BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRẦN THỊ THU LAN

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VI SINH VẬT BẢN ĐỊA ĐỂ XỬ LÝ
NƯỚC THẢI TRONG GIẾT MỔ GIA SÚC TẬP TRUNG

Chuyên ngành: Công nghệ sinh học
Mã số: 62420201

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ SINH HỌC

Hà Nội - 2017


Công trình được hoàn thành tại:
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học: GS.TS. Nguyễn Văn Cách

Phản biện 1: ………………………………
Phản biện 2:………………………………..
Phản biện 3: ……………………………….

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp
Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
Vào hồi ….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ………

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Nước thải giết mổ gia súc: nước thải giết mổ lợn và giết mổ trâu bò.
- Nghiên cứu khả năng xử lý nước thải giết mổ gia súc của chế phẩm
trên quy mô phòng thí nghiệm và quy mô hiện trường 20 m3/ngày.
Nội dung nghiên cứu:
1


- Đánh giá chất lượng nước thải của một số cơ sở giết mổ gia súc ở khu
vực Hà Nội.
- Phân lập và tuyển chọn các chủng vi sinh vật có hoạt tính sinh học
phù hợp, an toàn và có năng lực ứng dụng trong xử lý nước thải giết mổ
gia súc.
- Nghiên cứu điều kiện lên men và tạo chế phẩm vi sinh vật từ các
chủng vi sinh vật đã tuyển chọn.
- Thử nghiệm chế phẩm vi sinh vật để xử lý nước thải giết mổ gia súc
quy mô phòng thí nghiệm (bình 5L và 35L)
- Thử nghiệm ứng dụng chế phẩm vi sinh vật để xử lý nước thải giết
mổ gia súc trên mô hình xử lý pilot ngoài hiện trường quy mô 20 m3/ngày.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn:
1. Về khoa học: Luận án đã tạo được chế phẩm vi sinh vật bản địa phù
hợp với mục tiêu tách thu được bùn hoạt tính ngay trong quá trình xử lý
sinh học và hiệu suất xử lý COD đạt 94 – 97%, TN đạt 80 – 90%.
2. Về thực tiễn: Luận án đã thử nghiệm kiểm định chế phẩm trên mô
hình xử lý PILOT ngoài hiện trường 20 m3/ngày để vận hành khởi động
đến trạng thái xử lý ổn định chỉ sau 2 tuần, chất lượng nước thải sau xử lý
đạt tiêu chuẩn xả thải loại B, theo QCVN 40:2011/BTNMT.
Kết quả mới:
1. Đã phân lập, tuyển chọn được 3 chủng vi sinh vật bản địa phù hợp
với mục tiêu xử lý tách thu bùn hoạt tính ngay trong quá trình xử lý sinh

chất nitơ (protein, acid amin) [50]. Máu là nguyên nhân chính dẫn đến hàm
lượng nitơ trong nước thải tăng cao và máu cũng là thành phần hữu cơ ô
nhiễm chính trong nước thải giết mổ. Trong đó hàm lượng COD 1000 –
10.000 mg/L, BOD5 1000 – 8000 mg/L, TN 100 – 800 mg/L, TP 20 – 100
mg/L và chất béo 20 – 400 mg/L [28], [46]. Thông thường, khối lượng
máu so với trọng lượng cơ thể ở lợn là 4,6% (máu lợn có khối lượng riêng
d = 1,060 g/cm3) [16]. Trong quá trình giết mổ, khoảng 30% lượng máu
trong cơ thể động vật sẽ đi vào dòng thải.
2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Vật liệu
- Nước thải: nước thải lấy từ 2 cơ sở giết mổ lợn Thịnh An (xã Thịnh
Liệt, Thanh Trì, Hà Nội), giết mổ trâu bò Khắc Ngoan (xã Bái Đô, Phú
Xuyên, Hà Nội).
- Các chủng vi sinh vật: được phân lập từ nước thải của các cơ sở giết
mổ gia súc.
2.2. Phương pháp nghiên cứu
2.2.1. Phương pháp lấy mẫu
3


2.2.2. Phương pháp xác định các chỉ tiêu trong nước
2.2.3. Phương pháp vi sinh vật
2.2.3.1.
Phân lập
2.2.3.2.
Phương pháp tuyển chọn
2.2.4. Phương pháp định danh
2.2.4.1.
Tách DNA tổng số từ vi khuẩn
2.2.4.2.

