ PHƯƠNG DUNG






CẦN THƠ, 2015

Luận án Tiến sĩ, khóa 2012 - 2015 Trường Đại học Cần Thơ
Hồ Thanh Tâm Viện Nghiên cứu và Phát triển CNSH
i

LỜI CẢM TẠ

Lời cảm ơn đầu tiên, tôi xin được gởi đến PGS.TS. Ngô Thị Phương Dung và
GS.TS. Cao Ngọc Điệp là người hướng dẫn khoa học cho tôi hoàn thành được luận
án Tiến sĩ chuyên ngành Vi sinh vật học. Thầy và Cô đã tận tình hướng dẫn cho tôi
thực hiện hoàn thành nội dung, phương pháp và kế hoạch triển khai công tác thí
nghiệm một cách tốt nhất để có được sản phẩm của công trình nghiên cứu: Phân
lập, tuyển chọn và ứng dụng vi khuẩn đông tụ để xử lý nước thải chăn nuôi
heo ở các tỉnh đồng bằng sông Cửu Long.
Xin chân thành cảm ơn:
- Quý Thầy, Cô trong Ban lãnh đạo Viện Nghiên cứu và phát triển Công nghệ
sinh học, Phòng, Khoa chức năng thuộc trường Đại học Cần Thơ, đã tạo mọi điều
kiện tốt nhất cho tôi được học tập và nghiên cứu hoàn thành luận án Tiến sĩ.
- Quý Thầy, Cô, cán bộ phòng thí nghiệm, nhân viên của Viện Nghiên cứu và
Phát triển Công nghệ sinh học – Trường Đại học Cần Thơ đã tận tình hướng dẫn,
giảng dạy, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận án
của mình.
- Xin gửi lời cảm ơn đến trường Cao đẳng Cần Thơ đã sắp xếp công việc và
tạo điều kiện thuận lợi về thời gian, để tôi hoàn thành kế hoạch học tập toàn khóa
trong chương trình đào tạo Tiến sĩ.
Xin chân thành cảm ơn Hội đồng đánh giá luận án Tiến sĩ cấp Cơ sở:
1. PGS.TS. Trần Nhân Dũng, Trường Đại học Cần Thơ
2. TS. Nguyễn Đức Hoàng , Trường Đại học KHTN TP. Hồ Chí Minh
3. PGS.TS. Nguyễn Văn Công, Trường Đại học Cần Thơ
4. PGS.TS. Ngô Thị Phương Dung, Trường Đại học Cần Thơ
5. PGS.TS. Nguyễn Tiến Thắng, Viện sinh học nhiệt đới TP. Hồ Chí Minh

6. PGS.TS. Võ Văn Sơn, Công ty Vemedim Cần Thơ
7. PGS.TS. Trương Trọng Ngôn, Trường Đại học Cần Thơ
Sau cùng, xin ghi nhớ đến sự chia sẻ và động viên của gia đình, bạn bè. Sự
đồng hành của Anh, Chị Nghiên cứu sinh, học viên Cao học, các em sinh viên Đại
học, trong quá trình học tập và nghiên cứu, đã góp phần không nhỏ vào sự hoàn tất
luận án của tôi.
HỒ THANH TÂM
Luận án Tiến sĩ, khóa 2012 - 2015 Trường Đại học Cần Thơ
Hồ Thanh Tâm Viện Nghiên cứu và Phát triển CNSH
ii


TÓM TẮT

Cùng với sự phát triển của ngành trồng trọt, chăn nuôi đặc biệt là chăn nuôi heo
quy mô gia đình phát triển mạnh mẽ ở đồng bằng sông Cửu Long. Điều này đã dẫn
đến sự ô nhiễm môi trường, do hệ thống thu nhận và xử lý chất thải, nhất là nước
thải chưa được quan tâm đúng mức. Mặc dù đã có hệ thống tự hoại (biogas),
nhưng nước thải sau biogas vẫn còn chứa nhiều độc chất cần được xử lý triệt để
trước khi xả thải ra sông rạch. Có nhiều biện pháp được đề xuất xử lý nước thải
này, trong đó có biện pháp sinh học là sử dụng vi khuẩn tạo chất kết tụ sinh học để
làm sạch nước. Trong nghiên cứu này, xác định được vi khuẩn đông tụ có hiện
diện trong nước thải trại chăn nuôi heo sau biogas ở 13 tỉnh đồng bằng sông Cửu
Long. Vi khuẩn đông tụ tham gia xử lý nước thải bằng cơ chế kết dính các tế bào
vi khuẩn nhờ vào tính kỵ nước của bề mặt tế bào, để gom những vật chất lơ lửng
trong nước thải rồi lắng xuống đáy cùng với các nhóm vi sinh vật. Kết quả đánh
giá khả năng đông tụ thông qua hiệu suất hấp thụ của p-xylen với tế bào vi khuẩn,
đã chọn 32 chủng vi khuẩn có hiệu suất đông tụ cao, từ 124 chủng vi khuẩn phân
lập trong 150 mẫu nước thải chăn nuôi heo sau biogas ở đồng bằng sông Cửu
Long. Sử dụng phương pháp truyền thống và phương pháp sinh học phân tử đã

chọn được 18/32 chủng vi khuẩn đông tụ thực hiện PCR với cặp mồi 8F - 1492R ,
giải trình tự đoạn gen 16S rRNA, dùng phần mềm BLAST N so sánh với trình tự
đoạn gen 16S rRNA có trong cơ sở dữ liệu NCBI. Kết quả định danh được 17
chủng vi khuẩn thuộc chi Bacillus, 01 chủng vi khuẩn Enterobacter và các chủng
vi khuẩn đông tụ trong nước thải chăn nuôi heo sau biogas có sự đa dạng về trình
tự nucleotide. Hơn nữa, 4 cặp chủng vi khuẩn đông tụ (Bacillus cereus KG05 +
Bacillus megaterium VL01; Bacillus cereus KG05 + Bacillus sp. VL05; Bacillus
cereus KG05 + Bacillus aryabhattai ST02; Bacillus megaterium VL01 + Bacillus
sp. VL05) có hiệu suất đông tụ từ 71 – 88% được chọn làm cặp chủng vi khuẩn xử
lý nước thải bằng phương pháp đông tụ sinh học và ứng dụng vào xử lý nước thải
chăn nuôi heo sau biogas quy mô 08 lít trong phòng thí nghiệm. Kết quả ở chu kỳ
1 (24 giờ) và chu kỳ 2 (7 giờ) đạt hiệu suất đông tụ từ 80 – 86%, các thông số pH,
hàm lượng tổng chất rắn lơ lửng (TSS), tổng lân (TP) và orthophosphate (PO
4
3-
)
đạt loại A của QCVN40:2011/BTNMT (QCVN40), hàm lượng oxy hóa sinh học
(BOD
5
) giảm từ 65 − 144 lần so với đối chứng, đạt loại B hoặc loại A của
QCVN40, hàm lượng ammonium (N-NH
4
+
) giảm từ 55,3 – 74,6%, hàm lượng tổng
đạm (TN) giảm từ 62,5 đến 74,6% so với đối chứng. Cặp chủng vi khuẩn Bacillus
cereus KG05 + Bacillus megaterium VL01 được chọn đại diện, ứng dụng vào xử
lý nước thải chăn nuôi heo sau biogas quy mô 80 và 800 lít tại trại chăn nuôi heo,
đạt hiệu suất đông tụ 90,4% (quy mô 80 lít) và 82,6% (quy mô 800 lít), các thông
Luận án Tiến sĩ, khóa 2012 - 2015 Trường Đại học Cần Thơ
Hồ Thanh Tâm Viện Nghiên cứu và Phát triển CNSH

iii
số pH, TSS, TP, PO
4
3-
đạt loại A hoặc loại B của QCVN40; hàm lượng BOD
5
, TN,
N-NH
4
+
giảm hơn 50% so với đối chứng. Kết quả nghiên cứu cho thấy, tính kỵ
nước của bề mặt tế bào vi khuẩn là nguyên nhân chính tạo sự kết dính của các tế
bào vi khuẩn, hình thành nên cơ chế đông tụ trong quá trình xử lý nước thải chăn
nuôi heo sau biogas, quá trình này được xem là một công nghệ sinh học tiền xử lý
nước thải, góp phần cải thiện chất lượng nước thải chăn nuôi heo sau biogas ở
đồng bằng sông Cửu Long.
Từ khóa: Bacillus, nước thải chăn nuôi heo sau biogas, sự đông tụ, tính kỵ
nước, vi khuẩn đông tụ.



