Phân lập, tuyển chọn chủng vi khuẩn Nitrat hóa có khả năng ứng dụng trong xử lý nước thải chăn nuôi sau Biogas.

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM

NGUYỄN THỊ THU HOÀI

PHÂN LẬP, TUYỂN CHỌN CHỦNG VI KHUẨN NITRAT HÓA
CÓ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NƢỚC THẢI
CHĂN NUÔI SAU BIOGAS

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Hệ đào tạo

: Chính quy

Chuyên ngành

: Công nghệ sinh học

Khoa

: CNSH - CNTP

Khoá học

: 2011 - 2015

Thái Nguyên, năm 2015


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƢỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM

NGUYỄN THỊ THU HOÀI

PHÂN LẬP, TUYỂN CHỌN CHỦNG VI KHUẨN NITRAT HÓA
CÓ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NƢỚC THẢI
CHĂN NUÔI SAU BIOGAS

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Hệ đào tạo

: Chính quy

Chuyên ngành

: Công nghệ sinh học

Lớp

: K43 - CNSH

Khoa

: CNSH - CNTP

Khoá học

: 2011 - 2015

Giảng viên hƣớng dẫn

: 1. TS. Lƣơng Hữu Thành
2. ThS. Nguyễn Thị Đoàn

Thái Nguyên, năm 2015


i

LỜI CẢM ƠN
Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Ban Giám Hiệu trường Đại học
Nông Lâm Thái Nguyên, Ban chủ nhiệm khoa Công nghệ Sinh học - Công
nghệ Thực phẩm, cùng tất cả các thầy cô giáo đã tận tâm dạy dỗ, truyền đạt
những kiến thức khoa học và những kinh nghiệm quý báu cho em trong suốt
thời gian học tập và rèn luyện tại trường.
Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn TS.Lương Hữu Thành và cô giáo
ThS. Nguyễn Thị Đoàn đã tạo điều kiện tốt nhất, tận tình hướng dẫn và giúp
đỡ em trong suốt quá trình thực tập tốt nghiệp.
Em xin cảm ơn các anh chị tại phòng thí nghiệm Sinh học môi trường Viện môi trường Nông Nghiệp cùng gia đình và bạn bè đã hết lòng quan tâm
hỗ trợ, động viên tạo điều kiện thuận lợi cho em thực hiện tốt khóa luận này.
Dù đã cố gắng nhiều, xong bài khóa luận không thể tránh khỏi những
thiếu sót và hạn chế. Kính mong nhận được sự chia sẻ và những ý kiến đóng
góp quý báu của thầy cô giáo và các bạn.
Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn tất cả !
Thái nguyên, tháng 05 năm 2015
Sinh viên

Nguyễn Thị Thu Hoài

ii

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tôi, các
số liệu được điều tra thu thập khách quan và trung thực. Kết quả nghiên
cứu chưa được sử dụng công bố trên tài liệu nào khác. Nếu sai tôi xin hoàn
toàn chịu trách nhiệm!
Thái Nguyên, ngày 16 tháng 6 năm 2015
XÁC NHẬN CỦA GVHD

Ngƣời viết cam đoan

1. TS. Lƣơng Hữu Thành

2. ThS. Nguyễn Thị Đoàn

Nguyễn Thị Thu Hoài

XÁC NHẬN CỦA GIÁO VIÊN CHẤM PHẢN BIỆN
Xác nhận sinh viên đã sửa theo yêu cầu
của Hội đồng chấm Khóa luận tốt nghiệp!


iii

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1. Đặc điểm nước thải đầu ra của 9 hầm biogas ở thành phố Huế. ................7
Bảng 2.2. Một số đặc điểm chọn lọc của các đại diện điển hình thuộc nhóm vi
khuẩn nitrit hóa tự dưỡng .................................................................................11

Bảng 2.3. Một số đặc điểm của các vi khuẩn nitrat hóa tự dưỡng điển hình ...........12
Bảng 4.1. Hoạt tính oxy hóa amon thành nitrit của các chủng tuyển chọn ..............30
Bảng 4.2. Hoạt tính oxy hóa nitrit của các chủng tuyển chọn ..................................31
Bảng 4.3. Đặc điểm hình thái khuẩn lạc các chủng vi khuẩn nghiên cứu ................32
Bảng 4.4. Đặc điểm tế bào các chủng vi khuẩn nghiên cứu .....................................33
Bảng 4.5. Ảnh hưởng của pH đến sự phát triển của chủng C1 ................................34
Bảng 4.6. Ảnh hưởng của pH đến sự phát triển của chủng D3 ................................35
Bảng 4.7. Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường nuôi cấy đến chủng C1 ..................36
Bảng 4.8. Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường nuôi cấy đến chủng D3 ..................37
Bảng 4.9. kết quả thử nghiệm xử lý gián đoạn .........................................................40


iv

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 2.1. Chu trình nitơ trong nước ............................................................... 15
Hình 4.1. Chủng vi khuẩn nitrat có hoạt tính trên môi trường Winogradsky 28
Hình 4.2. Chủng vi khuẩn nitrit hóa trên môi trường có chứa thuốc thử Griss ...... 29
Hình 4.3. Chủng vi khuẩn nitrat hóa trên môi trường có chứa thuốc thử Griss ..... 29
Hình 4.4. Hình thái khuẩn lạc chủng C1 và D3 ............................................. 32
Hình 4.5. Hình thái tế bào chủng C1 .............................................................. 33
Hình 4.6. Hình thái tế bào chủng D3 .............................................................. 33
Hình 4.7. Biểu đồ ảnh hưởng của pH đến sự phát triển của chủng C1 .......... 35
Hình 4.8. Biểu đồ ảnh hưởng của pH đến sự phát triển của chủng D3 .......... 35
Hình 4.9. Biểu đồ ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường nuôi cấy đến chủng C1 .... 37
Hình 4.10. Biểu đồ ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường nuôi cấy đến chủng D3 .. 37
Hình 4.11. Các bình nuôi tại thời điểm 0 ngày. ................................................ 39
Hình 4.12. Các bình nuôi cấy tại thời điểm 7 ngày ........................................ 40

v

DANH MỤC VÀ KÍ HIỆU VIẾT TẮT

TCVN

: Tiêu chuẩn Việt Nam

QCVN

: Quy chuẩn Việt Nam

h

: Đơn vị thời gian: giờ

BOD

: Nhu cầu oxy sinh hóa (biological oxygen demand)

