Khảo sát khả năng khử mùi của các tập đoàn vi sinh vật làm giàu từ các mẫu nước và bùn thải - Bùi Thị Thu Hà

Hóa học và Kỹ thuật môi trường B.T.T.Hà, N.T.T.Thư, “Khảo sát khả năng khử mùi mẫu nước và bùn thải.” 142 KH¶O S¸T KH¶ N¨NG Khö Mïi cña C¸C TËP ®OµN VI SINH VËT LµM GIµU Tõ C¸C MÉU N­íc vµ bïn th¶i BÙI THỊ THU HÀ, NGUYỄN THỊ TÂM THƯ Tóm tắt: Nghiên cứu này đánh giá hiệu quả của việc sử dụng dung dịch chứa các tập đoàn vi sinh vật (VSV) đã làm giàu để khử mùi hôi do khí NH3, H2S sinh ra trong chuồng gà, chuồng lợn tại một hộ chăn nuôi. Kết quả nghiên cứu cho thấy mùi hôi của chuồng gà giảm rõ rệt sau khi phun, xịt dung dịch VSV. Nồng độ khí H2S và NH3 giảm tới 95%, 99% và có tác dụng sau 2 ngày. Tại chuồng lợn, nồng độ các khí NH3, H2S giảm ít hơn, sau 3 giờ phun dung dịch VSV nồng độ khí H2S và NH3 giảm tương ứng 55,5% và 50%. Để giảm hoàn toàn mùi hôi và kéo dài tác dụng khử mùi cần nhiều nghiên cứu sâu hơn nữa. Từ khóa: Sinh học, Vi sinh vật, Chất thải chăn nuôi, Khử mùi. NH3, H2S. 1. MỞ ĐẦU Chất thải gia súc, gia cầm sinh ra trong quá trình chăn nuôi là nguyên nhân gây ra mùi hôi thối và là môi trường sinh sản các loại côn trùng (ruồi, nhặng). Phân, nước tiểu của động vật sau khi thải ra môi trường ở điều kiện bình thường nếu không được thu gom, xử lý một cách hợp lý sẽ nhanh chóng bị VSV phân hủy tạo ra các hợp chất có khả năng gây độc cho vật nuôi, con người và môi trường. Chăn nuôi là ngành tạo ra nhiều khí thải. Theo thống kê có hơn 170 chất khí có hàm lượng khác nhau có thể sinh ra từ quá trình chăn nuôi. Điển hình là các khí H2S, NH3, mecaptan, CH4, CO2, NO2, NO... trong đó các khí NH3 và H2S là tác nhân gây mùi nhiều nhất. NH3 dễ hòa tan trong nước nên dễ dàng thấm vào niêm mạc, gây kích ứng, gây chảy nước mắt, nước mũi, co thắt thanh quản, gây ho... NH3 là chất khí gây mùi dễ nhận biết ở nồng độ 5 - 50 ppm, khi nồng độ tăng lên hơn 100 - 500 ppm gây kích ứng niêm mạc, tăng tiết dịch ở mắt. H2S là chất khí không màu được sinh ra trong quá trình khử các hợp chất chứa S có ở chất thải. H2S thuộc nhóm có ngưỡng phát hiện thấp, chỉ cần một lượng nhỏ ở nồng độ 0,01 - 0,7 ppm cũng có thể gây hiệu ứng mùi cho con người và gây mùi nặng ở nồng độ 3 - 5 ppm. H2S cũng là chất khí ảnh hưởng tới sức khỏe vật nuôi và con người khi tiếp xúc ở nồng độ nhỏ [2]. Như vậy chất thải chăn nuôi nếu không được xử lý tốt sẽ gây ô nhiễm môi trường, là tác nhân tiềm ẩn gây bệnh cho con người và vật nuôi. Ngược lại, nếu chất thải chăn nuôi được xử lý hợp lý sẽ tạo ra nguồn phân bón chất lượng cho cây trồng, giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Để giảm thiểu mùi chất thải chăn nuôi và mùi tại các khu chuồng trại đã có nhiều biện pháp như biện pháp lý học, hóa học (hấp thụ các chất khí gây mùi, giảm độ ẩm của chất thải, che phủ bề mặt...) được áp dụng ở nhiều nước trên thế