Luận án Tiến sĩ, khóa 2012 - 2015 Trường Đại học Cần Thơ
Hồ Thanh Tâm Viện Nghiên cứu và Phát triển CNSH
iv

SUMMARY

Herewith the development of agronomy, animal husbandry, specially familiar pig
farms have developed strongly in the Mekong Delta. This has lead to
environmental pollution due to acquisition systems and waste treatment have not

been adequate attention especially piggery wastewater treated not perfectly.
Although wastewater was been treated from biogas containers but it contains many
toxic materials which needs to be treated completely before releasing to
rivers/canals. Many methods have been suggested to treat piggery wastewater and
biological practices have flocculating-producing bacteria in order to clear water. In
this study, aggregation bacteria were identified in piggery wastewater after biogas
in 13 provinces of the Mekong Delta. Aggregation bacteria have the ability to
include convergence and deposition of organic matter, inorganic suspended in
water by bonding mechanism of the bacterial cell together by hydrophobic
properties of the samples of cell. One hundred and twenty-four bacterial isolates
were isolated from one hundred and fifty samples of piggery wastewater after
biogas in the Mekong Delta. Using p-xylene to test the hydrophobic ability of
surface of bacterial cells as the mechanism of aggregation together with other
methods. There were 32/124 isolates having the high hydrophobic ability and
18/32 isolates were chosen to sequence with 16S rRNA universal primers (8F and
1492R) and analyse 16S rRNA sequences by BLAST N software of NCBI. The
results showed that 17/18 isolates were identified as species of genus Bacillus and
1/18 isolate belonged to Enterobacter and they have the high diversity of
haplotype. Of these, four pairs of strain aggregation [Bacillus cereus KG05 +
Bacillus megaterium VL01; Bacillus cereus KG05 + Bacillus sp. VL05; Bacillus
cereus KG05 + Bacillus aryabhattai ST02; Bacillus megaterium VL01 + Bacillus
sp. VL05] with the highest aggregation efficiency [71−88%] were selected as pairs
of aggregation bacteria for piggery wastewater treatment. In 8-liter containers (in
the laboratory), application of these four pairs of aggregation bacteria, the results
showed that aggregation efficiency in cycle 1 (24 hours) and cycle 2 (7 hours)
were 84−86%, pH, concentrations of total suspended solids (TSS), total phosphate
(TP) and orthophosphate (PO
4
3-
) reached to A standard QCVN40: 2011/BTNMT

(QCVN40), Biology Oxygen Demand (BOD
5
) in wastewater reduced from 65−144
times compared with control, reached to standard A or B (QCVN40)
concentrations of ammonium (N-NH
4
+
) and total nitrogen (TN) from 55.3% to
74.6%, 92.0% to 97.0% and 62.5% to 74.6% in comparison to control,
respectively. Pair of Bacillus cereus KG05 and Bacillus megaterium VL01 was
selected to apply in piggery wastewater after biogas treatment in the containers: 80
Luận án Tiến sĩ, khóa 2012 - 2015 Trường Đại học Cần Thơ
Hồ Thanh Tâm Viện Nghiên cứu và Phát triển CNSH
v
and 800-liter at the pig farm. The results showed that the highest aggregation
efficiency was in the second cycle with 90.4% (container 80-liter) and 82.6%
(container 800-liter), and pH, concentrations of TSS, TP and PO
4
3-
reached to
standard A or B of QCVN40:2011/BTNMT; while concentrations of BOD
5
, TN
and N-NH
4
+
decreased over 50% in comparison to the control. Application of pair
of aggregation bacteria in piggery wastewater treatment after biogas is considered
a biotechnological wastewater pre-treatment that contributes in improvement of the
wastewater quality after biogas in the Mekong Delta.

Keywords: Bacillus, piggery wastewater treatment, aggregation, hydrophobic
ability, aggregation bacteria.

Luận án Tiến sĩ, khóa 2012 - 2015 Trường Đại học Cần Thơ
Hồ Thanh Tâm Viện Nghiên cứu và Phát triển CNSH
vi

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu “Phân lập, tuyển chọn và ứng dụng
vi khuẩn đông tụ để xử lý nước thải chăn nuôi heo ở các tỉnh đồng bằng sông
Cửu Long” là của nghiên cứu sinh Hồ Thanh Tâm với sự hướng dẫn khoa học của
PGS.TS. Ngô Thị Phương Dung. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung
thực và chưa từng được người khác công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Nghiên cứu sinh




HỒ THANH TÂM
Luận án Tiến sĩ, khóa 2012 - 2015 Trường Đại học Cần Thơ
Hồ Thanh Tâm Viện Nghiên cứu và Phát triển CNSH
vii
MỤC LỤC
Trang

Lời cảm tạ i
Tóm tắt ii
Summary iv
Lời cam đoan vi
Mục lục vii
Danh sách bảng xi
Danh sách hình xii
Danh sách các từ viết tắt xiv
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU 1
1.1. Đặt vấn đề 1
1.2. Mục tiêu nghiên cứu 2
1.3. Nội dung nghiên cứu 2
1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3
1.5. Những đóng góp mới, ý nghĩa khoa học và và thực tiễn của luận án 3
1.6. Kết cấu của luận án 4
CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 5
2.1. Tầm quan trọng của nước và sự cần thiết xử lý nước thải hiện nay 5
2.2. Tình hình chăn nuôi heo trong cả nước và đồng bằng sông Cửu Long 7
2.3. Thành phần nước thải chăn nuôi heo và nước thải chăn nuôi heo sau
bioga 9
2.4. Quản lý chất thải chăn nuôi heo trên thế giới 10
2.5. Quản lý chất thải chăn nuôi heo ở đồng bằng sông Cửu Long 11
2.6. Phương pháp sinh học trong xử lý nước thải 12
2.6.1. Sinh trưởng bám dính – màng sinh học trong xử lý nước thải 13
2.6.2. Sinh trưởng lơ lửng – bùn hoạt tính trong xử lý nước thải 15
2.7. Phương pháp sinh học xử lý nước thải chăn nuôi heo 16
2.8. Chất kết tụ sinh học và vi khuẩn kết tụ sinh học trong các hệ thống sinh
học xử lý nước thải 19
2.9. Vi khuẩn đông tụ trong các hệ thống sinh học xử lý nước thải 22
2.10. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự đông tụ của vi khuẩn 27

2.11 Sự đông tụ hình thành màng sinh học trong xử lý nước thải 29
2.12. Nhận diện và định danh vi khuẩn đông tụ bằng phương pháp truyền
thống và sinh học phân tử 31
Luận án Tiến sĩ, khóa 2012 - 2015 Trường Đại học Cần Thơ
Hồ Thanh Tâm Viện Nghiên cứu và Phát triển CNSH
viii
2.13. Đa hình trình tự nucleotide 33
CHƯƠNG 3. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 36
3.1. Địa điểm và thời gian nghiên cứu 36
3.2. Sơ đồ nghiên cứu 36
3.3. Nguyên liệu, thiết bị, hóa chất 36
3.3.1. Nguyên liệu 36
3.3.2. Thiết bị 37
3.3.3. Dụng cụ 39
3.3.4. Hóa chất 39
3.4. Phương pháp nghiên cứu 39
3.4.1. Phân lập, khảo sát đặc điểm hình thái, sinh hóa và định lượng vi khuẩn
từ nước thải chăn nuôi heo sau biogas 39
3.4.1.1. Phân lập, quan sát hình thái và đặc tính sinh hóa 39
3.4.1.2. Bảo quản, cấy truyền và nhân giống 41
3.4.1.3. Định lượng vi khuẩn 41
3.4.2. Tuyển chọn vi khuẩn đông tụ bằng phương pháp sinh hóa 42
3.4.3. Nhận diện, định danh vi khuẩn đông tụ bằng phương pháp sinh học
phân tử 42
3.4.4. Xác định hiệu suất đông tụ từ cơ chế tự đông tụ của vi khuẩn 43
3.4.5. Xác định hiệu suất đông tụ từ cơ chế tự đông tụ của từng cặp chủng vi
khuẩn 44
3.4.6. Khảo sát các yếu tố trong môi trường (pH, cation Ca
2+
, Mg