Chế độ thí nghiệm
- Ảnh hưởng của tải lượng COD đến hiệu suất xử lý COD
- Ảnh hưởng của tải lượng TN đến hiệu suất xử lý TN
- Ảnh hưởng của MLSS đến hiệu suất xử lý COD, TN
4


2.2.7. Phương pháp xử lý nước thải giết mổ gia súc quy mô pilot hiện
trường 20 m3/ngày
Trên cơ sở kết quả nghiên cứu trong phòng thí nghiệm, chế phẩm vi
sinh vật tạo ra từ luận án được sử dụng kiểm định thử nghiệm trong vận
hành mô hình xử lý thử nghiệm quy mô 20 m3/ngày tại hiện trường cơ sở
giết mổ thực tại hộ gia đình ông Khắc, thôn Bái Đô, xã Tri Thủy, huyện
Phú Xuyên, TP. Hà Nội. Bổ sung chế phẩm với mật độ ban đầu 104
CFU/mL, pH đầu vào luôn duy trì từ 6 – 7 và DO luôn duy trì trong bể từ
4- 7 mg/L. Bể xử lý tích hợp hiện trường nêu trên được điều chỉnh thay đổi
vách ngăn để ưu tiên tạo nhiều vùng hiếu khí hơn, giảm thể tích vùng thiếu
khí và tăng tốc độ sục khí để tránh vùng yếm khí.
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Khảo sát đặc trưng nước thải giết mổ gia súc của một số cơ sở khu
vực phía Bắc
Đưa ra được hướng công nghệ tối ưu trong xử lý chất thải giết mổ gia
súc thì việc khảo sát đặc trưng nước thải là một khâu rất quan trọng. Trong
quá trình nghiên cứu đề tài đã khảo sát tại 3 cơ sơ giết mổ gia súc tập trung
trên khu vực phía bắc. Kết quả được thể hiện trên bảng 3.1, bảng kết quả
tổng hợp phân tích của các cơ sơ giết mổ.

5



Nước thải
(Làng Phúc
tập trung
Lâm, Hoàng
làng
Ninh, Việt Yên,
Tỉnh Bắc
Giang)
QCVN 40:2011- BTNMT cột
B

Số
lượng
con

15002000

pH

Chỉ tiêu
NNNT0 DO COD BOD5 T-N
T-P TSS
+
NH 4 NO3 NO2(0C) (mg/L) (mg/L) (mg/L) (mg/L) (mg/L) (mg/L) (mg/L) (mg/L) (mg/L)

6.40

27,5

0,3


0,5

28,5

520

6.60

29,1 1,05

2414

1979

384,1

10

0

0

31,4

180

20-50

100150


1410

220

102

2.8

0

38

600

150

50

40

-

-

-

6

100

loài Bacillus mojavensis và được định tên là chủng Bacillus mojavensis
C1 ; chủng C8 thuộc loài Bacillus mojavensis và được định tên là chủng
Bacillus mojavensis C8 ; chủng M2 thuộc loài Bacillus velezensis và
được định tên là chủng Bacillus velezensis M2.
3.3. Thử nghiệm tạo chế phẩm vi sinh
3.3.1. Thử nghiệm xác định các điều kiện lên men thu sinh khối vi
khuẩn
3.3.1.1 Lựa chọn môi trường thích hợp
7


Bảng 3.2. Các môi trường lên men khảo sát
Tên thí nghiệm
Thành phần peptone, cao thịt, NaCl
trong môi trường
Thí nghiệm 1

0,3% peptone, 0,09% cao thịt, 1% NaCl

Thí nghiệm 2

0,5% peptone, 0,15% cao thịt, 1% NaCl

Thí nghiệm 3

0,7% peptone, 0,21% cao thịt, 1% NaCl

Thí nghiệm 4

1% peptone, 0,3% cao thịt, 1% NaCl

khối VSV
9


Kết quả thể hiện trên hình 3.4 cho thấy giá trị OD600nm cao nhất của cả
3 chủng M2, C1, C8 ở các tỷ lệ cấp giống 5%, 5%, 3% lần lượt là 4,53;
5,13; 5,21.

