Tài liệu Tuyển chọn vi khuẩn có khả năng chuyển hóa nitơ ứng dụng xử lý nước thải trong công nghiệp thực phẩm

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Công nghệ Thực phẩm LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân, được sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Nguyễn Lan Hương. Các số liệu, những kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn này trung thực và chưa từng được công bố dưới bất cứ hình thức nào. Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình. Hà Nội, ngày 21 tháng 10 năm 2016 Học viên Nguyễn Thị Hà Trang i Nguyễn Thị Hà Trang – CA140138 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Công nghệ Thực phẩm LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Lan Hương đã tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, các cán bộ công tác tại Viện Công nghệ Sinh học và Công nghệ Thực phẩm, Viện Đào tạo sau đại học – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã dạy dỗ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập tại trường. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến cơ quan nơi tôi công tác: Trường Cao đẳng Công nghiệp Thực phẩm – Việt Trì về sự ủng hộ, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập. Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn sự động viên, giúp đỡ của gia đình, bạn bè, đồng nghiệp trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thiện bản luận văn này. Xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày 21 tháng 10 năm 2016 Học viên Nguyễn Thị Hà Trang ii Nguyễn Thị Hà Trang – CA140138 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Công nghệ Thực phẩm MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................. i LỜI CẢM ƠN......................................................................................................................ii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT .......................................................................................... vi DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................................ vii DANH MỤC CÁC HÌNH ................................................................................................ viii MỞ ĐẦU ............................................................................................................................. 1 1. Lý do chọn đề tài ..................................................................................................... 1 2. Mục đích nghiên cứu ............................................................................................... 2 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ................................................................ 2 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................... 2 4.1. Đối tượng .................................................................................................................... 2 4.2. Phạm vi nghiên cứu ..................................................................................................... 2 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN................................................................................................ 3 1.1. Sơ lược về ngành công nghiệp thực phẩm .............................................................. 3 1.2. Đặc tính chung nước thải ngành công nghiệp thực phẩm ...................................... 3 1.3. Hiện trạng nước thải giết mổ ở Việt Nam ............................................................... 5 1.3.1. Tình hình giết mổ ở Việt Nam .................................................................................. 5 1.3.2. Tình hình giết mổ tại địa bàn thành phố Việt Trì .................................................... 6 1.3.3. Công nghệ giết mổ gia súc, gia cầm ....................................................................... 6 1.4. Nguồn gốc và đặc tính của nước thải lò mổ ........................................................... 8 1.4.1. Nguồn gốc của nước thải lò mổ............................................................................... 8 1.4.2. Thành phần và tính chất nước thải giết mổ gia súc, gia cầm .................................. 8 1.5. Các nghiên cứu về xử lý nước thải lò mổ gia súc, gia cầm................................... 10 1.5.1. Trong nước ............................................................................................................. 