2+
, Na
+
, K
+
)
ảnh hưởng đến hiệu suất đông tụ của vi khuẩn 45
3.4.6.1. Xác định yếu tố pH môi trường ảnh hưởng đến hiệu suất đông tụ 45
3.4.6.2. Xác định yếu tố cation Ca
2+
, Mg
2+
, K
+
, Na
+
trong môi trường ảnh
hưởng đến hiệu suất đông tụ 45
3.4.6.3. Phối hợp cặp cation (hóa trị 1 + hóa trị 2) phù hợp có trong môi
trường để vi khuẩn hoạt động cho hiệu suất đông tụ cao nhất 46
3.4.6.4. Xác định yếu tố phối hợp pH và cặp cation trong môi trường có giá trị
phù hợp để vi khuẩn hoạt động cho hiệu suất đông tụ tốt nhất 46
3.4.7. Xác định tỷ lệ giống vi khuẩn đông tụ ứng dụng xử lý nước thải 47
3.4.8. Ứng dụng vi khuẩn đông tụ vào xử lý nước thải chăn nuôi heo sau
biogas quy mô phòng thí nghiệm và trại chăn nuôi heo 47
3.5 Phương pháp xử lý số liệu 50
CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 51
Luận án Tiến sĩ, khóa 2012 - 2015 Trường Đại học Cần Thơ
Hồ Thanh Tâm Viện Nghiên cứu và Phát triển CNSH
ix

4.1 Kết quả phân lập, nhận diện và tuyển chọn vi khuẩn đông tụ 51
4.1.1 Kết quả phân lập và nhận diện hình thái vi khuẩn đông tụ 51
4.1.2 Đặc tính sinh hóa của vi khuẩn đông tụ (tính kỵ nước của tế bào vi
khuẩn) 56
4.1.3 Xây dựng mối tương quan di truyền giữa các chủng vi khuẩn đông tụ
dựa trên trình tự 16S rRNA và định danh vi khuẩn đông tụ 57
4.2 Tuyển chọn vi khuẩn đông tụ trong nước thải chăn nuôi heo sau biogas 68
4.2.1 Khảo sát sự tự đông tụ của mỗi chủng vi khuẩn 68
4.2.2 Khảo sát sự đông tụ của các cặp vi khuẩn đông tụ 72
4.3 Các yếu tố môi trường (cation, pH) ảnh hưởng đến hiệu suất đông tụ của
vi khuẩn 77
4.3.1 Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất đông tụ của vi khuẩn 77
4.3.2 Ảnh hưởng của cation Ca
2+
, Mg
2+
, Na
+
, K
+
đến hiệu suất đông tụ 79
4.3.2.1 Ảnh hưởng của cation Ca
2+
đến hiệu suất đông tụ của vi khuẩn 80
4.3.2.2 Ảnh hưởng của cation Mg
2+
đến hiệu suất đông tụ của vi khuẩn 81
4.3.2.3 Ảnh hưởng của cation Na
+
đến hiệu suất đông tụ của vi khuẩn 82

4.3.2.4 Ảnh hưởng của cation K
+
đến hiệu suất đông tụ của vi khuẩn 84
4.3.2.5 Ảnh hưởng của môi trường có hỗn hợp cặp cation hóa trị 1, hóa trị 2
đến hiệu suất đông tụ của vi khuẩn 86
4.3.2.6 Tương quan nồng độ cation Mg
2+
, K
+
và chỉ số pH trong môi trường
đến hiệu suất đông tụ của vi khuẩn 88
4.4 Ảnh hưởng của liều lượng vi khuẩn được bổ sung vào môi trường xử lý
nước thải đến hiệu suất đông tụ 90
4.5 Ứng dụng vi khuẩn vào xử lý nước thải chăn nuôi heo sau biogas 91
4.5.1 Hiệu suất đông tụ của các cặp chủng vi khuẩn trong xử lý nước thải
chăn nuôi heo sau biogas quy mô 08 lít thực hiện ở phòng thí nghiệm 91
4.5.2 Hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi heo sau biogas của cặp chủng vi
khuẩn đông tụ, đến các thông số pH, BOD
5
, TSS, TN, TP, NH
4
+
, PO
4
3-

trong môi trường 94
4.5.3 Hiệu suất đông tụ của cặp chủng vi khuẩn Bacillus cereus KG05 +
Bacillus megaterium VL01 trong xử lý nước thải chăn nuôi heo sau
biogas quy mô 80 và 800 lít, thực hiện ở trại chăn nuôi heo 98

4.5.4 Ảnh hưởng của cặp chủng vi khuẩn Bacillus cereus KG05 + Bacillus
megaterium VL01 trong xử lý nước thải chăn nuôi heo sau biogas quy
mô 80 và 800 lít đến các thông số pH, BOD
5
, TSS, TN, TP, NH
4
+
,
PO
4
3-
99
Luận án Tiến sĩ, khóa 2012 - 2015 Trường Đại học Cần Thơ
Hồ Thanh Tâm Viện Nghiên cứu và Phát triển CNSH
x
CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 103
5.1 Kết luận 103
5.2 Đề xuất 103
TÀI LIỆU THAM KHẢO 105
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CÓ LIÊN QUAN ĐẾN
LUẬN ÁN 114
PHỤ LỤC 115 đến 172
Phụ lục 1: ANOVA Hiệu suất hấp thụ với p-xylen (% Arcsin) của 124 chủng vi
khuẩn 115
Phụ lục 2: ANOVA Hiệu suất tự đông tụ (% Arcsin) của 32 chủng vi khuẩn ở các
mốc thời gian 119
Phụ lục 3: ANOVA Hiệu suất đông tụ (% arcsin) theo từng cặp chủng vi khuẩn (28
cặp) và các mốc thời gian (3, 6, 9, 12 giờ) mốc thời gian 120
Phụ lục 4: ANOVA: Ảnh hưởng pH đến hiệu suất đông tụ (% arcsin) của 4 cặp chủng
vi khuẩn 121

Phụ lục 5: ANOVA: Nồng độ Na
+
đến hiệu suất đông tụ (% arcsin) của 4 cặp
chủng vi khuẩn 122
Phụ lục 6: ANOVA: Hiệu suất đông tụ (% arcsin) 4 cặp chủng vi khuẩn với từng
cặp cation 126
Phụ lục 7: Tỷ lệ giống vi khuẩn ảnh hưởng đến hiệu suất đông tụ (% arcsin) của 4
cặp chủng vi khuẩn đông 126
Phụ lục 8: pH nước thải chăn nuôi heo sau biogas đã qua xử lý bằng vi khuẩn đông
tụ và hiệu suất đông tụ (quy mô 08 lít) 128
Phụ lục 9: pH nước thải chăn nuôi heo sau biogas đã qua xử lý bằng vi khuẩn đông
tụ và hiệu suất đông tụ (quy mô 80 lít) 130
Phụ lục 10: Trình tự chuỗi nucleotide đoạn 16S RNA của 18 chủng vi khuẩn đông
tụ 132
Phụ lục 11: Đa hình trình tự chuỗi nucleotide 18 chủng vi khuẩn đông tụ 138
Phụ lục 12: Kết quả phân tích mẫu nước thải chăn nuôi heo sau biogas đã qua xử
lý bằng vi khuẩn đông tụ 142
Luận án Tiến sĩ, khóa 2012 - 2015 Trường Đại học Cần Thơ
Hồ Thanh Tâm Viện Nghiên cứu và Phát triển CNSH
xi

DANH SÁCH BẢNG
Số
bảng



Tên bảng

Trang

2.1 Thành phần và tính chất nước thải chăn nuôi heo so với QCVN
40:2011/BTNMT
9

2.2 Một số chủng vi khuẩn tham gia xử lý nước thải 14

2.3 Một số chủng vi khuẩn có khả năng đông tụ đã được nghiên cứu 26

3.1 Thông số ban đầu mẫu nước thải chăn nuôi heo sau biogas 37

3.2 Thể thức bố trí ứng dụng vi khuẩn đông tụ vào xử lý nước thải quy
mô 08 lít
48

3.3 Các thông số và phương pháp phân tích mẫu nước thải sau xử lý 49

3.4 Thể thức bố trí ứng dụng vi khuẩn đông tụ vào xử lý nước thải quy
mô 80 lít tại trại chăn nuôi heo
49

3.5 Thể thức bố trí ứng dụng vi khuẩn đông tụ vào xử lý nước thải quy
mô 800 lít tại trại chăn nuôi heo
50

4.1 Vi khuẩn nước thải trại chăn nuôi heo sau biogas ở ĐBSCL 51

4.2 Đặc điểm hình thái và hiệu suất hấp thụ với p-xylen của 32 chủng vi
khuẩn phân lập trong nước thải trại chăn nuôi heo sau biogas
54