COD

: Nhu cầu oxy hóa học (chemical oxygen demand)

SS

: Chất rắn lơ lửng

NH4-N

: Amoni

TKN

: Tổng nitơ Kjeldahl

T-P

: Tổng photpho

VSS

: Chất rắn dễ bay hơi

VSV

: Vi sinh vật

AMO

: Amonmonoxygenaza

HAO

: Hydroxylaminoxydaza


vi

MỤC LỤC

PHẦN 1: MỞ ĐẦU ...................................................................................................... 1
1.1. Đặt vấn đề ............................................................................................... 1
1.2. Mục tiêu và yêu cầu của đề tài ............................................................... 2
1.2.1. Mục tiêu của đề tài .............................................................................. 2
1.2.2. Yêu cầu của đề tài ............................................................................... 2
1.3. Ý nghĩa của đề tài ................................................................................... 2
1.3.1. Ý nghĩa trong khoa học ....................................................................... 2
1.3.2. Ý nghĩa trong thực tiễn ........................................................................ 2
PHẦN 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU ......................................................................... 3
2.1. Cơ sở khoa học của đề tài....................................................................... 3
2.1.1.Tổng quan về nước thải chăn nuôi ....................................................... 3
2.1.2. Nước thải chăn nuôi sau mô hình khí sinh học biogas........................ 6
2.1.3.Tính độc của các hợp chất chứa nitơ .................................................... 8
2.1.4. Xử lý nước thải giàu hợp chất chứa nitơ ứng dụng vi khuẩn nitrat hóa. ... 10
2.2.Tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới................................. 18
2.2.1.Tình hình nghiên cứu trong nước ....................................................... 18
2.2.2. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ................................................... 18
PHẦN 3: ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.... 20
3.1.Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ......................................................... 20
3.1.1. Đối tượng nghiên cứu ........................................................................ 20
3.1.2. Phạm vi nghiên cứu ........................................................................... 20
3.2.Địa điểm và thời gian tiến hành nghiên cứu ......................................... 20
3.2.1.Địa điểm nghiên cứu .......................................................................... 20
3.2.2.Thời gian nghiên cứu.......................................................................... 20
3.3. Dụng cụ, môi trường ............................................................................ 20
3.3.1. Dụng cụ thiết bị ................................................................................. 20
3.3.2. Môi trường ......................................................................................... 21


vii

3.4. Nội dung nghiên cứu ............................................................................ 22
3.5. Phương pháp nghiên cứu ...................................................................... 22
3.5.1. Phương pháp thu thập mẫu ................................................................ 22
3.5.2. Phương pháp phân lập và tuyển chọn vi khuẩn nitrat hóa ................ 22
3.5.3.Phương pháp nhuộm gram[13] ........................................................... 23
3.5.4.Phương pháp giữ giống ...................................................................... 24
3.5.5.Phương pháp phân tích ....................................................................... 25
PHẦN 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ....................................................................28
4.1.Phân lập vi khuẩn nitrat hóa .................................................................. 28
4.2.Tuyển chọn chủng có hoạt tính nitrat hóa cao ...................................... 28
4.2.1.Tuyển chọn chủng có hoạt tính oxy hóa amon thành nitrit ................ 28
4.2.2. Tuyển chọn chủng có hoạt tính oxy hóa nitrit thành nitrat ............... 29
4.2.3.Hoạt tính của các chủng tuyển chọn................................................... 30
4.3. Nghiên cứu đặc điểm sinh học của các chủng vi khuẩn đã tuyển chọn32
4.3.1. Đặc điểm hình thái khuẩn lạc ............................................................ 32
4.3.2. Đặc điểm, hình dạng tế bào ............................................................... 32
4.4. Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố đến sinh trưởng của các
chủng nitrit hóa ............................................................................................ 34
4.4.1. Ảnh hưởng của pH ............................................................................ 34
4.4.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ .................................................................... 36
4.5. Khả năng sử dụng các chủng vi sinh vật đã tuyển chọn vào xử lý nước
thải chăn nuôi sau Biogas ............................................................................ 38
PHẦN 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...............................................................42
5.1.Kết luận ................................................................................................. 42
5.2. Kiến nghị .............................................................................................. 42
TÀI LIỆU THAM KHẢO
I. Tài liệu Tiếng Việt
II. Tài liệu Nước ngoài