10 1.5.2. Ngoài nước ............................................................................................................. 11 a. Xử lý kỵ khí .................................................................................................................. 11 b. Xử lý hiếu khí .............................................................................................................. 12 1.6. Vai trò của vi sinh vật chuyển hóa nitơ trong nước thải ....................................... 13 1.6.1. Quá trình amon hoá ............................................................................................... 14 1.6.2. Quá trình nitrat hóa ............................................................................................... 14 1.6.3. Quá trình phản nitrat ............................................................................................. 15 iii Nguyễn Thị Hà Trang – CA140138 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Công nghệ Thực phẩm 1.6.4. Quá trình anammox ................................................................................................ 16 CHƯƠNG II: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................................. 20 2.1. Vật liệu........................................................................................................................ 20 2.1.1. Đối tượng nghiên cứu ............................................................................................ 20 2.1.2. Dụng cụ và hóa chất .............................................................................................. 20 2.2. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................... 22 2.2.1. Sơ đồ nghiên cứu .................................................................................................... 22 2.2.2. Các phương pháp nuôi cấy .................................................................................... 23 2.2.3. Phương pháp nhuộm Gram [8] .............................................................................. 23 2.2.4. Các phương pháp phân tích ................................................................................... 23 a. Phương pháp xác định hàm lượng NH4+ [15] ........................................................... 23 b. Phương pháp xác định hàm lượng NO2- [15].............................................................. 24 c. Phương pháp xác định hàm lượng NO3- [33] ............................................................. 24 d. Phương pháp xác định khí N2 [21, 27] ........................................................................ 24 e. Xác định pH [10] ......................................................................................................... 25 f. Phương pháp xác định BOD5 ....................................................................................... 25 g. Phương pháp xác định COD [33] ............................................................................... 25 h. Phương pháp xác định hàm lượng tổng chất rắn lơ lửng (TSS) [11] ......................... 25 h. Phương pháp xác định nitơ tổng [33] ......................................................................... 25 2.2.5. Định tên vi sinh vật bằng phương pháp sinh học phân tử ..................................... 28 a. Tách chiết DNA tổng số [4] ........................................................................................ 28 b. Phương pháp điện di gel agarose [4] ......................................................................... 29 c. Phản ứng PCR nhân đoạn gen 16S rRNA [4] ............................................................. 29 CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................................. 31 3.1. Đặc trưng của nước thải giết mổ gia cầm tại thành phố Việt Trì ......................... 31 3.2. Phân lập và đánh giá vi khuẩn chuyển hóa nitơ ................................................... 32 3.2.1. Phân lập vi khuẩn chuyển hóa amon ....................................................................... 32 3.2.2. Khả năng chuyển hóa amon ................................................................................... 34 3.2.3. Phân lập vi khuẩn chuyển hóa nitrit thành nitrat hóa ........................................... 36 3.2.4. Khả năng chuyển hóa nitrit thành nitrat ............................................................... 