4.3 Kết quả mối tương quan trình tự 16S rRNA 18 chủng vi khuẩn đông
tụ với các chủng vi khuẩn có trong NCBI
59

4.4 Đặc điểm hình thái, sinh lý, sinh hóa chủng vi khuẩn đông tụ 63

4.5 Đa hình trình tự chuỗi nucleotide của 18 chủng vi khuẩn đông tụ 66

4.6 Hiệu suất tự đông tụ 16 chủng vi khuẩn đông tụ được tuyển chọn 70

4.7 Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất đông tụ của 4 cặp chủng vi khuẩn 78

4.8 Hàm lượng cation K
+
, Mg
2+
, Ca
2+
, Na
+
trong nước thải trại chăn
nuôi heo sau biogas
80

4.9 Ảnh hưởng của nồng độ cation Ca
2+
đến hiệu suất đông tụ 81

4.10 Ảnh hưởng của nồng độ cation Mg

2+
đến hiệu suất đông tụ 82

4.11 Ảnh hưởng của nồng độ cation Na
+
đến hiệu suất đông tụ 83

4.12 Ảnh hưởng của nồng độ cation K
+
đến hiệu suất đông tụ 85

4.13 Ảnh hưởng cặp cation hóa trị I và hóa trị II đến hiệu suất đông tụ 87

4.14 Tương quan yếu tố pH, cation trong môi trường ảnh hưởng đến hiệu
suất đông tụ
89

4.15 Thông số nước thải chăn nuôi heo sau biogas qua xử lý quy mô 08 lít 94

4.16 Thông số nước thải chăn nuôi heo sau biogas qua xử lý quy mô 80 lít 100

4.17 Thông số nước thải chăn nuôi heo sau biogas qua xử lý quy mô 800 lít 101


Luận án Tiến sĩ, khóa 2012 - 2015 Trường Đại học Cần Thơ
Hồ Thanh Tâm Viện Nghiên cứu và Phát triển CNSH
xii

DANH SÁCH HÌNH

Số
hình


Tên hình

Trang

2.1 Mô phỏng cấu tạo màng sinh học 13

2.2 Chuyển hóa hợp chất nitơ hữu cơ trong xử lý nước thải bằng vi sinh vật 17

2.3 Chu kỳ bể phản ứng theo mẻ - SBR 18

2.4 Sự đông tụ của vi khuẩn nhờ cơ chế kết dính tế bào vi khuẩn 22

2.5 Sự đông tụ nhờ chiên mao trên bề mặt tế bào vi khuẩn 23

2.6 Hoạt động liên kết của protein Lectin trên bề mặt tế bào vi khuẩn đông tụ

24

2.7 Sự tự đông tụ của tế bào vi khuẩn tạo thành màng sinh học 24

2.8 Sự đông tụ giữa các chủng vi khuẩn trong xử lý nước thải 25

2.9 Ảnh hưởng nhiệt độ môi trường đến cơ chế tạo sự đông tụ của vi
khuẩn
27

2.10 Sự đông tụ giữa vi khuẩn S. natatoria 2.1gfp và M. luteus 2.13 (A),
ngăn chặn đông tụ khi thêm 80 mM galactosamine (B), đông tụ
giữa vi khuẩn S. natatoria 2.1gfp và M. luteus 2.13 (C)
28

2.11 Hiệu quả và hình thái của vi khuẩn tự đông tụ D
6
theo từng mốc
thời gian
29

2.12 Sự hình thành màng sinh học từ sự tự đông tụ 30

2.13 Sự hình thành màng sinh học từ nhóm tế bào vi khuẩn 31

2.14 Ribosomal RNA operon của E.coli 32

2.15 Sơ đồ phân tích mối tương quan di truyền và định danh vi khuẩn
phân lập, bằng phương pháp sinh học phân tử
34

2.16 Đa hình đơn nucleotide có 5 haplotype trong 6 trình tự chuỗi 35

3.1 Quy trình đếm sống nhỏ giọt (Hoben và Somasegaran, 1982) 41

3.2 Mô hình thí nghiệm ứng dụng xử lý nước thải chăn nuôi heo sau
biogas quy mô 8 lít tại phòng thí nghiệm (A) chưa sục khí, (B)
đang sục khí
48

4.1 Mối tương quan giữa pH với mật độ vi khuẩn phân lập 52

4.2 Đặc điểm hình thái chủng vi khuẩn phân lập 53

4.3 Dịch vi khuẩn chủng VL05, VL01, KG05 kiểm tra sinh hóa với p-xylen 56

4.4 Phổ điện di sản phẩm PCR, 18 chủng vi khuẩn đông tụ trên gel
agarose 0,8%
57

4.5 Cây phát sinh loài của 18 chủng vi khuẩn đông tụ với 36 chủng vi
khuẩn trong ngân hàng dữ liệu NCBI
60

4.6 Cây phát sinh loài dựa trên trình tự 16S rRNA của 18 chủng vi
khuẩn đông tụ
60

Luận án Tiến sĩ, khóa 2012 - 2015 Trường Đại học Cần Thơ
Hồ Thanh Tâm Viện Nghiên cứu và Phát triển CNSH
xiii
Số
hình


Tên hình

Trang

4.7 Vi khuẩn đông tụ trong nước thải chăn nuôi heo sau biogas ở

ĐBSCL
62

4.8 Đặc điểm sinh hóa của chủng vi khuẩn đông tụ B. cereus KG05 64

4.9 Đa dạng loài các chủng vi khuẩn đông tụ trong chi Bacillus 64

4.10 Đa dạng trình tự chuỗi nucleotide của 18 chủng vi khuẩn đông tụ
bản địa
65

4.11 Sơ đồ vị trí các chủng vi khuẩn đông tụ trong vùng sinh thái ở đồng
bằng sông Cửu Long
68

4.12 Vi khuẩn tự đông tụ trong môi trường polypepton (24 giờ) 69

4.13 Hiệu suất đông tụ (%) 4 cặp chủng vi khuẩn đông tụ 72

4.14 Sự kết dính của cặp vi khuẩn đông tụ 74

4.15 Ảnh hưởng của liều lượng vi khuẩn đến hiệu suất đông tụ 90

4.16 Hiệu suất đông tụ của vi khuẩn qua 3 chu kỳ xử lý nước thải quy
mô 08 lít
92

4.17 Mẫu nước thải sau xử lý bằng vi khuẩn đông tụ 93

4.18 Hiệu suất đông tụ cặp chủng vi khuẩn Bacillus cereus KG05 +

Bacillus megaterium VL01 qua 2 chu kỳ xử lý nước thải chăn nuôi
heo sau biogas quy mô 80 lít
98

4.19 Hiệu suất đông tụ cặp chủng vi khuẩn Bacillus cereus KG05 +
Bacillus megaterium VL01 qua 3 chu kỳ xử lý nước thải chăn nuôi
heo sau biogas quy mô 800 lít
99

4.20 Quy trình xử lý nước thải chăn nuôi heo sau biogas bằng biện pháp
đông tụ sinh học
102


Luận án Tiến sĩ, khóa 2012 - 2015 Trường Đại học Cần Thơ
Hồ Thanh Tâm Viện Nghiên cứu và Phát triển CNSH
xiv

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

Ký tự viết tắt Chữ nguyên gốc Nghĩa chữ viết tắt
BOD
5
Biochemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy sinh hóa
COD Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hóa học
DNA Deoxyribonucleic acid Deoxyribonucleic acid
DO Dissolved oxygen Lượng oxy hòa tan
ĐBSCL Đồng bằng sông Cửu Long Đồng bằng sông Cửu Long
ĐC Đối chứng Đối chứng
N Nitrogen Đạm hữu cơ

NCBI National Center for Biotechnology
Information
Cơ sở dữ liệu DNA
N-NH
4
+
Ammonium Ammonium
NT Nghiệm thức Nghiệm thức
RNA Ribonucleic acid Ribonucleic acid
r
RNA RNA Ribosome RNA ribosome
OD Optical Density Chỉ số quang phổ
P

Phosphor Phosphor
PCR Polymerase Chain Reaction Kỹ thuật PCR
PO
4
3-
Orthophosphate Orthophosphate
QCVN
40:2011/BTNMT

Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về
môi trường
Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia
về môi trường
TN Total Nitrogen Đạm tổng
TP Total Phosphor Lân tổng
TSS Total Suspended Solids Tổng chất rắn lơ lửng