1

PHẦN 1
MỞ ĐẦU
1.1. Đặt vấn đề
Chăn nuôi là hình thức phổ biến trong cả nước đặc biệt là khu vực
nông thôn. Nó có vai trò chính là cung cấp lượng protein động vật chủ yếu
cho con người.
Với truyền thống sản xuất xa xưa là các trang trại thường nằm bên cạnh
các con sông hay nằm trong khu dân cư, vấn đề ô nhiễm môi trường xung
quanh làm chất lượng môi trường các thành phần cũng bị suy thoái là một vấn
nạn đòi hỏi cần giải quyết. Ngày càng có nhiều sông, kênh rạch bị ô nhiễm trầm
trọng do các chất hoạt động chăn nuôi thải ra kéo theo các thành phần như:
không khí, nước ngầm, đất và vi sinh vật trong đó có con người cũng bị đe dọa.
Để giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường trong chăn nuôi đã có nhiều dự
án phương pháp được tiến hành trong đó có việc xây dựng hệ thống Biogas.
Sau thời gian hoạt động các công trình này góp phần tích cực trong công tác
kiểm soát chất lượng dòng thải trước khi thải ra nguồn tiếp nhận, đồng thời
thu được khí sinh học làm nhiên liệu phục vụ sinh hoạt, đặc biệt có ý nghĩa ở
vùng nông thôn hiện nay.
Tuy nhiên do quá trình vận hành chưa đúng các yếu tố kỹ thuật nên chất
lượng nước thải sau khi xử lý bằng hầm Biogas chưa đáp ứng được yêu cầu xử
lý đảm bảo điều kiện xả thải, nồng độ chất ô nhiễm trong nước vẫn còn khá cao.
Hàm lượng các chất hữu cơ, hàm lượng chất rắn lơ lửng, hàm lượng nitơ, hàm
lượng photpho rất cao so với tiêu chuẩn cho phép. Theo nghiên cứu của Nguyễn
Thị Hồng, Phạm Khắc Liệu “Đánh giá hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi lợn
bằng hầm Biogas quy mô hộ gia đình tại Thừa Thiên Huế”. Tạp chí khoa học,
đại học Huế, tập 73, số 4, năm 2012, trang 83-91 cho kết quả: hàm lượng nito
tổng số là 421-778mg/l, hàm lượng photpho tổng số là 131-512mg/l, khi so sánh

2

với TCN678-2006 và QCVN24:2009/BTNMT thì hàm lượng photpho tổng vượt
gấp 20 lần tiêu chuẩn cho phép, hàm lượng nitơ vượt khoảng hơn 10 lần tiêu
chuẩn cho phép. Với hàm lượng nitơ và photpho cao như vậy nếu thải trực tiếp
ra môi trường sẽ gây ô nhiễm nguồn nước tự nhiên, tạo điều kiện cho các vi sinh
vật có hại phát triển, ảnh hưởng tới hệ sinh thái, đặc biệt có thể gây ảnh hưởng
xấu tới sức khỏe của con người. Do đó cần có giải pháp tác động chuyển hóa các
hợp chất hữu cơ đặc biệt là hợp chất chứa nitơ sang một dạng khác không nguy
hại tới môi trường, tới hệ sinh thái. Xuất phát từ thực tế đó, tôi đã chọn đề tài:
“Phân lập, tuyển chọn chủng vi khuẩn nitrat hóa có khả năng ứng dụng
trong xử lý nước thải chăn nuôi sau Biogas”.
1.2. Mục tiêu và yêu cầu của đề tài
1.2.1. Mục tiêu của đề tài
Tìm ra chủng vi khuẩn nitrat hóa có khả năng xử lý nước thải chăn nuôi
sau Biogas
1.2.2. Yêu cầu của đề tài
- Thu thập mẫu và phân lập được chủng vi khuẩn có trong nước thải
chăn nuôi sau Biogas
- Phân lập và tuyển chọn được các chủng vi khuẩn nitrat hóa
- Thử nghiệm được khả năng xử lý nước thải chăn nuôi sau Biogas trên
quy mô phòng thí nghiệm.
1.3. Ý nghĩa của đề tài
1.3.1. Ý nghĩa trong khoa học
Kết quả của đề tài là tài liệu tham khảo cho những nghiên cứu tiếp theo
về việc xử lý nước thải chăn nuôi sau Biogas.
1.3.2. Ý nghĩa trong thực tiễn
Kết quả của đề tài góp phần nâng cao công tác quản lý và xử lý tốt

hơn nguồn nước thải sau hầm Biogas.


3

PHẦN 2
TỔNG QUAN TÀI LIỆU
2.1. Cơ sở khoa học của đề tài
2.1.1. Tổng quan về nước thải chăn nuôi
Nguồn nước thải chăn nuôi là một trong những nguồn chất thải có chứa
nhiều hợp chất hữu cơ, virus, vi trùng, trứng giun sán… Nguồn nước này có
nguy cơ gây ô nhiễm các tầng nước mặt, nước ngầm và trở thành nguyên
nhân trực tiếp phát sinh dịch bệnh cho đàn gia súc. Đồng thời nó có thể lây
lan một số bệnh cho con người và ảnh hưởng đến môi trường xung quanh vì
nước thải chăn nuôi còn chứa nhiều mầm bệnh như: Samonella, Leptospira,
Clostridium tetani,…nếu không xử lý kịp thời. Bên cạnh đó còn có nhiều loại
khí được tạo ra bởi hoạt động của vi sinh vật như NH3, CO2, CH4, H2S, . .
.Các loại khí này có thể gây nhiễm độc không khí và nguồn nước ngầm ảnh
hưởng đến đời sống con người và hệ sinh thái[15]. Chính vì vậy mà việc
thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho các trại chăn nuôi là một hoạt động
hết sức cần thiết.
Đặc trưng ô nhiễm của nước thải chăn nuôi heo là: ô nhiễm hữu cơ; ô
nhiễm N, P và chứa nhiều loại vi trùng, vi khuẩn gây bệnh.
2.1.1.1. Ô nhiễm các chất hữu cơ và vô cơ
Những chất hữu cơ chưa được gia súc đồng hoá, hấp thụ sẽ bài tiết ra
ngoài theo phân, nước tiểu cùng các sản phẩm trao đổi chất khác.Thức ăn dư
thừa cũng là 1 nguồn gây ô nhiễm hữu cơ.
Trong nước thải chăn nuôi, hợp chất hữu cơ chiếm 70-80 % gồm protit,
acid amin, chất béo, hydratcarbon và các dẫn xuất của chúng. Hầu hết là các
chất hữu cơ dễ phân huỷ, giàu Nitơ, Photpho. Các chất vô cơ chiếm 20-30%

gồm cát, đất, muối, ure, amonium, muối chlorua, sulfate…[16]