Hình 3.4. Biểu đồ chỉ giá trị OD600nm tại các tỷ lệ cấp giống khác nhau
ở thời điểm 24h
Ghi chú: 1: Tỷ lệ cấp giống 1%; 2: Tỷ lệ cấp giống 3%; 3: Tỷ lệ cấp
giống 5%; 4: Tỷ lệ cấp giống 7%; 5: Tỷ lệ cấp giống 10%.
3.3.1.5 Trạng thái sinh trưởng và phát triển của các chủng đã tuyển chọn
Lên men các chủng B. velezensis M2, B. mojavensis C1, B.
mojavensis C8 với các điều kiện đã khảo sát ở trên: nhiệt độ 37oC tốc độ
lắc 200 vòng/phút, thể tích dịch lên men 100 mL trong bình tam giác 500
mL, môi trường lên men cao thịt 3 g/l, pepton 10 g/l, NaCL 5 g/l. Tỷ lệ
cấp giống và pH của các chủng M2, C1, C8 lần lượt là: 5%, 5%, 3% và
6,5; 7,5; 7. Cứ sau 2h nuôi cấy lấy mẫu đo giá trị OD600nmvà trang trải
trên môi trường NA để xác định mật độ vi sinh vật.

10


Hình 3.4. Đồ thị biểu diễn trạng thái sinh trưởng và phát triển
của chủng M2, C1, C8
Kết quả trên hình 3.5 cho thấy sinh khối của chủng B. velezensis M2
tăng dần từ 0h đến khoảng 22h và đạt giá trị OD cao nhất ở 24h (OD600nm
đạt 4,3); Chủng B. mojavensis C1, C8 đạt giá trị OD cao nhất sau 22h và
26h lên men, tương ứng (OD600nm đạt 4,56; 5,19) và duy trì trạng thái ổn

hợp chủng cho hiệu suất xử lý tối ưu nhất.
Kết luận: chủng M2, C1, C8 sẽ được nghiên cứu phối trộn tạo chế
phẩm xử lý nước thải giết mổ gia súc.
3.3.2.2. Kiểm định đặc tính chủng trong môi trường thực
Luận án đã khảo sát thí nghiệm với 2 bình tam giác 1000 ml, điều
kiện thí nghiệm giống nhau nhưng khác đối tượng nước thải đưa vào.
Bình 1 lấy 200ml nước thải, bình 2 lấy 200ml nước thải đã được lọc qua
giấy lọc với lỗ lọc 0,45µm (Cả 2 bình bổ sung 5% hỗn hợp giống và cho
vào máy nuôi lắc 200v/p. Sau 24h, 48h lấy mẫu và xác định các chỉ số
COD, MLSS, kết quả thể hiện trên bảng 3.3.
Bảng 3.3 Đặc tính của chế phẩm
Trước khi lọc

Sau khi lọc

% chuyển
Hệ số
COD TSS MLSS
COD
TSS MLSS Hệ số chuyển
hóa SS
chuyển hóa
(mg/L) (mg/L) (mg/L)
(mg/L) (mg/L) (mg/L) hóa vào SK
vào SK
Đầu vào
1216
350
0
920

chất tan và tạo nhiều sinh khối và chất không tan được kết lắng cùng sinh
khối tạo thành bùn.
3.3.3. Tạo chế phẩm vi sinh vật xử lý nước thải giết mổ gia súc
3.3.3.1. Sơ đồ quy trình công nghệ tạo chế phẩm vi sinh vật
Từ 3 chủng Bacillus phân lập và tuyển chọn được từ môi trường bản
địa, với các thông số của quá trình lên men và quá trình tạo chế phẩm đã
được nghiên cứu, luận án đã xây dựng sơ đồ tạo chế phẩm vi sinh vật ứng
dụng để xử lý nước thải giết mổ gia súc như trên hình 3.8.
B. mojavensis
C1

B. mojavensis
C8

KT hoạt tính

KT hoạt tính

B. velezensis
M2

Cao lanh

KT hoạt tính

Lên men PTN 100mL: 0,3g/L cao Lên men PTN 100mL: 0,3g/L Lên men PTN 100mL: 0,3g/L cao
thịt, 1g/L pepton, 0,5g/L muối ăn, cao thịt, 1g/L pepton, 0,5g/L thịt, 1g/L pepton, 0,5g/L muối ăn,
lắc 200 v/p; pH 7,5; giống 5%v/v; muối ăn, lắc 200 v/p; pH 7,0; lắc 200 v/p; pH 6,5; giống 5%v/v;
30oC; 24 giờ
giống 3%v/v; 30oC; 24 giờ


3.4. Thử nghiệm ứng dụng chế phẩm trong xử lý nước thải giết mổ
gia súc quy mô phòng thí nghiệm
3.4.1. Thử nghiệm ứng dụng chế phẩm trong xử lý nước thải giết
mổ gia súc bằng phương pháp hiếu khí theo mẻ trên quy mô
bình 5L
3.4.1.1. Năng lực xử lý COD
Hình 3.9 biểu diễn kết quả nghiên cứu thu được về CODvào của 2 loạt
bình thí nghiệm dao động từ 1361- 1620 mg/L, COD ra của bình bổ sung
chế phẩm (CODra BSCP) thấp ngay ở mẻ thứ nhất đến mẻ thứ 3 (COD dao
động từ 129 – 99 mg/L) hiệu suất đạt 92- 93%. Từ mẻ thứ 4 đến 10 vi
sinh vật ổn định CODra BSCP dao động từ 80 – 56 mg/L, hiệu suất đạt 94 96% và đạt tiêu chuẩn xả thải loại A theo QCVN 40:2011/BTNMT.