UASB Upward-flow Anaerobic Sludge
Blanket
Bể phản ứng yếm khí tiếp xúc
SBR Sequencing Batch Reactor Bể phản ứng theo mẻ
PAC Poly Aluminium Chloride Chất keo tụ
Luận án Tiến sĩ, khóa 2012 - 2015 Trường Đại học Cần Thơ
Hồ Thanh Tâm Viện Nghiên cứu và Phát triển CNSH
1
CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU
1.1 Đặt vấn đề
Nước là nguồn tài nguyên thiết yếu cho tất cả các sinh vật trên trái đất. Tuy
nhiên, với sự phát triển loài người đã khai thác triệt để nguồn nước, đồng thời thải
ra vô số các chất thải, nguồn nuớc bị ô nhiễm nghiêm trọng, ảnh hưởng trực tiếp
đến hệ sinh thái và sức khỏe con người. Vì thế, các quá trình làm sạch nguồn nước
hay xử lý nước thải trước khi thải vào môi trường đang được quan tâm, đây là
công việc phải thực hiện ở hiện tại và tương lai.
Hiện nay, có rất nhiều phương pháp được ứng dụng để xử lý nước thải, bao
gồm: cơ học, hóa lý, sinh học…Trong đó, phương pháp sinh học đang được xem là
phương pháp hữu hiệu nhất trong lĩnh vực xử lý nước thải vì những ưu điểm của
phương pháp này là: đơn giản, rẻ tiền, hiệu quả cao hơn các biện pháp cơ học, hóa
lý,…(Cao Ngọc Điệp và ctv., 2012). Trong công nghệ sinh học xử lý nước thải
được vận hành dựa trên sự hoạt động của hệ vi sinh vật. Vì vậy, để áp dụng hiệu
quả phương pháp sinh học điều kiện tiên quyết là phải có một quần thể vi sinh vật
phù hợp để xử lý chất ô nhiễm trong nước.
Từ lâu, vi khuẩn tạo chất kết tụ sinh học (flocculation bacteria) tỏ ra có hiệu
quả khi được đưa vào các quy trình làm sạch nước thải, bằng cách tổng hợp các
chất kết tụ sinh học (bioflocculants) làm lắng tụ vật chất lơ lửng trong môi trường.
Tuy nhiên, theo nhiều nghiên cứu gần đây cho thấy các chủng vi khuẩn chiếm ưu
thế trong các hệ thống sinh học xử lý nước thải lại không có khả năng kết tụ (Non-

flocculation bacteria), chúng có một cơ chế riêng ít được nói đến, trong đó quần
thể vi khuẩn có khả năng tạo sự đông tụ (Aggregation) lại có tỉ lệ cao, chúng thực
hiện kết dính các tế bào vi khuẩn, qua đó các vật chất lơ lửng có kích thước cực
nhỏ, khó xử lý được lắng tụ. Vì thế, các chủng vi khuẩn này trở nên quan trọng
trong quá trình hình thành màng sinh học và bùn hoạt tính (Malik et al., 2003;
Kimchhayarasy et al., 2009). Mặc dù vậy, hiện tại có rất ít công trình nghiên cứu
về đặc điểm, vai trò và ứng dụng các chủng vi khuẩn đông tụ trong xử lý nước
thải.
Ở Việt Nam, nhất là vùng đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL), bên cạnh cây
lúa và hoa màu phát triển, nghề chăn nuôi heo cũng phát triển mạnh ở các hộ gia
đình, đồng thời mở rộng với quy mô lớn tại các cơ sở chăn nuôi. Bên cạnh đó,
không thể tránh khỏi sự phát sinh hàm lượng chất gây ô nhiễm môi trường, làm
ảnh hưởng đến môi trường sinh thái và sức khỏe con người. Vấn đề này được khắc
phục bằng nhiều biện pháp. Trong đó, biện pháp sinh học được sử dụng rộng rãi
như công nghệ yếm khí biogas được nhiều người áp dụng, ngoài việc cải thiện tình
Luận án Tiến sĩ, khóa 2012 - 2015 Trường Đại học Cần Thơ
Hồ Thanh Tâm Viện Nghiên cứu và Phát triển CNSH
2
trạng ô nhiễm còn có thể thu khí metan làm nhiên liệu (Nguyễn Thị Hồng và Phạm
Khắc Liệu, 2012). Những lợi ích do công nghệ yếm khí biogas đem lại là không
thể phủ nhận, tuy nhiên các chỉ tiêu ô nhiễm vẫn còn ở mức khá cao. Một trong
những vấn đề đang được quan tâm giải quyết hiện nay là việc tìm ra những giải pháp
thích hợp nhằm hạn chế tác động tiêu cực của ngành chăn nuôi lên môi trường
(Trương Văn Cảnh, 2010).
Nước thải chăn nuôi heo sau biogas là một trong những loại nước thải rất đặc
trưng, có khả năng gây ô nhiễm môi trường cao bởi hàm lượng chất hữu cơ, cặn lơ
lửng, hàm lượng đạm, lân và sinh vật gây bệnh. Hiện nay chưa có hệ thống thu
gom và xử lý các chất thải phù hợp, các chất thải tồn tại dưới dạng các hạt có kích
thước nhỏ, khó lắng, khó có thể tách ra được bằng phương pháp cơ học và phương
pháp kết tụ bằng hoá chất sẽ ảnh hưởng môi trường, còn phương pháp kết tụ sinh

học lại không xử lý các hạt lơ lửng trong môi trường một cách triệt để, vì vậy việc
bổ sung vi khuẩn đông tụ vào quy trình xử lý nước thải, sẽ góp phần giảm các cặn
lơ lửng và giảm được lượng đạm, lân trong nước thải trại chăn nuôi heo. Chính vì
thế, nghiên cứu các chủng vi khuẩn đông tụ giúp làm rõ hơn các đặc điểm và vai
trò của chúng, đồng thời là cơ sở khoa học cho việc ứng dụng nâng cao hiệu quả
các quá trình sinh học trong xử lý nước thải, nhất là nước thải chăn nuôi heo. Vì
vậy, để có được nền sản xuất nông nghiệp bền vững nhất là ngành chăn nuôi heo
thân thiện với môi trường thì đề tài “Phân lập, tuyển chọn và ứng dụng vi
khuẩn đông tụ để xử lý nước thải chăn nuôi heo ở các tỉnh đồng bằng sông
Cửu Long” được thực hiện nhằm góp phần ứng dụng công nghệ sinh học vào thực
tiễn cuộc sống và đóng góp thiết thực trong việc xử lý nước thải chăn nuôi heo sau
biogas ở khu vực đồng bằng sông Cửu Long.
1.2 Mục tiêu nghiên cứu
Phân lập, tuyển chọn, định danh, phân tích mối tương quan trình tự 16S
rRNA và ứng dụng chủng vi khuẩn đông tụ bản địa vào xử lý nước thải chăn nuôi
heo sau biogas ở đồng bằng sông Cửu Long, trong điều kiện phòng thí nghiệm và
tại trại chăn nuôi heo, nhằm góp phần giảm các thông số: pH, tổng chất rắn lơ
lửng, nhu cầu oxy hóa sinh học, đạm, lân trong nước thải sau xử lý so với nước
thải đầu vào và quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về môi trường (QCVN
40:2011/BTNMT).
1.3 Nội dung nghiên cứu
(i) Phân lập các chủng vi khuẩn đông tụ từ nước thải trại chăn nuôi heo sau
biogas ở đồng bằng sông Cửu Long.
(ii) Nhận diện vi khuẩn, định danh và xây dựng mối tương quan trình tự 16S
rRNA các chủng vi khuẩn đông tụ, trong nước thải chăn nuôi heo sau biogas ở
ĐBSCL, bằng phương pháp truyền thống và sinh học phân tử.
Luận án Tiến sĩ, khóa 2012 - 2015 Trường Đại học Cần Thơ
Hồ Thanh Tâm Viện Nghiên cứu và Phát triển CNSH
3
(iii) Tuyển chọn các chủng vi khuẩn có hiệu suất đông tụ cao để làm chủng vi