37 3.2.5. Phân lập vi khuẩn phản nitrat hóa ......................................................................... 38 3.2.6. Khả năng phản nitrat hóa ...................................................................................... 39 3.3. Định tên chủng vi khuẩn bằng kỹ thuật sinh học phân tử .......................................... 41 3.3.1. Tách DNA tổng số .................................................................................................. 42 3.2.2. PCR phân đoạn gen 16S rRNA .............................................................................. 43 iv Nguyễn Thị Hà Trang – CA140138 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Công nghệ Thực phẩm 3.3.3. Giải trình tự DNA................................................................................................... 43 3.4. Bước đầu ứng dụng xử lý nước thải giết mổ gia cầm................................................. 44 3.4.1. Sự biến động của amon, nitrit, nitrat trong quá trình xử lý nước thải................... 44 3.4.2. Sự phản nitrat hóa .................................................................................................. 47 PHẦN IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................................... 48 4.1. Kết luận ...................................................................................................................... 48 4.2. Kiến nghị .................................................................................................................... 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 49 PHỤ LỤC .......................................................................................................................... 53 v Nguyễn Thị Hà Trang – CA140138 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Công nghệ Thực phẩm DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tên tiếng anh Tên tiếng việt Anaerobic baffled reactor Thiết bị vách ngăn kỵ khí AF Anaerobic filter Lọc kỵ khí AL Anaerobic lagoon Hồ kỵ khí AOB Ammonium oxidizing bacteria Vi khuẩn oxi hóa amon BOD5 Biochecmical oxygen demand Nhu cầu oxy sinh hóa COD Chemical oxygen demand Nhu cầu oxy hóa học HRT Hydraulic rêtntion time Thời gian lưu của nước thải Mixed liquor volatile Hàm lượng chất rắn lơ lửng dễ suspended solid bay hơi NOB Nitrite oxidation bacteria Vi khuẩn oxi hóa nitrit OLR organic loading rates Tải trọng hữu cơ PCR Polymerase chain reaction Phản ứng chuỗi trùng hợp ABR MLVSS Quy chuẩn Việt Nam QCVN ROE Return on equity Tỷ số lợi nhận ròng trên vốn chủ sở hữu ROA Return on assets Tỷ số lợi nhận trước thuế trên vốn chủ sở hữu TN Total nitrogen Nitơ tổng Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN TOC Total organic carbon Tổng số carbon hữu cơ TSS Total suspended solids Tổng chất rắn lơ lửng Upflow Anaerobic Slugde Thiết bị xử lý kỵ khí với dòng Blanket chảy ngược qua lớp bùn hoạt tính UASB vi Nguyễn Thị Hà Trang – CA140138 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Công nghệ Thực phẩm DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Hàm lượng nitơ tổng trong nước thải công nghiệp thực phẩm 5 Bảng 1.2 Số lượng gia cầm được giết mổ tại thành phố Việt Trì 6 Bảng 1.3 Đặc tính chung của nước thải lò mổ gia cầm 9 Bảng 3.1 Đặc tính nước thải giết mổ gia cầm tại thành phốViệt Trì 31 Bảng 3.2 Địa điểm và số chủng phân lập có khả năng chuyển hóa cao nhất 32 Bảng 3.3 Đặc điểm tế bào và khuẩn lạc vi khuẩn nitrit hóa 32 Bảng 3.4 Đặc điểm tế bào và khuẩn lạc vi khuẩn chuyển hóa nitrit thành 36 nitrat Bảng 3.5 Đặc điểm tế bào và khuẩn lạc vi khuẩn phản nitrat 38 Bảng 3.6 Nồng độ DNA trong dịch chiết 42 Bảng 3.7 Mức độ tương đồng và định danh chủng Su, H5 và T4 43 vii Nguyễn Thị Hà Trang – CA140138 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Công nghệ Thực phẩm DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Dây chuyền giết mổ gia cầm 7 Hình 1.2 Chu trình chuyển hóa các hợp chất nitơ 13 Hình 2.1 Nước thải giết mổ gia cầm 20 Hình 2.2 Sơ đồ nghiên cứu 22 Hình 3.1 Đặc điểm hình thái khuẩn lạc của các chủng T1, T2, T4, T5 33 Hình 3.2 Đặc điểm tế bào của các chủng T1, T2, T4, T5 34 Hình 3.3 Hiệu suất chuyển hóa amon của các chủng T1, T2, T4, T5 34 Hình 3.4 Hiệu suất nitrit hóa của các chủng T1, T2, T4, T5 35 Hình 3.5 Tỷ lệ amon chuyển hóa của chủng T1, T2, T4 và T5 vào ngày thứ 7 35 Hình 3.6 Đặc điểm hình thái khuẩn lạc của các chủng H3 và H5 37 Hình 3.7 Đặc điểm