giới. Các biện pháp này đòi hỏi có sự đầu tư ban đầu lớn. Trong những năm gần đây, để cải thiện môi trường không khí ở các chuồng trại chăn nuôi đã ứng dụng nhiều biện pháp sinh học như giảm hàm lượng hợp chất nitơ trong chất thải của gia súc, gia cầm bằng các chủng vi sinh có lợi Bacillus spp, Actinomyces spp, Mucor spp, Pseudomonas spp [7]; sử dụng chất độn nền chuồng lên men được áp dụng cho một số trang trại thuộc các tỉnh ở đồng bằng, biện pháp này cần áp dụng qui trình kỹ thuật để duy trì hiệu quả của VSV. Do vậy, phương pháp đơn giản hơn để giảm mùi từ chất thải chăn nuôi là hướng được quan tâm. Trong những năm gần đây, các nhóm VSV có tác dụng khử mùi được tập trung nghiên cứu gồm: (i) nhóm vi Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN uân sự, Số 35, 02 - 2015 143 khuẩn quang hợp tía và Thiobacillus (vi khuẩn lưu huỳnh); (ii) nhóm vi khuẩn lactic và (iii) nấm men. Nhóm vi khuẩn quang hợp tía và Thiobacillus thường khử H2S thành nguyên tố S hoặc sulphat trong tự nhiên nên làm giảm đáng kể mùi hôi của H2S. Nhóm vi khuẩn lactic duy trì độ pH thấp trong môi trường nên có tác dụng ức chế sự phát triển của các vi khuẩn gây thối và giảm mùi hôi của NH3. Nhóm nấm men kết hợp với các vi khuẩn khác có tác dụng tăng cường khả năng phân hủy cũng như khử mùi của chất thải chăn nuôi. Do đó, việc thử nghiệm sự kết hợp của các nhóm VSV này trong quá trình khử mùi của chất thải chăn nuôi là cần thiết. Trong phạm vi bài báo này, việc khử mùi của các khí H2S và NH3 được tập trung nghiên cứu. 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 2.1. Vật liệu Mẫu nước, bùn: nước thải Trường Sa , nước biển (An Bang), nước và bùn thải hố ga (Sinh Tồn, Song Tử Tây) được lấy vào tháng 4 năm 2012 trong đợt thực hiện nhiệm vụ bảo vệ môi trường cấp BQP 2011 - 2012. Mẫu nước biển Phú Quốc được lấy vào tháng 7 năm 2013 và mẫu nước biển Côn Đảo được lấy vào tháng 2 năm 2013. Mẫu phân: phân lợn, phân gà được thu gom tại một hộ chăn nuôi quy mô gia đình thuộc Xã Vân Nội- Đông Anh, Hà Nội. Môi trường nuôi cấy Môi trường AT nuôi cấy vi khuẩn tía [4]; Môi trường Starkey nuôi cấy vi khuẩn Thiobacillus [12]; Môi trường MRS nuôi cấy vi khuẩn lactic [1]; Môi trường Hansen nuôi cấy nấm men [1]. 2.2. Phương pháp 2.2.1. Làm giàu vi sinh vật Từ các mẫu nước thải, bùn thải, các tập đoàn vi sinh vật chịu nhiệt và chịu mặn được làm giàu trên các môi trường thích hợp có nồng độ NaCl 20g/l và nuôi cấy ở nhiệt độ 40oC. Tập đoàn vi khuẩn tía được làm giàu bằng cách nuôi tích lũy trong các bình nhựa PET 0,5 lít. Các mẫu nước, bùn bổ sung vào môi trường theo tỷ lệ (môi trường/mẫu) 1:1 đối với mẫu nước, 9:1 đối với mẫu bùn. Sau 10 ngày nuôi cấy ở điều kiện tĩnh, có ánh sáng các bình xuất hiện vạch màu hồng đến đỏ tía chứng tỏ nhóm vi khuẩn tía đã được làm giàu, các bình đó được giữ lại để nhân giống [4]. Vi khuẩn Thiobacillus