4

Các hợp chất hoá học trong phân và nước thải dễ dàng bị phân huỷ. Tùy
điều kiện hiếu khí hay kị khí mà quá trình phân huỷ tạo thành các sản phẩm
khác nhau như acid amin, acid béo, aldehide, CO2, H2O, NH3, H2S. Nếu quá
trình phân huỷ có mặt O2 sản phẩm tạo thành sẽ là CO2, H2O, NO2, NO3. Còn
nếu quá trình phân hủy diễn ra trong điều kiện thiếu khí thì tạo thành các sản
phẩm CH4, N2, NH3, H2S, Indol, Scatol… Các chất khí sinh ra do quá trình
phân huỷ kị khí và thiếu khí như NH3, H2S…gây ra mùi hôi thối trong khu
vực nuôi ảnh hưởng xấu tới môi trường không khí.
2.1.1.2. Ô nhiễm Nitơ và Photpho:
Khả năng hấp thụ Nitơ và photpho của gia súc, gia cầm rất kém, nên
khi ăn thức ăn có chứa Nitơ, Photpho vào thì chúng sẽ bị bài thiết theo
phân và nước tiểu. Trong nước thải chăn nuôi thường chứa hàm lượng Nitơ
và Photpho rất cao. Hàm lượng Nitơ tổng trong nước thải của trại chăn
nuôi đo được sau khi ra biogas từ 571 - 594 mg/l, Photpho từ 13.8-62 mg/l.
Theo Jongbloed và Lenis (1992), đối với heo trưởng thành khi ăn vào 100
g Nitơ thì: 30 g được giữ lại cơ thể, 50 g bài tiết ra ngoài theo nước tiểu
dưới dạng ure, còn 20 g ở dạng phân Nitơ vi sinh khó phân huỷ và an toàn
cho môi trường.
Nitơ bài tiết ra ngoài theo nước tiểu và phân dưới dạng ure, sau đó ure
nhanh chóng chuyển hoá thành NH3 theo phương trình sau:
(NH2)2CO + H2O → NH4 + OH- + CO2 ↔ NH3↑ + CO2 + H2O
Khi nước tiểu và phân bài tiết ra ngoài, vi sinh vật sẽ tiết ra enzime
ureaza chuyển hoá ure thành NH3, NH3 phát tán vào không khí gây mùi hôi
hoặc khuyếch tán vào nước làm ô nhiễm nguồn nước.
Nồng độ NH3 trong nước thải phụ thuộc vào:

- Lượng ure trong nước tiểu.
- pH của nước thải: khi pH tăng, NH4+ sẽ chuyển thành NH3. Ngược
lại khi pH giảm, NH3 chuyển thành NH4+


5

NH3 + H2O ↔ NH4+ + OH- Điều kiện lưu trữ chất thải.
Hàm lượng N-NH3 trong nước thải của trại sau khi ra biogas khá lớn,
khoảng 304-471 mg/l, chiếm 75-85% hàm lượng N tổng.
Nước thải chăn nuôi chứa hàm lượng lớn N, P. Đây là nguyên nhân có
thể gây hiện tượng phú dưỡng hoá cho các nguồn nước tiếp nhận, ảnh hưởng
xấu đến chất lượng nguồn nước và các sinh vật sống trong nước [15].
2.1.1.3. Vi sinh vật gây bệnh:
Nước thải chăn nuôi chứa nhiều loại vi trùng, virus và trứng ấu trùng
giun sán gây bệnh. Do đó, loại nước thải này có nguy cơ trở thành nguyên
nhân trực tiếp phát sinh dịch bệnh cho đàn gia súc, gia cầm đồng thời lây lan
1 số bệnh cho người nếu không được xử lý.
Theo nghiên cứu của Nanxera đối với nước thải chăn nuôi: vi trùng gây
bệnh đóng dấu (Erisipelothris insidiosa) có thể tồn tại 92 ngày, Brucella từ
74-108 ngày, Samolnella từ 6-7 tháng, Leptospira 5-6 tháng, Microbacteria
tuberculosis 75-150 ngày, virus lở mồm long móng (FMD) sống trong nước
thải 100-120 ngày…, các loại vi trùng có nha bào như: Bacillus tetani 3-4
năm. Trứng giun sán nhiều trong nước thải chăn nuôi với nhiều loại điển hình
như: Fasciolahepatica, Fasciola gigantica, Fasciolosis buski, Ascaris suum,
Oesophagostomum sp, Trichocephalus dentatus… có thể phát triển đến giai
đoạn gây nhiễm sau 6-28 ngày và tồn tại 5-6 tháng [15].
Theo A.Kigirop (1982), các loại vi trùng gây bệnh như: Samonella,
E.coli và nha bào Bacilus anthrasis có thể xâm nhập theo mạch nước
ngầm. Samonella có thể thấm sâu xuống lớp đất bề mặt 30-40 cm, ở những

nơi thường xuyên tiếp nhận nước thải. Trứng giun sán, vi trùng có thể lan
truyền đi rất xa và nhanh khi bị nhiễm vào nước mặt gây dịch bệnh cho
người và gia súc.