khuẩn giữ vai trò chính trong quá trình xử lý nước thải chăn nuôi heo sau biogas.
(iv) Xác định cơ chế đông tụ của vi khuẩn đông tụ trong xử lý nước thải chăn
nuôi heo sau biogas.
(v) Xác định chỉ số pH, loại cation và nồng độ cation (Ca
2+
, Mg
2+
, Na
+
, K
+
)
trong môi trường phù hợp nhất, để vi khuẩn đông tụ hoạt động cho hiệu suất đông
tụ cao trong xử lý nước thải chăn nuôi heo sau biogas.
(vi) Ứng dụng vi khuẩn đông tụ đã tuyển chọn vào xử lý nước thải chăn nuôi
heo sau biogas, quy mô phòng thí nghiệm (8 lít) và tại trại chăn nuôi heo (80, 800 lít).
1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
(i) Đối tượng nghiên cứu: các chủng vi khuẩn tế bào có tính kỵ nước cao và
có khả năng tạo sự đông tụ cho hiệu suất cao, trong xử lý nước thải chăn nuôi heo
sau biogas.
(ii) Phạm vi nghiên cứu: phân lập, tuyển chọn, định danh đại diện các chủng
vi khuẩn tạo sự đông tụ trong nước thải chăn nuôi heo sau biogas, ở đồng bằng
sông Cửu Long; ứng dụng vi khuẩn đông tụ vào xử lý nước thải chăn nuôi heo sau
biogas qui mô phòng thí nghiệm (8 lít) và tại trại chăn nuôi heo (80 và 800 lít); so
sánh các thông số pH, tổng chất rắn lơ lửng (TSS), nhu cầu oxy hóa sinh học
(BOD
5
), đạm (N-NH
4
+

, TN), lân (PO
4
3-
, TP) trong nước thải sau xử lý, so với nước
thải đầu vào và quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về môi trường (QCVN
40:2011/BTNMT).
1.5 Những đóng góp mới, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
(i) Tuyển chọn, định danh và xây dựng được mối quan hệ trình tự 16S rRNA
của 18 chủng vi khuẩn có khả năng tạo sự đông tụ trong nước thải chăn nuôi heo
sau biogas ở ĐBSCL, bằng phương pháp truyền thống và phương pháp sinh học
phân tử.
(ii) Tuyển chọn được 04 cặp chủng vi khuẩn đông tụ (Bacillus cereus KG05 +
Bacillus megaterium VL01; Bacillus cereus KG05 + Bacillus sp. VL05; Bacillus
cereus KG05 + Bacillus aryabhattai ST02 và Bacillus megaterium VL01 + Bacillus
sp. VL05) mỗi cặp chủng vi khuẩn được ứng dụng đạt hiệu suất đông tụ cao trong
quá trình xử lý nước thải chăn nuôi heo sau biogas.
(iii) Xác định được cơ chế tạo sự đông tụ là sự kết dính các tế bào vi khuẩn
với nhau, nhờ vào tính kỵ nước của bề mặt tế bào, cùng với sự tương tác của các
yếu tố trong môi trường thích hợp là pH = 7, cation hóa trị II (Mg
2+
)

ở nồng độ 20
mM, cation hóa trị I (K
+
) nồng độ 30 mM. Qua đó, các hạt lơ lửng trong môi
Luận án Tiến sĩ, khóa 2012 - 2015 Trường Đại học Cần Thơ
Hồ Thanh Tâm Viện Nghiên cứu và Phát triển CNSH
4
trường được các tế bào vi khuẩn liên kết và gom tụ lại tạo thành khối rồi lắng

xuống đáy cùng với tế bào vi khuẩn.
(iv) Xây dựng được một quy trình xử lý nước thải chăn nuôi heo sau biogas,
bằng phương pháp sinh học có bổ sung vi khuẩn đông tụ. Kết quả cho hiệu suất
đông tụ từ 80 – 90,4%, các thông số pH, tổng chất rắn lơ lửng, nhu cầu oxy hóa
sinh học, tổng lân và orthophosphate trong nước thải sau xử lý, đạt được loại A
hoặc B QCVN 40:2011/BTNMT; hàm lượng ammonium và tổng đạm giảm hơn
50% so với nước thải ban đầu.
(v) Đóng góp tư liệu giảng dạy, tham khảo và nghiên cứu về vi sinh vật môi
trường trong xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học.
1.6 Kết cấu của luận án
Luận án có 3 phần: Phần đầu (14 trang được đánh số i đến xiv); phần nội
dung Luận án gồm 5 chương, 104 trang: chương 1: Giới thiệu có 04 trang với 06
tiểu mục, đánh số từ trang 1 đến 4; chương 2: Tổng quan tài liệu có 31 trang với 13
tiểu mục, đánh số từ trang 5 đến 35; chương 3: Vật liệu và phương pháp nghiên
cứu có 15 trang với 05 tiểu mục, đánh số từ trang 36 đến 50; chương 4: Kết quả và
thảo luận có 52 trang với 05 tiểu mục, đánh số từ trang 51 đến 102; chương 5: Kết
luận và đề xuất: có 02 trang với 02 tiểu mục, đánh số từ trang 103 đến 104; phần
Tài liệu tham khảo có 09 trang, đánh số từ trang 105 đến 113, có 112 tài liệu (70
tài liệu nước ngoài, 42 tài liệu trong nước, 01 trang web); Danh mục các công trình
đã công bố có liên quan đến luận án 01 trang 114; phụ lục 58 trang, từ trang 115
đến trang 172. Trong luận án có 25 Bảng và 38 Hình.






Luận án Tiến sĩ, khóa 2012 - 2015 Trường Đại học Cần Thơ
Hồ Thanh Tâm Viện Nghiên cứu và Phát triển CNSH
5

CHƯƠNG 2
TỔNG QUAN TÀI LIỆU

2.1 Tầm quan trọng của nước và sự cần thiết xử lý nước thải hiện nay
Nước giữ vai trò thiết yếu trong nhiều quá trình diễn ra trong tự nhiên và
cuộc sống của con người, nếu không có nước chắc chắn không có sự sống xuất
hiện. Ngoài ra, nước còn là một khoáng sản đặc biệt vì nó tàng trữ một nguồn năng
lượng lớn và hòa tan nhiều vật chất có thể khai thác phục vụ nhu cầu nhiều mặt
cho con người. Nước bao phủ 71% diện tích của quả đất, trong đó có 97% là nước
mặn, còn lại là nước ngọt. Nước giữ cho khí hậu tương đối ổn định và pha loãng
các yếu tố gây ô nhiễm môi trường, nước còn là thành phần cấu tạo chính yếu
trong cơ thể sinh vật, chiếm từ 50 – 97% trọng lượng cơ thể. Trong 3% lượng nước
ngọt có trên quả đất thì chỉ có 0,5% nước ngọt hiện diện trong sông, suối, ao, hồ
mà con người đã và đang sử dụng. Tuy nhiên nếu trừ phần nước bị ô nhiễm ra thì
chỉ còn khoảng 0,003% là nước ngọt, sạch mà con người có thể sử dụng được
trong cuộc sống (Trần Phước Đường, 1999).
Ngày nay, do xu thế phát triển của xã hội, sự gia tăng dân số cùng với quá
trình đô thị hóa đang diễn ra ngày càng mạnh mẽ, các ngành công – nông nghiệp,
các nhà máy, khu công nghiệp, vùng kinh tế mới ra đời, các đô thị mới được mở
rộng, dẫn đến nhu cầu sử dụng nước ngày càng lớn, đòi hỏi cần rất nhiều nước
sạch, trong khi nguồn tài nguyên nước không tăng lên, nhu cầu sử dụng nước hàng
năm của thế giới hiện nay khoảng 3.500 – 3.900 tỉ m
3
nước sạch, một nửa trong số
đó trở thành nước thải, còn một nửa không quay trở lại; 1 m
3
nước thải có thể làm
“nhiễm bẩn mạnh” 10 m
3
nước sạch, từ đó nước sạch nhanh chóng bị cạn kiệt, gây