được nuôi cấy trên môi trường Starkey với cơ chất là thiosulfat. Sau 10 ngày nuôi cấy trong điều kiện lắc 150 vòng /phút, bình có VSV phát triển (môi trường đục) được lấy làm giống [12]. Nhóm vi khuẩn lactic được nuôi cấy trên môi trường MRS. Các chủng được tuyển chọn bằng cách xác định khả năng sinh axit lactic. Sau 5 ngày nuôi cấy, vi khuẩn này sinh axit lactic sẽ làm cho pH của dịch nuôi cấy giảm xuống. Khoảng chênh lệch thu được về pH chính là khả năng sinh axit lactic mạnh hay yếu của vi khuẩn đó [1]. Nhóm nấm men được nuôi cấy trên môi trường Hansen. Sau 5 ngày nuôi cấy trên máy lắc 150 vòng /phút bình có nấm men sinh trưởng (môi trường đục) được lấy làm giống để cấy lặp lại [1]. Các mẫu VSV đã làm giàu ở trên bao gồm nấm men, VK lactic, VK tía, VK Thiobacillus được trộn lẫn theo tỷ lệ 1:1:1:1 (v/v) tạo thành dung dịch có nồng độ tế bào khoảng 108 CFU/ml (CF1). Dung dịch CF1 được trộn với chất mang (bao gồm cám gạo, trấu, tro = 1:1:1) tạo thành dạng chế phẩm khô (CF2) có độ ẩm đạt 20% và nồng độ các tế bào VSV đạt khoảng 108 CFU/g. Hóa học và Kỹ thuật môi trường B.T.T.Hà, N.T.T.Thư, “Khảo sát khả năng khử mùi mẫu nước và bùn thải.” 144 2.2.2. Thử nghiệm khả năng khử mùi Đối với chuồng nuôi, sử dụng dung dịch CF1 với liều lượng 1 lít/15 m2. Đối với mẫu thí nghiệm, phân lợn được bổ sung CF2 với liều lượng 30g/kg trong các thùng nhựa có nắp đậy có kích thước d x h = 0,5 x 0,7 (m), mỗi thùng 3 kg phân lợn. 2.2.3. Lấy mẫu khí Các chất khí được lấy trước và sau khi phun CF1 hoặc rắc CF2 3 giờ đối với chuồng lợn, sau 24 giờ đối với chuồng gà và ở các thùng nhựa. Máy lấy mẫu khí Kimoto HS7 được đặt ở giữa chuồng gà hoặc gần nơi vệ sinh của lợn (cách mặt đất 30 cm). Đối với mẫu thí nghiệm trong thùng nhựa chỉ đặt ống hút khí vào thùng có đậy nắp để thu mẫu khí. Thu các khí NH3, H2S với tốc độ 1 lít/phút trong 10 phút với dung dịch hấp thụ khí NH3 là axit H2SO4 0,1N và H2S là AgNO3 1%. 2.2.4. Xác định nồng độ các khí Khí NH3 được xác định theo TCVN 6179-1:1996; khí H2S được xác định dựa trên nguyên tắc hấp thụ khí vào dung dịch [10]. 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Làm giàu vi sinh vật Sau 5 -10 ngày, các tập đoàn vi sinh vật được làm giàu từ các mẫu nước biển, nước và bùn thải trên môi trường chọn lọc. Kết quả của quá trình làm giàu được trình bày trên Bảng 1. Bảng 1. Các tập đoàn vi sinh vật đã làm giàu từ các mẫu nước, bùn thải STT Mẫu Địa điểm VK QHT Thiobacillus VK lactic Nấm men 1 Nước thải Trường Sa +++ ++ ++ + 2 Nước biển Phú Quốc ++ ++ - + 3 Nước biển Côn Đảo - - - + 4 Nước thải +bùn Sinh Tồn - - +++ ++ 5 Nước thải +bùn Song Tử Tây - + - - 6 Nước biển An Bang - - ++ - Chú thích: +++: sinh trưởng tốt; ++: sinh trưởng trung bình; +: sinh trưởng yếu Kết quả trên Bảng 1 cho thấy từ các mẫu nước biển, nước và bùn thải đã làm giàu được 2 tập đoàn VK QHT, 2 