6

Nghiên cứu của Bonde (1967) cho thấy: đa số các VSV gây bệnh không
phát triển lâu dài trong nước thải, số lượng của chúng giảm nhanh trong
những ngày đầu sau đó chậm dần. Các loại vi trùng tồn tại lâu trong nước ở
vùng nhiệt đới Samonella typhi và Samonella paratyphi, E.coli, Shigella,
Vibrio comma gây dịch tả.
Ngoài ra, G.Rhêinhinmer còn phân lập được nhiều loài nấm gây bệnh.
Đối với vi khuẩn và virus đường ruột, thì thời gian sống sót trong nước thải
càng lâu thì số lượng cá thể của chúng càng nhỏ và ngược lại.
Hệ vi sinh vật trong nước thải chăn nuôi rất phức tạp trong đó chủ yếu là
vi khuẩn gây thối có 3-16 triệu/ml, vi khuẩn phân huỷ đường mỡ, E.coli 10 x
104 - 10 x 107 tế bào/ml, vi khuẩn lưu huỳnh, vi khuẩn nitrat hoá. Hệ vi
sinh vật này có ảnh hưởng lớn đến tính chất và khả năng tự làm sạch của
nguồn nước.
Việc xử lý nước thải chăn nuôi nhằm giảm nồng độ các chất ô nhiễm
trong nước thải đến một nồng độ cho phép có thể xả vào nguồn tiếp nhận.
Việc lựa chọn phương pháp làm sạch và lựa chọn quy trình xử lý nước phụ
thuộc vào các yếu tố như :
 Các yêu cầu về công nghệ và vệ sinh nước.
 Lưu lượng nước thải.
 Các điều kiện của trại chăn nuôi.
 Hiệu quả xử lý.
2.1.2. Nước thải chăn nuôi sau mô hình khí sinh học Biogas
Về cảm quan nước thải sau hầm Biogas có màu đen hoặc xanh đen, ít có

mùi hôi thối. Theo tạp chí Khoa học, Đại học Huế, tập 73, số 4, năm 2012 thì
chất lượng nước thải đầu ra được trình bày như sau:


7

Bảng 2.1: Đặc điểm nƣớc thải đầu ra của 9 hầm biogas ở thành phố Huế

STT

Thông
số

Đơn vị

Khoảng
giá trị

TB±s

TCN

QCVN

678-

24:2009/BT

2006

NMT

1

BOD5

mg/L

192-582

307±90

300

50

2

COD

mg/L

264-789

463±127

400

100

3

SS

mg/L

188-821

373±123

-

100

4

VSS

mg/L

123-499

244±96

-

-

5

NH4-N

mg/L

106-421

259±74

5

10

6

TKN

mg/L

335-712

536±89

-

7

T-P

mg/L

122-492

318±84

20

6

fecal

MPN/10

1,5×106 -

10,6×106

-

-

8

Coliform

0mL

75×10

6

(Nguồn: Tạp chí khoa học Đại học Huế, năm 2012)
Nhìn chung, nước thải đầu ra của hầm biogas có hàm lượng chất ô
nhiễm cao.
Các thông số cơ bản của nước thải sau hầm biogas vượt hoặc xấp xỉ vượt
tiêu chuẩn cho phép nhiều lần, cụ thể như sau:
So với tiêu chuẩn TCN 678 - 2006:
+ Nồng độ chất hữu cơ vượt nhẹ.
+ Nồng độ chất dinh dưỡng cao, vượt 52 lần (đối với NH4-N) và 16 lần
(đối với tổng P).
So với Quy chuẩn QCVN 24:2009/BTMT:
+ Nồng độ chất hữu cơ vượt 5 lần (đối với BOD5) và 6 lần (đối với tổng P)


8

+ Các thông số khác (SS, VSS, TKN, Fecal coliform) không được quy
định trong các tiêu chuẩn so sánh nhưng có nồng độ khá cao.
Từ kết quả so sánh trên thì nước thải đầu ra của hầm biogas không đủ
tiêu chuẩn thải vào môi trường. Với nồng độ chất ô nhiễm cao thì nước thải
này sẽ góp phần làm suy giảm chất lượng môi trường của nguồn tiếp nhận.
2.1.3. Tính độc của các hợp chất chứa nitơ
Trong nước mặt cũng như trong nước ngầm nitơ tồn tại ở 3 dạng chính là
ion amoni (NH4+), nitrit (NO2-) và nitrat (NO3-). Dưới tác động của nhiều yếu
tố hóa lý và do hoạt động của một số vi sinh vật các dạng nitơ này chuyển hóa
lẫn nhau, tích tụ lại trong nước ăn và có độc tính đối với con người.
Nếu có hàm lượng lớn NO3- trong nước sẽ gây ra hiện tượng phù dưỡng,
trước hết nó tương cường sự phát triển của tảo và vi sinh vật phù du làm giảm
độ xuyên của ánh sáng mặt trời, ngăn cản quá trình quang hợp trong các lớp
nước phía dưới. Mặt khác, sau khi tảo và các vi sinh vật phù du chết đi sẽ bị
các vi sinh vật khác phân hủy và giải phóng NH4+. Oxy hòa tan trong nước bị

các vi sinh vật hiếu khí sử dụng gây nên quá trình phân hủy hiếu khí tạo ra
các sản phẩm độc hại làm cho nước bị ô nhiễm trầm trọng. Nước uống nhiễm
NO3- có thể ảnh hưởng tới sức khỏe của con người do sự khử nitrat trong ruột.
Sự khử NO3- thành NO2- do vi khuẩn và sự xâm nhập sau đó của NO2- vào
máu là nguyên nhân của sự tạo thành methahemoglobin. Ở đây oxy của NO2liên kết chặt không thuận nghịch với hemoglobin khiến cho hồng cầu mất khả
năng vận chuyển oxy. Các chủng vi khuẩn khử nitrat đi qua dạ dày bình
thường chỉ đến ruột chúng mới khử nitrat, sinh trưởng và tích lũy NO2-. Sự
tạo thành methahemoglobin đặc biệt thấy rõ ở trẻ em. Trẻ em mắc chứng bệnh
này thường xanh xao và dễ bị đe dọa tới cuộc sống đặc biệt là trẻ em dưới 6
tháng tuổi. Ở trẻ em lớn tuổi và người lớn vi khuẩn bị chết trong dịch vị có
pH axit, NO2- được hấp thụ lại trước khi bị khử trong ruột ở pH thích hợp.