ra nạn thiếu nước trầm trọng, điều này đã làm suy giảm nghiêm trọng cả về chất và
lượng nước (Nguyễn Văn Phước, 2007).
Hiện nay, việc cung cấp nước cho đời sống con người và nền kinh tế quốc
dân đã trở thành vấn đề thật sự cấp thiết. Nhiều quốc gia trên thế giới đã đưa ra
những quy định pháp lý nghiêm ngặt về vấn đề này. Việc sử dụng tổng hợp nguồn
nước: sinh hoạt, sản xuất, bảo vệ môi trường, đang được quan tâm. Nước thải
đang gây ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng nước nói chung, có thể gây tác hại cho
sức khỏe con người khi sử dụng. Hiện nay, có rất nhiều phương pháp được ứng
dụng để xử lý nước thải, bao gồm: cơ học, hóa lý, sinh học,… mỗi phương pháp có
ưu và nhược điểm riêng, tùy loại nước thải mà chọn phương pháp xử lý hợp lý.
Hơn nữa, để xử lý hiệu quả nước thải cần phải kết hợp nhiều phương pháp xử lý
theo một quy trình nhất định. Chính vì vậy, xử lý nước thải đạt tiêu chuẩn an toàn
trước khi xả ra môi trường hiện nay đang là vấn đề cấp thiết, không những bảo vệ
sức khỏe con người, bảo vệ môi trường sống mà còn đảm bảo thực hiện theo đúng
Luận án Tiến sĩ, khóa 2012 - 2015 Trường Đại học Cần Thơ
Hồ Thanh Tâm Viện Nghiên cứu và Phát triển CNSH
6
chính sách, quy định ban hành của nhà nước. Ở Việt Nam đã ban hành “Luật bảo
vệ môi trường”, tại Khoản 5, Điều 7 có nêu “một trong những hành vi bị nghiêm
cấm là chất thải chưa được xử lý đạt quy chuẩn kỹ thuật môi trường, chất độc, chất
phóng xạ và chất nguy hại khác vào đất, nguồn nước và không khí”. Quy chuẩn kỹ
thuật quốc gia về môi trường (QCVN 40:2011) gồm có 33 thông số ô nhiễm cần
phải đảm bảo đạt giá trị cho phép trong nước thải công nghiệp khi xả vào nguồn
tiếp nhận được tính bằng công thức Cmax = C x K
q
x K
f
(Luật bảo vệ môi trường,
2014). Trong đó: Cmax là giá trị tối đa cho phép của thông số ô nhiễm trong nước
thải công nghiệp khi xả thải vào nguồn tiếp nhận nước thải; C là giá trị của thông

số ô nhiễm trong nước thải công nghiệp được quy định; K
q
là hệ số nguồn tiếp
nhận nước thải quy định ứng với lưu lượng dòng chảy của sông, suối, khe rạch,
kênh mương hoặc dung tích ao, hồ, đầm… hay mục đích sử dụng của vùng nước
biển ven bờ; K
f
là hệ số lưu lượng nguồn nước thải ứng với tổng lưu lượng nước
thải của các cơ sở công nghiệp khi xả vào nguồn tiếp nhận nước thải.
Theo Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn Thị Thùy Dương (2003) để đánh giá
chất lượng nước thải cần dựa vào một số thông số cơ bản, so sánh với các thông số
cho phép về thành phần hóa học và sinh học, đối với từng loại nước sử dụng cho
mục đích khác nhau.
- Ðộ pH: là một trong những chỉ tiêu xác định đối với nước cấp và nước thải.
pH của các loại nước có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình sinh học, lý học, hóa học
xảy ra trong nước. Chỉ số này cho biết cần thiết phải trung hòa hay không và tính
lượng hóa chất cần thiết trong quá trình xử lý nước thải.
- Màu: là chỉ số đánh giá sự hiện diện của các chất tạo màu tan trong nước
(màu thực tế) và sự có mặt của các chất tạo màu lơ lửng trong nước. Màu không
chỉ làm giảm giá trị cảm quan của nước nó còn cho biết mức độ ô nhiễm và mức
độ độc hại của nước.
- Ðộ đục: là do sự phân hủy các chất hữu cơ, sự không hòa tan của những vật
lơ lửng hoặc những tế bào vi sinh vật phát triển trong nước làm giảm khả năng
truyền ánh sáng trong nước. Vi sinh vật có thể bị hấp thụ bởi các hạt rắn lơ lửng sẽ
gây khó khăn khi khử khuẩn. Ðộ đục càng cao độ nhiễm bẩn càng lớn.
- Lượng oxy hòa tan (DO – Dissolved oxygen): sau nước, oxy là nguyên liệu
tối cần thiết cho những sinh vật hiếu khí, oxy được coi là một thông số rất quan
trọng trong việc đánh giá chất lượng nước cũng như mức độ oxy hóa hay mức độ
nhiễm bẩn. Ðộ hòa tan của nó phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất và các đặc tính của
nước. Phân tích chỉ số oxy hòa tan (DO) là một trong những chỉ tiêu quan trọng

đánh giá sự ô nhiễm của nước và giúp ta đề ra biện pháp xử lý thích hợp.
- Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD – Biochemical Oxygen Demand): là chỉ số sử
dụng rộng rãi để đo chất lượng nước, BOD là lượng oxy hòa tan mà vi sinh vật đòi
Luận án Tiến sĩ, khóa 2012 - 2015 Trường Đại học Cần Thơ
Hồ Thanh Tâm Viện Nghiên cứu và Phát triển CNSH
7
hỏi cho quá trình phân giải hiếu khí các chất hữu cơ có mặt trong nước thải. Nước
càng nhiều chất hữu cơ rất dễ bị oxy hóa, tức càng ô nhiễm thì chỉ số BOD càng cao.
- Nhu cầu oxy hóa học (COD – Chemical Oxygen Demand): là lượng oxy cần
để oxy hoá toàn bộ các chất hoá học trong nước, COD càng lớn thì mức độ ô
nhiễm của nước thải càng cao.
- Tổng chất rắn lơ lửng (TSS – Total Suspended Solids): là toàn bộ lượng
chất rắn ở dạng hòa tan và lơ lửng trong môi trường nước thải.
- Hàm lượng nitơ (N): nitơ là nguyên tố cần thiết cho quá trình tổng hợp các
chất hữu cơ chứa nitơ trong cơ thể sinh vật, là thành phần cơ bản không thể thiếu
được trong tế bào sinh vật. Trong môi trường nước, nitơ thường tồn tại các dạng
như sau: ammonium, amoniac, nitrate, nitrite và cả nitơ tự do. Hàm lượng nitơ
trong môi trường là chỉ số đánh giá mức độ ô nhiễm môi trường nước.
- Hàm lượng phosphor (P): trong môi trường nước, phosphor tồn tại ở dạng:
H
2
PO
4
-
, HPO
4
2-
, PO
4
3-

dạng polyphosphate như Na
3
(PO
3
)
6
và phosphate hữu cơ.
- Các chất dinh dưỡng: chủ yếu là N và P, chúng là những nguyên tố cần
thiết cho các sinh vật phát triển hay chúng được ví như là những chất dinh dưỡng
hoặc kích thích sinh học của vi sinh vật.
Theo Ngô Thị Nga và Trần Văn Nhân (2002) cơ bản nước thải được xử lý
qua ba giai đoạn bao gồm:
- Xử lý cấp 1: Gồm các quá trình xử lý sơ bộ như lắng, lọc nhằm loại ra các
vật rắn có kích thước lớn.
- Xử lý cấp 2: Gồm các quá trình sinh học có tác dụng khử hầu hết các tạp
chất hữu cơ hòa tan có thể phân hủy sinh học gồm: Hoạt hóa bùn, lọc sinh học, oxy
hóa sinh học trong các hồ và phân hủy yếm khí.
- Xử lý cấp 3: Gồm vi lọc, kết tủa, đông tụ, hấp thụ bằng than hoạt tính, trao
đổi ion, các quá trình khử các chất dinh dưỡng, clo hóa và ozôn hóa.
2.2 Tình hình chăn nuôi heo trong cả nước và ở đồng bằng sông Cửu Long
Chăn nuôi heo đóng vai trò chủ yếu trong phát triển ngành chăn nuôi của Việt
Nam. Hầu hết các vùng của Việt Nam đều phát triển loại hình chăn nuôi heo. Theo
báo cáo của Cục chăn nuôi Việt Nam (2010) tổng lượng đàn heo của Việt Nam đứng
thứ tư trên thế giới (sau Trung Quốc, Mỹ, và Brazil), Theo Cục thống kê năm 2011
đánh giá tổng quan về thực trạng nông thôn, nông nghiệp và thủy sản. Tính đến thời
điểm 01/7/2011 cả nước có trên 4,13 triệu hộ có chăn nuôi heo. Số hộ nuôi từ 10 đến
49 con tăng 3,4%, đặc biệt đã có trên 32 nghìn hộ nuôi từ 50 con trở lên tăng gần
80% so với năm 2006. Chăn nuôi heo ở nước ta đang có sự chuyển dịch từ chăn
nuôi nhỏ lẻ sang quy mô lớn, sản lượng thịt heo hơi tăng gần 24% trong 5 năm. Đó
là xu hướng tiến bộ đáng ghi nhận vì phù hợp với yêu cầu chăn nuôi theo phương