tập đoàn VK Thiobacillus, 3 tập đoàn VK lactic và 1 tập đoàn nấm men. Ở mỗi mẫu nước và bùn thải có sự khác nhau về các tập đoàn VSV. Trong mẫu nước thải Trường Sa đã làm giàu được vi khuẩn quang hợp tía, vi khuẩn Thiobacillus và vi khuẩn lactic. Tập đoàn vi khuẩn quang hợp tía và vi khuẩn Thiobacillus cũng được làm giàu từ mẫu nước biển Phú Quốc. Vi khuẩn lactic được làm giàu từ mẫu bùn thải ở đảo Sinh Tồn và mẫu nước biển ở An Bang. Tập đoàn nấm men chỉ được làm giàu từ mẫu bùn thải của đảo Sinh Tồn. 3.2. Khả năng khử mùi của các tập đoàn vi sinh vật đã làm giàu 3.2.1. Khả năng khử mùi ở mẫu thí nghiệm Sau khi lấy mẫu khí định kỳ trong lô thí nghiệm, nồng độ các khí H2S và NH3 được xác định theo mục 2.2.4. Kết quả được trình bày trên bảng 2. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN uân sự, Số 35, 02 - 2015 145 Bảng 2. Nồng độ H2S và NH3 trong mẫu thí nghiệm, mg/m 3 Ngày Đối chứng Thí nghiệm Nồng độ giảm (% ) H2S NH3 H2S NH3 H2S NH3 1 15,40 0,18 14,46 0,10 6,1 44,4 2 12,91 0,36 2,91 0,19 77,4 47,2 3 12,59 0,38 2,15 0,08 82,9 78,9 4 12,28 0,25 2,05 0,07 83,3 72,0 Kết quả thu được cho thấy nồng độ khí H2S sau ngày 4 giảm rõ rệt ở mẫu thí nghiệm so với nồng độ khí H2S ở mẫu đối chứng. Hiệu quả khử mùi của dung dịch CF1 đạt 83,3% sau 4 ngày. Nồng độ khí NH3 ở lô đối chứng có xu hướng tăng trong thời gian thí nghiệm, còn ở lô thí nghiệm nồng độ khí NH3 đo được giảm đáng kể trong ngày thứ 3 và thứ 4. Hiệu quả khử mùi NH3 của dung dịch CF1 sau 3 ngày so với đối chứng đạt 78,9% và ở ngày thứ 4 là 72% . Kết quả thu được phù hợp với nghiên cứu của tác giả Phạm Bích Hiền [5] khi sử dụng chế phẩm gồm các chủng VSV để xử lý chất thải chăn nuôi dạng rắn; nồng độ khí NH3 giảm 73,1% và khí H2S giảm 78% sau 3 ngày [5]. 3.2.2. Khả năng khử mùi không khí chuồng nuôi 3.2.2.1. Khả năng khử mùi trong không khí chuồng gà Lấy mẫu khí trước và sau khi phun dung dịch CF1 theo định kỳ. Kết quả nồng độ khí H2S và NH3 được trình bày trên bảng 3. Bảng 3. Nồng độ khí H2S và NH3 trong không khí trong chuồng nuôi gà, mg/m 3 Trước xử lý Sau xử lý Ngày1 Ngày 2 Ngày 3 Ngày 4 H2S NH3 H2S NH3 H2S NH3 H2S NH3 H2S NH3 10,35 24,1 0,5 0,11 0,5 0,19 0,65 0,21 1,14 0,89 Hiệu quả khử mùi (%) 95 99,5 95 99 93 99 88 96 Kết quả trên bảng 3 cho thấy nồng độ khí H2S và NH3 đo được trong chuồng gà trước khi phun dung dịch CF1 là tương đối cao, tương ứng là 10,35mg/m3 và 24,1 mg/m3. Sau khi phun dung dịch CF1 nồng độ các khí H2S và NH3 giảm rõ rệt. Hàm lượng khí H2S và NH3 đo sau 1 ngày đã giảm được 95% và 99%. Hiệu quả khử mùi của dung dịch CF1 được duy trì đến sau 2 ngày. Ở ngày thứ 3 nồng độ các chất khí trong chuồng nuôi có xu hướng tăng lên, hiệu quả khử mùi của dung dich CF1 còn 88% và 96%. Vì vậy, để giảm mùi hôi trong chuồng nuôi gà nên phun dung dịch CF1 định kỳ 2 ngày/lần. Kết quả nghiên cứu xử lý mùi các hợp