9

NO2- còn là chất độc gây bệnh ung vì nó tạo thành axit nitơ trong nước sau đó
kết hợp với các axit amin để tạo thành Nitrosamin là một trong các tác nhân
gây ung thư.
Trong ao hồ, amoni xuất hiện như một sản phẩm do sự biến dưỡng của
động vật trong nước cũng như từ sự phân hủy các chất hữu cơ với tác động
của vi khuẩn. Trong nước amoni được phân chia làm 2 nhóm là NH3 (khí
hòa tan) và nhóm NH 4+ (ion hóa). Dạng khí hòa tan của amoni là gây độc
cho ao hồ. Dưới tác dụng của vi khuẩn, amoni sẽ bị biến đổi thành nitrit
(NO2) (bởi vi khuẩn Nitrosomonas) rồi nitrat (NO3) (bởi vi khuẩn
Nitrobacter) [14]. Hình thức nitrat thường vô hại, nồng độ nitrat cho phép
trong nước nuôi trồng thủy sản <10mg/l. Khi môi trường nhiễm nitrat với
hàm lượng cao>10mg/l sẽ làm rong tảo phát triển, dẫn đến hiện tượng phú
dưỡng và làm giảm chất lượng nước. Sự phát triển bùng nổ của tảo làm cho
nước trở nên đục, tảo kết thành khối trôi nổi trên mặt nước, khi phân hủy
phát sinh mùi và làm giảm lượng oxy hòa tan trong nước, ảnh hưởng trực

tiếp tới đời sống của một số loài cá.
Do tác hại của NO2- và NO3- đối với sức khỏe của con người và động
vật nên chúng được coi là một trong những chỉ tiêu quan trọng để đánh giá
chất lượng nước. Theo tiêu chuẩn chất lượng nước Việt Nam, trong nước
ống hàm lượng (tính theo N) NO3- phải nhỏ hơn 10mg/l, hàm lượng NO2phải nhỏ hơn 0,01mg/l và hàm lượng NH4+ phải nhỏ hơn 0,05mg/l.
Theo kết quả báo cáo chất lượng của Bộ xây dựng, Công ty tư vấn cấp
thoát nước và môi trường Việt Nam thì chất lượng nước ngầm ngày cành bị
suy giảm nghiêm trọng do bị nhiễm một hàm lượng NH4+ có lúc lên tới
60mg/l. Nhà máy nước Tương Mai là 30mg/l. Nhà máy nước Yên Phụ là
20 mg/l.


10

Trước hiện trạng ô nhiễm nitơ liên kết trong nước và tác hại của chúng
như vậy, việc loại bỏ chúng ra khỏi nguồn nước là vấn đề cấp bách cần được
giải quyết.
2.1.4. Xử lý nước thải giàu hợp chất chứa nitơ ứng dụng vi khuẩn nitrat hóa.
a) Các chủng vi khuẩn tham gia vào quá trình nitrat hóa
 Vi khuẩn tự dƣỡng oxy hóa amon
Vi khuẩn có khả năng oxy hóa amon thành nitrit hầu hết thuộc nhóm vi
khuẩn tự dưỡng hóa năng, hiếu khí bắt buộc. Các vi khuẩn này không lấy
năng lượng từ sự oxy hóa chất hữu cơ mà lấy năng lượng từ sự oxy hóa các
hợp chất chứa nitơ vô cơ và đồng hóa CO2 trong chu trình calvin benson.
Chúng thuộc nhóm vi khuẩn gram âm, không sinh bào tử, tế bào hình cầu,
hình que, hình xoắn.
Một số đại diện đặc trưng cho nhóm này là giống Nitrosomonas,
Nitrococcus, Nitrozolobus, Nitrosospira[7]. Trong số đó giống Nitrosomonas
mà đặc biệt là loài Nitrosomonas europaea được áp dụng nhiều nhất trong
quá trình nitrit hóa. Đó là những vi khuẩn hình bầu dục, nhỏ bé kích thước từ

0,4 - 0,6

1 - 1,8 µm, không sinh bào tử,có thể có tiêu mao khá dài, có khả

năng tích lũy nhiều chất nhầy quanh tế bào. Điều kiện tối ưu cho sự phát triển
của Nitrosomonas là: nhiệt độ 28-30oC, pH=7,0-8,6. Cơ chất oxy hóa của
Nitrosomonas là amoniac, ure, guanin,..., các cơ chất hữu cơ không được sử
dụng làm nguồn oxy hóa[7]. Một số đặc điểm của các vi khuẩn nitrit hóa tự
dưỡng điển hình được trình bày tóm tắt ở bảng sau:


11

Bảng 2.2 : Một số đặc điểm chọn lọc của các đại diện điển hình thuộc
nhóm vi khuẩn nitrit hóa tự dƣỡng

Loài vi khuẩn

Đặc điểm hình
thái và hình thức
chuyển động

Sinh sản
G+X

Nhiệt độ-pH

Môi trƣờng
sống

%

- Hình gãy
Nitrosomonas
europaea

- 0,8-1,0

1,0-

2,0µm
- Chuyển động
đơn mao

- Phân đôi

5-10oC

Đất, nước

- 4,75-5,1

pH: 5,8-9,5

ngọt và biển

-Phân đôi
-50,5-51

25-30oC

pH: 7,5-8,0

Biển

-Phân đôi
-Không rõ

20-30oC
pH: 6,0-8,0

-Phân đôi
-Không rõ

15-30oC
pH: 6,0-8,2

-Phân đôi

5-40oC

-54,1

pH: 5,7-8,2

-Phân đôi
-53,6-55,1

20-30oC
pH: 7,0-8,0

-Hình cầu
Nitrosococcus
oceanus

-1,8-2,2µm
-Chuyển động
đơn mao
-Hình cầu

Nitrosocuccus
nitrosus

Nitrosococcus
mobilis

Nitrosospira
Briensis

Nitrosolobus
Multiformic

-1,8-2,2µm
-Không chuyển
động
-Hình cầu
-1,5-1,7µm
-Chuyển động
đơn mao hoặc
chùm mao
-Hình xoắn