Hình 3.8. Đồ thị biểu diễn sự biến thiên COD trong các ngày thí nghiệm

Hình 3.9. Đồ thị biểu diễn biến thiên hiệu suất xử lý COD trong
các ngày thí nghiệm
14


Đối với bình không bổ sung chế phẩm COD (CODra KBSCP) sau xử lý
dao động từ 720 – 406 mg/L của các mẻ từ 1- 4, hiệu suất xử lý COD đạt
56- 74%. Sau mẻ thứ 5 hiệu suất của bình này đạt hiệu suất tương đối cao
(70 – 80%), COD đầu ra của bình này dao động 321 – 289 mg/L không
đạt tiêu chuẩn xả thải so với QCVN 40: 2011/BTNMT.
3.4.1.2. Năng lực xử lý nitơ tổng
Qua hình 3.11cho thấy nitơ tổng (TN) đầu vào không dao động nhiều
từ 152 – 185 mg/L. TN đầu ra của bình bổ sung chế phẩm có sự biến
động lớn không giống COD đầu ra. TN đầu ra thấp nhất ở mẻ thứ 1 – 5.
TN đầu ra dao động nhỏ từ 37 – 20 mg/L. Ở mẻ xử lý thứ 5 TN ra là thấp

ngày thứ 9 đến thứ 10 không khác nhau.

Hình 3.13. Đồ thị chỉ biến thiên chỉ số MLSS qua các ngày thí nghiệm
16


Đối với bình không bổ sung chế phẩm thì nồng độ MLSS thấp hơn
nhiều so với bình bổ sung chế phẩm nhưng nồng độ bùn cũng tăng lên
theo thời gian lưu bùn, tăng từ 310 đến 1947 mg/L. Chỉ số SVI của bình
này cao thể hiện tốc độ lắng kém.
3.4.1.4. Diến biến chất ô nhiễm theo thời gian xử lý của chế phẩm
Sau khi hoạt động được 2 giờ bắt đầu lấy mẫu. Lấy mẫu liên tục trong
12 giờ, khoảng cách mỗi lần lấy mẫu là 2h. Kết quả được thể hiện trên
hình 3.15.

Hình 3.14.Đồ thị chỉ biến thiên chỉ số quan trắc COD theo thời gian xử lý
Qua hình 3.15, 3.16 thể hiện sự biến thiên của COD và TN theo thời
gian xử lý. Sau 2h xử lý giá trị COD, TN đã giảm được 49% và 48%. Sau
10h xử lý COD, TN đạt hiệu suất 93%, 83% tương đương giá trị COD,
TN sau xử lý là 60 mg/L, 15 mg/L. Sau 12h xử lý hiệu suất xử lý COD,
TN không thay đổi so với 10h xử lý đạt 93%, 83%.

Hình 3.15. Đồ thị chỉ biến thiên của TN theo thời gian xử lý
17


Thời gian lưu nước trong bình xử lý thuận lợi xác định được là 810h, đó cũng là tiền đề cho các thì nghiệm tiếp theo.
3.4.2. Xử lý nước thải giết mổ bằng phương pháp hiếu khí bán liên
tục quy mô 35 L
3.4.2.1. Chỉ số thể tích bùn lắng (SVI)

Kết quả trên hình 3.18 thể hiện ảnh hưởng của tải lượng COD đến
hiệu suất xử lý COD. Tải lượng dao động từ 1,41 – 3,2 kg/m3/ngày thì
hiệu suất xử lý đạt từ 94- 97%. Ở tải lượng từ 3,7 – 3,9 kg/m3/ngày hiệu
suất đạt từ 81 – 90%.
Vậy hệ này hoạt động và đạt hiệu quả tốt nhất ở tải lượng từ 1,4 –
3,2 kg/m3/ngày.
Ảnh hưởng của tải lượng hữu cơ đến hiệu suất xử lý TN

Hình 3.18. Đồ thị biểu diễn biến thiên TN và hiệu suất xử lý TN
Hình 3.19 cho thấy hiệu suất xử lý TN đạt giá trị cao nhất (83 -88%)
ở chế độ 1 với tải lượng 0,14- 0,19 kg/m3/ngày, Chế độ 2 tải lượng 0,19 –
0,26 kg/m3/ngày hiệu suất dao động lớn từ 79 – 86%. Chế độ 3 tải lượng
0,35 - 0,36 kg/m3/ngày hiệu suất giảm xuống còn 65%.
Diễn biến N- NH4 , N-NO3 , N-NO2 đầu ra dao động lớn ở cả 3 chế
độ. Chế độ 1 đầu ra của giá trị trên thấp và chủ yếu tập trung NO3-, chế
độ 2 có chỉ số NO3- thấp hơn hơn so với chệ độ 1 và chế độ 3. NH4+ tăng
lên ở chế độ 2 và 3, chế độ 3 NH4+ tăng cao và dao động từ 15 – 38
mg/L. NO2- quan trắc được có sự dao động trong cả 3 chế độ.
Luận án đã chỉ ra được thời gian lưu thủy lực của nước thải trong các
chế độ thí nghiệm từ 16,7h và giảm xuống đến ngưỡng 8 h vẫn cho hiệu
suất xử lý COD, TN cao với giá trị đo được là 96% - 85%, 86% - 66%;
nghĩa là đã đạt được hiệu quả xử lý khả quan so với các công trình nghiên
cứu đã công bố trên.

19


3.4.2.3. Ảnh hưởng của MLSS đến hiệu suất xử lý
Ảnh hưởng của chỉ số MLSS đến hiệu suất xử lý COD
Kết quả được thể hiện trên hình 3.20


2
1,5

3
2

4
2,5

Thể tích hữu ích (L)
Thời gian lưu nước (giờ)

20
16,7

20
13,3

20
10

20
8

COD ra (mg/L)

50 ± 15

78 ± 13


TN vào (mg/L)

161 ± 15

160 ± 19

178 ±15

179 ± 14

Tải lượng TN (kg/m3/ngày)

0,16 ± 0,02 0,24 ± 0,03

0,27 ± 0,02

0,36 ± 0,01

MLSS (mg/L)

1050 ± 60

930 ± 105

890± 70

890± 70

MLVSS (mg/L)


27 ± 2

35 ± 2

42 ± 1

49 ± 3

SVI

66 ± 2

66 ± 2

66 ± 2

190 ± 22

%TOCMLSS trong 1 g bùn thải 80

78

82

75

%TN trong 1 g bùn thải

10

lượng nước sau xử lý.

Hình 3.21. Đồ thị chỉ biến thiên pH và DO trong bể tích hợp chức năng
3.5.1.2. Biến thiên của COD trong hệ thống pilot

Hình 3.22. Đồ thị chỉ diễn biến hiệu suất xử lý COD và COD đầu ra

22


Hiệu suất xử lý COD và diễn biến giá trị COD đầu ra trong hệ pilot
đạt từ 95-97% và giá trị đầu ra khá ổn định dao động từ 80 – 149 mg/L và
đạt tiêu chuẩn xả thải loại B, theo QCVN 40:2011/BTNMT.
3.5.1.3. Hiệu quả xử lý T-N
Kết quả được thể hiện trên hình 3.24.

Hình 3.23. Đồ thị chỉ hiệu suất xử lý T-N
- Mô hình tổng thể xử lý nước giết mổ gia súc đã xây dựng nêu trên
có sử dụng chế phẩm vi sinh BioL tạo ra từ luận án đủ năng lực xử lý
hiệu quả cả 2 chỉ số là TN và COD.
- Hiệu suất xử lý: COD 95 - 98% và TN 83- 93%. Xét về hàm
lượng chất ô nhiễm COD, TN nước thải sau xử lý (chứa 85mg/L COD;
32,54 mg/L TN) đạt TC B của QCVN 40:2011/BTNMT về COD và TN.
KẾT LUẬN
1 Từ các mẫu nước thải của 2 cơ sở giết mổ đã phân lập, tuyển chọn
được 3 chủng vi khuẩn Bacillus có các đặc tính tích tụ sinh khối nhanh,
năng lực đồng hóa cơ chất đa dạng, tạo bông bùn kết lắng thuận lợi và có
năng lực xử lý làm giảm nhạn chỉ số ô nhiễm COD của nước thải giết mổ
gia súc. Theo đặc điểm hình thái, sinh lý, sinh hoá và trình tự gen 16S
rDNA của chủng, đã định tên 3 chủng thu được là: Bacillus velezensis