tế bào của các chủng H3 và H5 37 Hình 3.8 Hiệu suất chuyển hóa nitrit của chủng H3 và H5 37 Hình 3.9 Hiệu suất nitrat hóa của chủng H3 và H5 38 Hình 3.10 Đặc điểm hình thái khuẩn lạc của các chủng Su, Ha và U1 39 Hình 3.11 Đặc điểm tế bào của các chủng Su, Ha và U1 39 Hình 3.12 Hiệu suất chuyển hóa nitrat của các chủng Su, Ha và U1 40 Hình 3.13 Hiệu suất sinh khí nitơ của các chủng Su, Ha và U1 40 Hình 3.14 Điện di DNA tổng số các chủng T4, Su và H5 42 Hình 3.15 Điện di sản phẩm PCR của chủng T4, Su và H5 43 Hình 3.16 Khả năng chuyển hóa amon của chủng T4, H5 trong nước thải lò mổ 45 Hình 3.17 Khả năng chuyển hóa nitrit của chủng T4, H5 trong nước thải lò mổ 46 Hình 3.18 Khả năng nitrat hóa của chủng T4, H5 trong nước thải lò mổ 46 Hình 3.19 Khả năng phản nitrat của chủng Su trong nước thải lò mổ 47 viii Nguyễn Thị Hà Trang – CA140138 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Công nghệ Thực phẩm MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Công nghiệp thực phẩm luôn được xem là ngành công nghiệp quan trọng ở bất kỳ quốc gia nào. Phát triển công nghệ thực phẩm không chỉ cung cấp các sản phẩm đảm bảo cho nhu cầu ăn uống của người dân trong nước mà còn để xuất khẩu, góp phần thúc đẩy sự phát triển chung của nền kinh tế quốc dân [6]. Trong quá trình chế biến thực phẩm một lượng lớn nước thải đã được thải ra môi trường. Nước thải chế biến thực phẩm có đặc điểm là hàm lượng chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học và chất rắn lơ lửng cao. Bên cạnh đó, nước thải của một số quá trình như chế biến thịt, gia cầm, thủy sản còn chứa một lượng lớn các hợp chất nitơ và các vi sinh vật gây bệnh [20]. Nước thải lò mổ chứa nhiều thành phần phức tạp như: protein, chất béo và chất xơ với hàm lượng ô nhiễm cao không đạt theo tiêu chuẩn xả thải QCVN40:2011/BTNMT. Các chất rắn lơ lửng trong nước thải lò mổ (bao gồm: thịt, máu, mỡ, lông, móng…) cao làm tăng độ đục khiến ánh sáng khó chiếu xuống tầng đáy ảnh hưởng tới quá trình quang hợp của tảo và rong rêu. Hàm lượng nitơ trong nước thải lò mổ cao, các hợp chất nitơ này tồn tại ở nhiều dạng khác nhau, chủ yếu là: amon (NH4+), nitrit (NO2-) và nitrat (NO3-). Hàm lượng nitơ trong nước cao gây ra hiện tượng phú dưỡng tác động tiêu cực đối với môi trường như: cạn kiệt nguồn oxy hòa tan trong nước gây độc cho động - thực vật thủy sinh, ảnh hưởng xấu đến con người [40]. Do đó, cần phải loại bỏ nitơ trước khi thải ra môi trường. Quy trình loại bỏ nitơ bao gồm 2 quá trình: nitrat hóa và phản nitrat hóa. Quá trình nitrat hóa xảy ra theo 2 bước là giai đoạn nitrit và nitrat hóa. Bước đầu tiên là giai đoạn nitrit hóa: amon được oxi hóa thành nitrit nhờ các vi khuẩn oxi hóa amon (AOB). Bước thứ 2 là giai đoạn nitrat hóa: nitrit được oxi hóa thành nitrat nhờ các vi khuẩn oxi hóa nitrit (NOB). Trong quá trình phản nitrat: các hợp chất nitrat và nitrit sẽ bị khử hoàn toàn đến sản phẩm cuối cùng là khí N2 [37]. Quy trình loại bỏ nitơ trong nước thải được thực hiện bởi rất nhiều loài vi khuẩn theo các con đường 1 Nguyễn Thị Hà Trang – CA140138 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Công nghệ Thực phẩm khác nhau [31] [42]. Với mong muốn thúc đẩy nhanh quá trình xử lý nitơ trong nước thải thực phẩm nói chung và nước thải lò mổ nói riêng, chúng tôi chọn đề tài: “Tuyển chọn vi khuẩn có khả năng chuyển hóa nitơ ứng dụng xử lý nước thải trong công nghiệp thực phẩm”. 2. Mục đích nghiên cứu Tuyển chọn một số chủng vi khuẩn bản địa có khả năng chuyển hóa amon, nitrat hóa và phản nitrat hóa cao nhằm ứng dụng trong xử lý nước thải lò mổ. 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Ý nghĩa khoa học Kết quả nghiên cứu của đề tài góp phần làm sáng tỏ vai trò của vi khuẩn chuyển hóa nitơ. Việc phân lập và tuyển chọn một số chủng vi khuẩn chuyển hóa nitơ trong nước thải lò mổ đã góp phần vào việc bảo tồn nguồn gen vi sinh vật bản địa hữu ích. Ý nghĩa thực tiễn Thành công của đề tài đã góp phần vào việc sản xuất và ứng dụng các chế phẩm vi sinh ứng dụng trong bảo vệ môi trường nhằm nâng cao hiệu suất và giảm thời gian xử lý, tiết kiệm chi phí nhân công và thiết bị. 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4.1. Đối tượng Nước thải lò mổ gia cầm tại thành phố Việt Trì. 4.2. Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu phân lập và tuyển chọn các chủng vi khuẩn từ nước thải lò mổ gia cầm và bước đầu đánh giá khả năng xử lý nước thải lò mổ. - Các thí nghiệm được tiến hành tại trường Đại học Bách khoa Hà Nội. 2 Nguyễn Thị Hà Trang – CA140138 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Công nghệ Thực phẩm CHƯƠNG I. TỔNG QUAN 1.1. Sơ lược về ngành công nghiệp thực phẩm Tình hình phát triển kinh tế và việc mở rộng đầu tư vào ngành chế biến thực phẩm đã góp phần nâng cao mức tiêu thụ thực phẩm tại Việt Nam. Theo tổ chức Giám sát kinh doanh Quốc tế (BMI) mức tiêu thụ bình quân theo đầu người tăng 4,3%/năm tính đến năm 2016. Ngành công nghiệp thực phẩm đóng hộp tăng 37, về số lượng và 42,5 và 5 ,22 về giá trị. Ngành sản xuất bánh k o tăng 27, về khối lượng về giá trị [3]. Như vậy, ngành công nghệ thực phẩm đang có nhiều triển vọng phát triển mạnh mẽ. 1.2. Đặc tính chung nước thải ngành công nghiệp thực phẩm Sự tăng trưởng và phát triển của ngành công nghệ thực phẩm đã kéo theo lượng nước sử dụng trong chế biến cũng tăng theo. Ngành công nghiệp thực phẩm có nhu cầu sử dụng nước cao. Trong quá trình chế biến rau - củ - quả lượng nước rửa chiếm 50 . Nước là thành phần chính của các sản phẩm trong đồ uống, nước giải khát và các sản phẩm lên men. Việc tăng lượng nước sử dụng khiến lượng nước thải cũng tăng theo [20]. Đặc tính chung của nước thải chế biến thực phẩm [20]: - Không độc, chúng chứa rất ít các hợp chất gây độc, ngoài một số chất tẩy rửa. - Nước thải từ các nhà máy chế biến thực phẩm là chất hữu cơ. - Nước thải từ một số quá trình chế biến thực phẩm, đặc biệt là từ quá trình chế biến thịt, gia cầm và chế biến hải sản chứa sinh vật gây bệnh. Nước thải từ quá trình chế biến chế biến rau - củ - quả chứa nhiều chất chất rắn lơ lửng, đường, tinh bột và có thể chứa lượng tồn dư thuốc bảo vệ thực vật [20]. Nước thải từ quá trình sản xuất bánh k o: Chứa hàm lượng chất hữu cơ cao chủ yếu là cacbonhydrat và chất béo, pH cao [20]. Nước thải từ quá trình chế biến bánh nướng, bánh ngọt chứa nhiều chất rắn hữu cơ [20] 3 Nguyễn Thị Hà Trang – CA140138 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Công nghệ Thực phẩm Nước thải từ quá trình sản xuất bia, rượu: Hàm lượng chất hữu cơ cao, pH dao động lớn. Nước thải quá trình sản xuất bia, rượu chứa cacbonhydrat và nitơ tổng cao [21]. Nước thải từ quá trình chế biến sữa là sữa nguyên liệu hòa trong nước. Chúng phát sinh từ quá trình thanh trùng hoặc khử trùng. Nước thải từ các công đoạn rửa thiết bị và thùng chứa thường chứa sữa và các hóa chất tẩy rửa. Nước thải chế biến sữa hình thành axit lactic và formic gây ăn mòn thiết bị [20]. Nước thải từ nhà hàng, bếp ăn chứa các chất thải rắn, các chất béo, các loại dầu mỡ, các chất hoạt động bề mặt, các axit và các vi khuẩn [20]. Nước thải lò mổ và các quá trình chế biến hải sản chứa máu, chất béo, protein [28]. Chất thải từ quá trình chế biến cá và thịt chứa chất rắn hữu cơ, máu, chất béo và protein. Hàm lượng protein trong nước thải lò mổ thường rất cao [20]. Như vậy, nước thải của từng quá trình chế biến thực phẩm có các tính chất khác nhau. Nước thải từ các quá trình sản xuất bánh k o, rau - củ - quả thường chiếm tỷ lệ cacbonhydrat (tinh bột, các loại đường) cao. Nước thải quá trình chế biến sữa chứa tỷ lệ cacbonhydrat (đường lactoza), protein và chất béo cân đối. Nước thải lò mổ và các quá trình chế biến thịt cá thường chứa hàm lượng protein và chất béo cao. Các thành phần cacbonhydrat dễ dàng được các vi sinh vật lên men sinh axit, sau đó được chuyển hóa thành CO2 và H2O. Các thành phần protein cũng dễ dàng được chuyển hóa thành các axit amin và tiếp tục được chuyển hóa thành amon. Tuy nhiên quá trình chuyển hóa từ amon đến NO2, NO3 và chuyển hóa tiếp đến N2 diễn ra chậm chạp. Để thúc đẩy quá trình phân hủy và rút ngắn thời gian xử lý, người ta thường phân lập và tuyển chọn các chủng vi khuẩn bản địa có khả năng chuyển hóa nitơ cao để bổ sung vào quá trình xử lý nước thải. Hàm lương nitơ tổng (TN) trong nước thải ngành công nghiệp thực phẩm phụ thuộc vào từng quá trình chế biến. Bảng 1.1. chỉ ra TN của nước thải của một số quá trình chế biến thực phẩm. 4 Nguyễn Thị Hà Trang – CA140138 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Công nghệ Thực phẩm Bảng 1.1. Hàm lượng nitơ tổng trong nước thải công nghiệp thực phẩm [33] Nước thải từ quá trình Hàm lượng nitơ tổng (mg/L) Giết mổ Chế biến thịt 220 – 460 76 Chế biến thủy sản Cá da trơn 28 – 50 Cua 58 – 138 Tôm 164 – 266 Cá 30 Chế biến rau, quả, đồ uống 4 Bột, sản phẩm khoai tây 5 – 40 Rượu vang 10 – 50 Qua bảng 1.1 ta