-0,3-0,4µm
-Chuyển động chu
mao
-Xẻ thùy nhỏ
-1,0-1,5µm
-Chuyển động

Đất

Nước lợ

Đất

Đất

(Nguồn: Viện Đại học mở Hà Nội)


12

 Vi khuẩn nitrat hóa
Cũng như các loại vi khuẩn tự dưỡng khác,vi khuẩn nitrat hóa dùng năng
lượng sinh ra để khử CO2 của không khí và tạo nên các chất hữu cơ cần thiết
cho cơ thể chúng. Loại vi khuẩn nitrat hóa điển hình nhất là Nitrobacter.
Chúng là những tế bào hình bầu dục, kích thước khoảng 0,8×1,0µm. Gram
âm (-), không sinh bào tử. Hai loài Nitrobacter chủ yếu là N. Vinogradski(
không di động) và N. Agilic (di động). Cơ chất oxy hóa duy nhất của
Nitrobacter là nitrit[7][2] Nitrobacter cũng có thể sinh trưởng và phát triển
trên các môi trường có chứa chất hữu cơ, hoặc chất hữu cơ có kích thích sự
sinh trưởng và phát triển cũng như hoạt tính chuyển hoá của chúng [2].

Nitrobacter rất nhạy cảm với điều kiện không thuận lợi của môi trường,
nồng độ NaNO2 0.5 g/l bắt đầu kìm hãm sự sinh trưởng của chúng. Một số
đặc điểm của các vi khuẩn nitrat hóa điển hình được tóm tắt ở bảng sau:
Bảng 2.3 : Một số đặc điểm của các vi khuẩn nitrat hóa
tự dƣỡng điển hình
Loài vi khuẩn

Nitrobacter
winogradski
Nitrobacter
vulgraris
Nitrococcus
mobilus
Nitrospina
gracilis
Nitrospina
marina

Đặc điểm hình thái

G +X
%

Nhiệt độ,
pH

Môi trƣờng
sống

61,7

20-30oC
pH=7,0-8,0

Đất, nước
ngọt, biển

Hình que, sinh sản bằng
cách mọc chồi, kích
thước 0,6-0,8 1,02,0µm
Hình que, sinh sản bằng
cách mọc chồi
Hình cầu, sinh sản bằng
cách phân đôi
Hình que
Hình xoắn, sinh sản bằng
phân đôi

Đất, nước
ngọt, nước lợ

59,4
61,2
57,7

20-30oC
pH=7,0-8,0

Biển
Biển

Biển

(Nguồn: Viện Đại học mở Hà Nội)


13

Năng lượng thu được từ quá trình oxy hóa NH4+ sẽ được các vi khuẩn sử
dụng để sinh tổng hợp vật chất của tế bào từ CO32-. Do chỉ nhận được rất ít
năng lượng từ quá trình oxy hóa nên tốc độ phát triển của các vi khuẩn oxy
hóa amon và oxy hóa nitrit tự dưỡng là hết sức chậm chạp. Thời gian thế hệ là
0,4-2,5 ngày đối với Nitrosomonas và 0,3-1,5 ngày đối với Nitrobacter. Sản
lượng tế bào (g tế bào khô/ N oxy hóa) là 0,29 đối với Nitrosomonas và 0,08
đối với Nitrobacter [1][5][11].
 Các vi khuẩn dị dƣỡng tham gia vào quá trình nitrit hóa
Trong những năm gần đây, bên cạnh các vi khuẩn tự dưỡng bắt buộc
người ta đã phát hiện ra một số vi khuẩn dị dưỡng có khả năng oxy hóa NH4+
và các hợp chất hữu cơ chứa nitơ thành NO2-, NO3- như: Methylomonsa,
Methanica, Ethylosinus trichosprium, Methylococcus capsulatus, Pseudomonas
methanicus, Thiosphaera pantotropha, Thibacillus novellus. Cơ chế hóa sinh của
quá trình nitrat hóa do vi khuẩn dị dưỡng vẫn chưa hoàn toàn sáng tỏ. Có lẽ
sự oxy hóa nitơ có thể xảy ra theo cả hai con đường vô cơ và hữu cơ.
Quá trình nitrat hóa nhờ các vi khuẩn dị dưỡng có tầm quan trọng đặc
biệt bởi nó dễ sinh trưởng và phát triển ở mọi môi trường, cả ở những nơi
giàu hay nghèo chất hữu cơ. Trong khi đó các vi khuẩn tự dưỡng thường có
mặt ở những nơi có ít chất hữu cơ. Mặc dù khả năng oxy hóa NH4+, các vi
khuẩn tự dưỡng nhỏ hơn từ 103-104 lần khả năng oxy hóa NH4+ của các vi
khuẩn tự dưỡng, nhưng bù lại đó chúng có khả năng phát triển nhanh hơn
nhiều lần. Hơn nữa ngoài khả năng oxy hóa NH4+, các vi khuẩn tự dưỡng còn
có cả enzyme khử nitrat thành nitơ phân tử, ngay cả trong điều kiện có oxy

bởi vậy chúng là những vi khuẩn lý tưởng trong xử lý các môi trường bị ô
nhiễm bởi NH4+, NO2-, NO3-.