Luận án Tiến sĩ, khóa 2012 - 2015 Trường Đại học Cần Thơ
Hồ Thanh Tâm Viện Nghiên cứu và Phát triển CNSH
8
pháp công nghiệp, ứng dụng tiến bộ khoa học và kỹ thuật trong chăn nuôi. Báo cáo
của Cục thống kê năm 2011 ước đến hết năm 2011 tổng đàn heo đạt 27,8 triệu con,
tăng 1,6% so với cùng kỳ năm 2010, với tốc độ phát triển mạnh của ngành chăn nuôi
heo như hiện nay dự tính đến năm 2020, lượng chất thải rắn trong chăn nuôi heo
phát sinh khoảng 1.212.000 tấn/năm, tăng 14,05% so với năm 2010 (Cục chăn nuôi
Việt Nam, 2011).
Đồng bằng sông Cửu Long là vùng trọng điểm sản xuất nông nghiệp của
nước ta, với diện tích tự nhiên gần 4 triệu hecta, dân số khoảng 17,5 triệu người
(Niên giám thống kê, 2010). Đây là vùng châu thổ phì nhiêu hệ thống sông ngòi
chằng chịt, là vùng tiềm năng cho sự phát triển trồng trọt và chăn nuôi (Phạm Văn
Thành, 2008). Bên cạnh sự phát triển cây lúa và các hoa màu khác, nghề chăn nuôi
ở ĐBSCL cũng phát triển rất mạnh, trong đó chăn nuôi heo có tốc độ phát triển rất
nhanh đã đóng góp lượng lớn thực phẩm (protein) cho con người với sản lượng
tăng lên theo hàng năm (Báo cáo của Trung tâm tin học và thống kê của Bộ nông
nghiệp và phát triển nông thôn năm 2013). Theo đánh giá của Cục Nông nghiệp
Việt Nam năm 2011, chăn nuôi heo quy mô trang trại ở các tỉnh phía Nam vẫn
đang tiếp tục dẫn đầu cả nước. Trong điều kiện kinh tế cả nước nói chung và ở
ĐBSCL đang tăng trưởng mạnh mẽ, trong đó chăn nuôi heo chiếm một phần tỷ
trọng lớn đã góp phần phát triển kinh tế địa phương và xóa đói giảm nghèo
(Dương Trí Dũng và ctv., 2010). Bên cạnh sự phát triển của ngành chăn nuôi đặc
biệt là chăn nuôi heo, tính đến cuối năm 2013 tổng đàn heo ở ĐBSCL là 3.595.600
con (Niên giám thống kê, 2013). Quy mô chăn nuôi heo ở ĐBSCL chủ yếu là quy
mô hộ gia đình, trang trại nhỏ, vừa, và trang trại công nghiệp. Tuy nhiên, trong quá
trình chăn nuôi heo, một lượng lớn chất thải không qua xử lý được thải ra mương,
ao, sông, rạch… làm ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng môi trường nước mặt, cản
trở dòng chảy, ô nhiễm vi sinh vật, gây khó khăn cho việc sử dụng nước để sinh
hoạt và hoạt động sản xuất của cộng đồng (Bùi Thị Nga và ctv., 2013). Đây là

những nguy cơ ảnh hưởng đến chất lượng nước, do hệ thống thu nhận và xử lý
chất thải chưa được quan tâm đúng mức dẫn đến các chất thải phát sinh từ chăn
nuôi heo không được quản lý phù hợp, làm tăng lượng chất ô nhiễm vào môi
trường, nhất là những vùng có hệ thống sông ngòi chằng chịt thì khả năng lan
truyền ô nhiễm rất lớn (Bùi Thị Nga và ctv., 2010), nếu không có hệ thống quản lý
chất thải tốt sẽ gây ô nhiễm môi trường đất, nước và không khí, từ đó ảnh hưởng
trực tiếp đến đời sống, sức khỏe con người và các sinh vật khác (Lưu Hữu Mãnh
và ctv., 2010). Theo Phạm Đức Phúc (2013) trong những năm gần đây phần lớn
các chuồng trại chăn nuôi heo ở các tỉnh ĐBSCL đều có áp dụng mô hình xử lý
chất thải bằng công nghệ yếm khí biogas để tận dụng khí đốt trong sinh hoạt và
góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Tuy nhiên, trong phạm vi một xã ở
ĐBSCL số hộ chăn nuôi heo chiếm 20-30% tổng số hộ thì hầm biogas là giải pháp
Luận án Tiến sĩ, khóa 2012 - 2015 Trường Đại học Cần Thơ
Hồ Thanh Tâm Viện Nghiên cứu và Phát triển CNSH
9
hiệu quả cho việc xử lý chất thải, nhưng nếu số hộ chăn nuôi heo chiếm tới 50-
60% thì hầm biogas sẽ có những hạn chế, vì lượng nước thải từ hầm biogas của
từng hộ dồn chung vào nguồn nước trong môi trường của toàn xã, nguồn nước thải
này thường không được tiếp tục xử lý đạt chuẩn theo quy định trước khi xả thải
vào nguồn nước làm ô nhiễm môi trường, gây bệnh cho các sinh vật, ảnh hưởng
đến sức khỏe con người trong xã và các vùng lân cận.
2.3 Thành phần nước thải chăn nuôi heo và nước thải chăn nuôi heo sau biogas
Theo Nguyễn Thị Thu Hà (2008) nước thải trại chăn nuôi heo bao gồm nước
vệ sinh chuồng trại, phân, nước tiểu của heo. Đặc trưng ô nhiễm của nước thải
chăn nuôi heo là: ô nhiễm hữu cơ; ô nhiễm đạm, lân và chứa nhiều loại vi trùng, vi
khuẩn gây bệnh. Trong thành phần chất rắn của nước thải chăn nuôi heo chất hữu
cơ chiếm 70 − 80% gồm các chất carbohydrate, acid amin, chất béo và các dẫn
xuất của chúng có trong phân, nước tiểu và thức ăn thừa. Chất vô cơ chiếm 20 đến
30% gồm cát, đất, muối clorua, SO
4

2-
đặc biệt là hàm lượng đạm trong nước thải
rất cao do hệ tiêu hóa của heo hấp thu kém thành phần nitơ. Chỉ có 30% lượng nitơ
đưa vào cơ thể heo chuyển hóa thành sản phẩm, 70% còn lại bị bài tiết ra ngoài
dưới dạng NH
4
+
, NO
2
-
, NO
3
-
(Jongbloes và Lenis, 1992). Lân là thành phần tương
đối ít, chiếm 0,25 − 1,4% trong thức ăn thừa và một ít trong nước tiểu của
heo…tồn tại chủ yếu ở dạng HPO
4
2-
, H
2
PO
4
, PO
4
3-
và phosphate hữu cơ. Những
chất hữu cơ chưa được heo đồng hóa, hấp thụ sẽ bài tiết ra ngoài theo phân, nước
tiểu cùng các sản phẩm trao đổi chất khác. Tùy điều kiện hiếu khí hay kỵ khí mà quá
trình phân hủy tạo thành các sản phẩm khác nhau như acid amin, acid béo, aldehyde,
nước, CO

2
, NH
3
, H
2
S, NO
2
, NO
3
, CH
4
, N
2
,…Các chất khí sinh ra như NH
3
,
H
2
S…gây ra mùi hôi thối trong khu vực nuôi, ảnh hưởng xấu tới môi trường. Đặc
biệt các thông số ô nhiễm môi trường ở mức rất cao (Bảng 2.1).
Bảng 2.1: Thành phần và tính chất nước thải chăn nuôi heo so với (QCVN
40:2011/BTNMT)

Thông số

Đơn
vị

Kết quả
Giá trị C (QCVN40

2011/BTNMT)
A B
pH - 7,23 - 8,07 6 đến 9 5,5 đến 9
Nhu cầu oxy hóa hóa học (COD) mg/L

2561 - 5028 75 150
Nhu cầu oxy hóa sinh học (BOD
5
)

mg/L

1664 - 3268 30 50
Tổng chất rắn lơ lửng (TSS) mg/L

1700 - 3218 50 100
Ammonium (N-NH
4
) mg/L

304 - 471 5 10
Tổng nitơ (TN) mg/L

512 - 594 20 40
Tổng phosphor (TP) mg/L

13,8 - 62 4 6
(Nguyễn Văn Phước, 2010 và Bộ Tài nguyên - Môi trường , 2011)