thấy thành phần và tính chất nước thải công nghệ thực phẩm thay đổi theo từng quá trình chế biến, trong đó nước thải lò mổ và quá trình chế biến tôm có hàm lượng nitơ tổng lớn nhất. Nitơ thành phần và nitơ tổng biến động theo không gian và thời gian. Do đó, trong khuôn khổ luận văn này chúng tôi chọn nước thải lò mổ để nghiên cứu tiếp. 1.3. Hiện trạng nước thải giết mổ ở Việt Nam 1.3.1. Tình hình giết mổ ở Việt Nam Sản lượng thịt sản xuất tại Việt Nam đã tăng nhanh trong những năm gần đây. Theo thống kê, cả nước hiện có 34.642 điểm giết mổ gia súc, gia cầm nhỏ lẻ. Năm 2015, sản lượng thịt trâu, thịt bò, thịt lợn, thịt gia cầm, thịt dê – cừu đạt lần lượt là 5, nghìn tấn, 2 ,3 nghìn tấn, 3491,6 nghìn tấn, 908,1 nghìn tấn và 21,8 nghìn tấn. So với năm 2013, tổng sản lượng thịt đã tăng xấp xỉ 10,4 [1]. Tùy thuộc vào công nghệ giết mổ của từng cơ sở, lượng nước thải khi sản xuất 1 tấn thịt gia súc, gia cầm lần lượt 1,6 - 9 và 5,07 - 14 m3 nước thải [46] [45]. Mặc dù, lượng thịt gia 5 Nguyễn Thị Hà Trang – CA140138 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật cầm chỉ chiếm 1 50 Công nghệ Thực phẩm nhưng lượng nước sử dụng trong giết mổ gia cầm chiếm gần tổng lượng nước sử dụng trong giết mổ. 1.3.2. Tình hình giết mổ tại địa bàn thành phố Việt Trì Hiện nay tỉnh Phú Thọ chỉ có 2 hai cơ sở giết mổ gia súc tập trung đó là lò mổ gia súc tại thị xã Phú Thọ và Công ty TNHH Trí Tuệ. Trên địa bàn tỉnh Phú Thọ cũng có hơn 600 điểm giết mổ gia súc nằm rải rác trong các khu dân cư, trong đó thành phố Việt Trì (Phú Thọ) có hàng chục hộ giết mổ trâu, bò, lợn [17] Thành phố Việt Trì có 5 điểm giết mổ gia cầm tập trung tại các chợ: chợ 5 tầng, chợ Vồ, chợ Minh Phương, chợ Trung tâm và chợ Nú. Số lượng gia cầm được giết mổ được thống kê ở bảng 1.2. Bảng 1.2. Số lượng gia cầm được giết mổ tại thành phố Việt Trì [17] TT Địa điểm Số lượng (con/ngày) 1 Chợ 5 tầng 200 - 300 2 Chợ Vồ 250 - 300 3 Chợ Minh Phương 100 - 200 4 Chợ Trung tâm 550 - 600 5 Chợ Nú 50 - 100 Bảng 1.2 cho thấy số lượng gia cầm giết mổ tại thành phố Việt Trì không nhỏ. Nước thải phát sinh trong quá trình giết gia cầm tại các chợ này không được xử lý mà xả thải trực tiếp xuống cống rãnh của chợ và nhập vào vào cống rãnh thành phố. 1.3.3. Công nghệ giết mổ gia súc, gia cầm Công nghệ giết mổ gia súc, gia cầm nhìn chung có các công đoạn tương đối giống nhau. Công nghệ giết mổ gia súc có thêm công đoạn tắm cho gia súc trước khi đưa vào gây mê bằng sốc điện trong khi công nghệ giết mổ gia cầm có thêm công đoạn móc diều và tuốt da chân. 6 Nguyễn Thị Hà Trang – CA140138 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Công nghệ Thực phẩm Gia súc, gia cầm nguyên liệu được chứng nhận về nguồn gốc xuất xứ và tình trạng sức khỏe đủ điều kiện giết mổ được đưa vào dây chuyền công nghệ sản xuất. Hình 1.1 trình bày dây chuyền công nghệ giết mổ gia cầm. Gà nguyên liệu Gây mê bằng điện Cắt tiết Tiết rơi vãi, nước thải Trụng Nước thải Tuốt lông Lông Nước Nước nóng 65 – 68 oC Tuốt da chân và móc diều Móc lòng Nước sạch Nước sạch Rửa thịt và bộ lòng Hạ nhiệt, sát khuẩn Làm ráo Móng và phân Phân Nước thải Nước thải Nước thải Phân loại và kiểm soát thú y Bao gói và bảo quản Sản phẩm Hình 1.1 Dây chuyền giết mổ gia cầm [2] 7 Nguyễn Thị Hà Trang – CA140138 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Công nghệ Thực phẩm Gia cầm được treo lên dây chuyền giết mổ và được vận chuyển qua các khâu chế biến liên tục. Đầu tiên chúng được dịch chuyển đến bồn gây mê, ở đây có dòng điện vừa đủ để gây mê gia cầm. Tiếp theo chúng được cắt tiết và tiếp tục được dịch chuyển trên dây chuyền cho tiết chảy ra hết và đi vào bồn trụng nước nóng. Nhiệt độ nước trụng khoảng 65- 68oC. Tiếp đến, gia cầm được đưa vào máy tuốt lông. Sau khi tuốt lông, chúng được tuốt móng, lấy diều và móc lòng bằng phương pháp thủ công. Sau đó chúng được rửa 2 lần để đảm bảo sạch hoàn toàn. Gia cầm tiếp tục được dịch chuyển qua hệ thống nước lạnh, hỗn hợp nước muối và khí ozone để khử trùng. Sau đó, chúng được làm ráo để giảm hàm lượng nước. Gia cầm được phân loại và kiểm soát thú y trước khi đóng gói thành phẩm trong bao bì (PE+PA) và hút chân không. Cuối cùng, thành phẩm được đưa vào kho bảo quản với nhiệt độ ±4 oC. 1.4. Nguồn gốc và đặc tính của nước thải lò mổ 1.4.1. Nguồn gốc của nước thải lò mổ Nước thải từ lò mổ bao gồm bắt nguồn từ: - Dây chuyền sản xuất bao gồm các công đoạn trụng, rửa, làm lạnh, để ráo và nước vệ sinh thiết bị, nhà xưởng. - Nước vệ sinh chuồng trại nuôi tạm. - Nước sinh hoạt cho công nhân. Như vậy, bên cạnh một lượng lớn nước thải là từ dây chuyền sản xuất, còn có một lượng không nhỏ nước vệ sinh chuồng trại nuôi tạm và nước thải sinh hoạt của công nhân nhà máy. 1.4.2. Thành phần và tính chất nước thải giết mổ gia súc, gia cầm Nước thải từ quá trình vệ sinh chuồng trại nuôi tạm: Nước thải từ quá trình này bắt nguồn từ lượng thức ăn thừa, phân và nước tiểu. Nước thải này thường chứa nhiều cặn lơ lửng, hàm lượng chất hữu cơ và nitơ rất cao. Nước thải từ quá trình giết mổ: Nước thải từ dây chuyền sản xuất thường chứa thịt, mỡ, lông, móng, da. Nước thải từ quá trình này bao gồm cả các thành phần chất vô cơ, hữu cơ và vi sinh vật. 8 Nguyễn Thị Hà Trang – CA140138 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Công nghệ Thực phẩm - Các chất vô cơ: amon, nitrat, nitrit, photpho, sunfat, sắt, kali, … - Các hợp chất hữu cơ: protein, hydratcacbon, chất béo. Nguồn gốc các thành phần này từ máu, mỡ, protein, phospho, chất tẩy rửa và chất bảo quản. - Thành phần vi sinh vật: Nước thải lò mổ chứa nhiều vi sinh vật gây bệnh bao gồm Erisipelothris insidiosa, Brucella, Samonella, E. coli …. Ngoài ra, nước thải còn chứa một lượng lớn trứng giun sáng điển hình như Fasciotahepatica, Fasciola, Fasico losis buski, Ascaris suum, Cesphagostomum sp, Trichocephalus dentatus. Thành phần nước thải lò mổ khá phức tạp. Đặc tính chung của nước thải lò mổ gia cầm được chỉ ra trong bảng 1.3. Bảng 1.3. Đặc tính chung của nước thải lò mổ gia cầm [20] Hàm lượng TT Thành phần Đơn vị QCVN 40:2011/BTN Phạm vi Trung bình MT Cột B 1 pH - 4,90 - 8,10 6,95 5,5 – 9 2 BOD5 mg/L 150 - 4635 1209 50 3 COD mg/L 500 - 15,900 4221 150 4 TSS mg/L 270 - 6400 1164 100 5 Nitơ tổng mg/L 50 - 841 427 40 6 Photpho tổng mg/L 25 - 200 50 6 7 Kali mg/L 0,01 - 100 90 - 8 Màu mg/L Pt 175 - 400 290 - 9 Độ đục FAU 200 - 300 275 - (-): Không quy định Bảng 1.3 chỉ ra thành phần nước thải lò mổ gia cầm chứa hàm lượng các chất gây ô nhiễm như chất hữu cơ và nitơ tổng rất cao. Hàm lượng các chất trong nước thải biến động rất mạnh. Nếu không được xử lý triệt để, khi xả vào nguồn nước tiếp 9 Nguyễn Thị Hà Trang – CA140138 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Công nghệ Thực phẩm nhận sẽ làm cạn kiệt nguồn oxy hòa tan trong nước (do vi sinh vật sử dụng oxy hòa tan để phân hủy các chất hữu cơ). Các chất rắn lơ lửng khiến nước đục hoặc có màu, làm hạn chế độ sâu tầng nước được ánh sáng chiếu xuống, gây ảnh hưởng tới quá trình quang hợp của tảo, rong rêu… 1.5. Các nghiên cứu về xử lý nước thải lò mổ gia súc, gia cầm 1.5.1. Trong nước Các nghiên cứu về xử lý nước thải lò mổ đã được tiến hành trong những năm gần đây. Ngô Thị Kim Toán đã phân lập và xác định được 3 chủng có khả năng xử lý nitơ trong đó, Bacillus licheniformis - X6 416 có khả năng chuyển hóa 5,21% NH4 + sau 20 ngày nuôi cấy, chủng Bacillus amyloliquefaciens - AB25566 chuyển hóa 97,28% và Pseudomonas pseudoalcaligenes - Z76666 chuyển hóa 7,14 lượng NO2 - sau 20 ngày nuôi cấy [7]. Ngô Thị Phương Nam (200 ) đã nghiên cứu xử lý nước thải lò mổ gia súc bằng quá trình hiếu khí thể bám trên vật liệu polime tổng hợp. Kết quả cho thấy với COD và TN đầu vào lần lượt là 560 mg/L (tương ứng với OLR là 0,56 kg-COD/m3.ngày) và 39,2 mg/L, tốc độ sục khí 0,5L/phút, hiệu quả xử lý COD và TN lần lượt đạt 90% và 29,9%. Nồng độ sinh khối đạt 4,6 g-SS/L [8]. Lê Công Nhất Phương (2012) đã nghiên cứu xử lý nước thải giết mổ bằng kết hợp của hai nhóm vi khuẩn Nitrosomonas và Anammox trong cùng một thiết bị chứa giá thể là sợi polyacrylic và sợi bông tắm để xử lý ammonium trong nước thải giết mổ. Hai nhóm vi khuẩn này có đặc tính sinh lý khác nhau nên việc sử dụng giá thể thích hợp cho hai nhóm vi khuẩn này hoạt động chung trong cùng thiết bị. Sử dụng giá thể sợi polyacrylic cho hiệu quả xử lý amon tốt hơn giá thể là sợi bông tắm. Hiệu suất xử lý đạt 2 tải trọng 0,04 kgN-NH4/m3.ngày và 7, ở ở tải trọng 0,14 kgN-NH4/m3.ngày [5]. Lê Hoàng Việt (2014) đã đánh giá hiệu quả xử lý nước thải giết mổ gia súc của đĩa quay sinh học với giá thể ống nhựa dạng khối đĩa và lồng quay sinh học với giá thể bông tắm. Kết quả cho thấy tại thời gian lưu 6h hiệu quả xử lý của lồng quay sinh học cao hơn đĩa quay sinh học, nước thải sau xử lý đạt tiêu chuẩn thải QCVN 40:2011/BTNMT cột B. Khi xử lý nước thải giết mổ bằng phương pháp sinh học 10 Nguyễn Thị