14

b) Vai trò của vi khuẩn nitrat hóa trong xử lý nước thải
 Sơ lƣợc về chu trình của nitơ trong môi trƣờng nƣớc tự nhiên
Trong môi trường nước, nitơ có thể tồn tại dưới dạng hợp chất vô cơ,
hữu cơ hòa tan hay không hòa tan. Các hợp chất vô cơ quan trọng của nitơ là
NH3, NH4+, NO2-, NO3Nitơ dạng khí có được chủ yếu là sự khuếch tán từ ngoài không khí
vào hay còn có thể được hình thành trong quá trình phản nitrat hóa. Các
dạng hợp chất vô cơ hòa tan có được là do quá trình phân hủy các hợp chất
hữu cơ, nitơ lắng đọng dưới dạng albumine và dưới tác dụng của vi sinh
vật, đạm albumine sẽ tiếp tục phân hủy thành ammoniac (NH 3) và sau đó
ammoniac sẽ hòa tan vào nước tạo ra NH4+. Sau đó, NH4+ sẽ oxi hóa thành
NO2-, sau đó nitrit NO 2- sẽ chuyển hóa thành nitrat (NO3-) [8] nhờ hoạt
động của vi khuẩn như Nitrosomonas, Nitrobacter [10]. Thực vật có thể
hấp thu nhiều dạng đạm nói trên nhưng khả năng hấp thu NH4+ và NO3- là
tốt nhất, (mỗi loài thực vật ưa một dạng đạm khác nhau). Trong khi đó, một
số loài vi khuẩn và tảo lại có khả năng sử dụng nitơ phân tử nhờ quá trình
cố đinh nitơ.
Hầu hết đạm NO3- được vi sinh vật, thực vật thủy sinh sử dụng cho các
quá trình sinh trưởng và phát triển của chúng, sau đó bị lắng tụ ở bùn đáy.
Đạm chứa trong tảo bị ăn bởi động vật phù du và các ấu trùng, động vật đáy
khác. Hai quá trình yếm khí là cố định nitơ và phản nitrat do tảo lam và vi
khuẩn thực hiện, trong đó, quá trình phản nitrat hầu như xảy ra trong tầng
đáy ở vùng cửa sông hay đất ngập nước.
Các chất đạm hữu cơ trong môi trường nước hiện diện trong cơ thể thực
vật, động vật, xác bã hữu cơ lơ lửng hoặc hòa tan.

15

Hình 2.1. Chu trình nitơ trong nƣớc
Quá trình amon hóa các hợp chất hữu cơ chứa nitơ trong môi trường
nước diễn ra tương đối mạnh mẽ trong cả điều kiện hiếu khí lẫn kỵ khí. Trong
điều kiện hiếu khí, các hợp chất hữu cơ được chuyển hóa hoàn toàn thành các
hợp chất vô cơ, giúp làm sạch môi trường nước. Trong điều kiện kỵ khí, các
axit amin không được vô cơ hóa hoàn toàn, bên cạnh NH3 và CO2 còn tích
lũy nhiều loại hợp chất hữu cơ khác như axit hữu cơ, rượu, H2S và các sản
phẩm bốc mùi cho thủy vực.
Quá trình amon hóa protein giữ vai trò quan trọng trong việc khép kín
vòng tuần hoàn nitơ. Nhờ quá trình này mà nitơ chuyển từ dạng hấp thụ sang


16

muối amon dễ dàng được thực vật sử dụng. Nhờ quá trình này mà NH3 luôn
luôn được phục hồi, cung cấp cho thực vật thủy sinh. Có nhiều loại vi khuẩn
và nấm mốc tham gia vào quá trình này chủ yếu là các loài của giống Bacillus
như: Bacillus mesentericus, Bacillus mycoide, Bacillus sustilis,…
 Quá trình nitrat hóa
Quá trình nitrat hóa là quá trình oxy hóa nitơ của các muối amon, đầu
tiên tạo thành nitrit và sau đó tạo thành nitrat dưới tác động của các vi sinh vật
hiếu khí trong điều kiện thích hợp.
Quá trình nitrat hóa tự dưỡng bao gồm 2 giai đoạn chính: oxy hóa muối amon
thành NO2- (nitrit hóa) và giai đoạn oxy hóa nitrit thành NO3- (nitrat hóa) [9].
Ý nghĩa của quá trình nitrat hóa trong việc làm sạch nước: nó phản ánh
mức độ khoáng hóa của các hợp chất hữu cơ có trong nước thải, quan trọng

hơn qua quá trình này có thể tích lũy một lượng oxy dự trữ có thể ứng dụng
để oxy hóa các chất hữu cơ không chứa nitơ khi lượng oxy tự do (lượng oxy
hòa tan) đã tiêu hao hoàn toàn trong quá trình đó. Sự có mặt của nitrat trong
nước thải phản ánh mức độ khoáng hóa hoàn toàn của các chất hữu cơ.
Giai đoạn 1: Nitrit hóa
Nitrit hoá là quá trình oxy hóa amon thành nitrit nhờ enzym
Amonmonoxygenaza (AMO) của vi khuẩn xúc tác trong điều kiện hiếu khí.
NH4+

+1,5 O2

→

NO2 +

2H+ +

2H2O

Đầu tiên amon bị oxy hóa thành hydroxylamin nhờ enzym AMO
NH3 +O2 +2e

+2H+ →

NH2OH

+H2O

Quá trình này không giải phóng năng lượng ở dạng ATP, nhưng lại đòi
hỏi nguồn điện từ để tạo ra hydroxylamin. Nguồn điện từ có được do sinh ra

khi oxy hóa NADH2 thành NAD+ và truyền qua cytochroen P460. Một phần
nguồn điện từ trong quá trình oxy hóa amon thành hydroxylamin đi vào chuỗi
truyền điện trong màng nguyên sinh chất của vi khuẩn Nitrosomonas, phần