Hà Trang – CA140138 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Công nghệ Thực phẩm hai giai đoạn: giai đoạn I là lồng quay sinh học và giai đoạn II là đĩa quay sinh học, nước thải sau xử lý đạt tiêu chuẩn thải QCVN 40:2011/BTNMT cột A. Trần Thị Thu Lan (2016) đã nghiên cứu phân lập chủng Bacillus velezensis M2 từ nước thải giết mổ. Kết quả cho thấy khi xử lý nước thải lò mổ với COD và TN đầu vào lần lượt là 1260 mg/L và 137 mg/L bằng chủng B. velezensis M2 trên quy mô bình tam giác 500 mL nuôi lắc 200 vòng/phút với tỷ lệ cấp giống 3 lý COD và TN tương ứng là 3,2 sau 12 giờ hiệu suất xử và 3,5 . Lượng TN trong quá trình xử lý được chuyển hóa thành sinh khối vi sinh vật [16]. 1.5.2. Ngoài nước Nước thải lò mổ sau khi được xử lý sơ bộ sẽ xử lý bằng phương pháp sinh học. Dựa vào hoạt động sống của vi sinh vật đặc biệt là vi khuẩn, chúng sử dụng các chất hữu cơ và vô cơ có trong nước thải như: C, N, P, K, … làm nguồn dinh dưỡng. Chúng biến đổi các chất hữu cơ cao phân tử thành các hợp chất đơn giản hơn. Các vi sinh vật này sử dụng nguồn vật chất có trong nước thải để sinh trưởng và phát triển. Phương pháp xử lý sinh học có thể ứng dụng làm sạch hoàn toàn nước thải chứa chất hữu cơ hòa tan hoặc phân tán nhỏ và một số hợp chất vô cơ. Xử lý sinh học bao gồm xử lý hiếu khí, kỵ khí và tùy tiện [41]. a. Xử lý kỵ khí Xử lý kỵ khí đã được sử dụng để xử lý nước thải lò mổ. Trong quá trình phân giải kỵ khí các chất hữu cơ được tập hợp các vi sinh vật chuyển hóa thành CH4 và CO2 khi không xuất hiện O2. Xử lý kỵ khí có ưu điểm là thể tích bùn sinh ra thấp (520 so với xử lý hiếu khí), đòi hỏi năng lượng thấp và có tiềm năng thu hồi năng lượng dưới dạng biogas. Các công trình kỵ khí đã được áp dụng cho xử lý nước thải lò mổ bao gồm thiết bị vách ngăn kỵ khí (ABR), lọc kỵ khí (AF), hồ kỵ khí (AL) và UASB [29, 41]. Hiệu quả xử lý COD và BOD của thiết bị ABR đã đạt trên 0 [38], hiệu suất chuyển hóa TOC của hệ thống ABR and UV/H2O2 đạt trên 95%, riêng thiết bị ABR đã chuyển hóa TOC và TN lần lượt là 88,88% và 51,52%. Tuy nhiên, hệ thống ABR đòi hỏi năng lượng cao nên khi tăng TOC làm chi phí xử lý tăng theo [29]. 11 Nguyễn Thị Hà Trang – CA140138 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Công nghệ Thực phẩm Mặc dù quá trình xử lý kỵ khí đem lại nhiều lợi ích tuy nhiên quá trình này cũng có nhược điểm là xử lý không hiệu quả các thành phần TN, TP và vi sinh vật gây bệnh nên đòi hỏi dòng ra phải được xử lý bổ sung. Thông thường người ta sẽ kết hợp xử lý kỵ khí và hiếu khí để nâng cao hiệu quả quá trình và mang lại hiệu quả kinh tế cao [41]. b. Xử lý hiếu khí Nước thải sau quá trình xử lý kỵ khí được đưa sang bể hiếu khí để xử lý các chất dinh dưỡng như NO3-, NH4+, TP... Trong các hệ thống hiếu khí chất hữu cơ cũng như chất dinh dưỡng được xử lý khi xuất hiện O2. Nước thải có mức độ ô nhiễm càng lớn thì tỷ lệ O2 càng cao [43]. Các bể hiếu khí thông dụng là quá trình bùn hoạt tính (AS), thiết bị lọc quay (RBC) và thiết bị tuần tự theo mẻ (SBR). Quá trình bùn hoạt tính được áp dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp nói chung và nước thải giết mổ nói riêng do hiệu quả kinh tế cao. Mục đích của quá trình này là tạo ra các bông cặn sinh học gồm các tế bào vi sinh vật và các chất keo vô cơ trong nước thải. Sau đó loại các bông cặn được tách ra khỏi nước thải bằng quá trình lắng. Hai cơ chế của quá trình này là hấp thụ và oxi hóa các chất hữu cơ [22]. Bustillo-Lecompte và cộng sự (2014, 2015) đã đánh giá về hiệu quả và giá thành của quá trình AS cho xử lý nước thải giết mổ gia cầm. Các thông số dòng vào TOC và TN lần lượt là 100 và 254 mg/L, hiệu quả xử lý TOC và TN đạt trên 5,03 TOC and 73,46 TN với HRT là ngày với chi phí giá thành là 4$/1kg TOC [27], [28]. Do vậy nếu quá trình này được kết hợp với 1 quá trình khác để giảm TOC đầu vào sẽ tiết kiệm được chi phí. Kundu và cộng sự (2012) đã phân lập chủng nitrat hóa Achromobacter xylosoxidans S18 từ nước thải giết mổ gia cầm và được bổ sung vào quá trình xử lý nước thải này. Kết quả cho thấy nước thải đầu vào có giá trị COD và N-NH4 lần lượt là 1820 ± 10 mg/L và 120 ± 5,5 mg/L, hiệu quả xử lý COD và N-NH4 tương ứng là 88 ± 3% và 97 ± 2%. Việc bổ sung chủng A. xylosoxidans S1 đã nâng cao hiệu quả xử lý nước thải giết mổ gia cầm [37]. Nghiên cứu khả năng chuyển hóa các hợp chất chứa nitơ Zhang và cộng sự đã phân lập được chủng vi khuẩn 12 Nguyễn Thị Hà Trang – CA140138