chất lưu huỳnh bay hơi và NH3 đã được một số tác giả nghiên cứu và cho thấy khi sử dụng chủng vi khuẩn Thiobacillus thioparus kết hợp với chủng Nitrosomonas europea đạt hiệu quả loại bỏ mùi tới 95% [6]. Trong thí nghiệm về khả năng khử mùi NH3 và H2S đối với từng chủng VSV riêng lẻ được phân lập từ môi trường tự nhiên cũng đạt hiệu quả tương ứng là 42% và 48,6 - 53,9% [3]. Chủng vi khuẩn T. thioparus TK-m trong thí nghiệm của Kangawa đã loại bỏ hoàn toàn khí H2S [7]. 3.2.2.2. Khả năng khử mùi trong không khí chuồng nuôi lợn Lấy mẫu khí trước và sau khi phun dung dịch CF1 3 giờ. Kết quả nồng độ khí H2S và NH3 được trình bày trên bảng 4. Hóa học và Kỹ thuật môi trường B.T.T.Hà, N.T.T.Thư, “Khảo sát khả năng khử mùi mẫu nước và bùn thải.” 146 Bảng 4. Nồng độ khí H2S và NH3 trong không khí trong chuồng nuôi lợn, mg/m 3 Trước xử lý Sau xử lý Nồng độ giảm (%) H2S NH3 H2S NH3 H2S NH3 18,9 1,34 10,5 0,67 55,5 50 Nồng độ khí NH3 và H2S đo trong không khí chuồng nuôi lợn sau 3 giờ phun dung dịch CF1 đã giảm hơn so với nồng độ ban đầu. Một yếu tố bất lợi khi xử lý phân lợn là hàm lượng nước trong phân lợn chiếm một tỷ lệ khá cao, chiếm 65 - 80% khối lượng phân. Do hàm lượng nước cao và giàu chất hữu cơ nên phân là môi trường tốt cho các VSV gây thối phát triển tạo ra các sản phẩm gây mùi [2]. Kết quả đo nồng độ khí H2S trong chuồng nuôi sau khi phun dung dịch CF1 đã giảm được từ 55,5% và nồng độ khí NH3 đã giảm 50% so với nồng độ các chất khí ban đầu. Kết quả khảo sát nhận được tương tự với các nghiên cứu nhiều tác giả khác [7, 8, 9, 13] khi sử dụng các VSV có khả năng khử mùi và hàm lượng khí NH3 trong chuồng nuôi giảm từ 35% - 68,7%, hàm lượng khí H2S giảm từ 47,2% - 70,1%. KẾT LUẬN Đã làm giàu được 2 tập đoàn VK quang hợp tía, 2 tập đoàn VK Thiobacillus, 3 tập đoàn VK lactic và 1 tập đoàn nấm men. Dung dịch CF1 và chế phẩm CF2 có khả năng khử mùi H2S và NH3 trong điều kiện phòng thí nghiệm và hộ chăn nuôi quy mô gia đình cho kết quả khả quan. Nồng độ các chất khí H2S và NH3 gây ô nhiễm cho môi trường đã giảm được 50% so với khi không bổ sung các tập đoàn VSV. Lời cảm ơn: Bài báo được hoàn thành với sự hỗ trợ của đề tài cấp Viện Công nghệ mới năm 2013 - 2014. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Nguyễn Lân Dũng, “Một số phương pháp nghiên cứu vi sinh vật học” (1978) NXB Khoa học Kỹ thuật. [2]. Bùi Hữu Đoàn. Bài giảng quản lý chất thải chăn nuôi (2011). NXB Nông nghiệp. [3]. Gutarowska B, Matusiak K, Borowski S, Rajkowska A, Brycki B. Removal of odorous compounds from poultry manure by microorganisms on perlitee - bentonite carrier. J Environ Manage 2014, 141, 70-76. [4]. Đinh Thị Thu Hằng Nghiên cứu sự phân hủy sinh học hợp chất hydrocarbon mạch vòng ở một số vi khuẩn quang hợp tía phân lập tại Việt Nam. Luận án Tiến sĩ Sinh học (2007). Viện Công nghệ Sinh học. [5]. Phạm Thị Bích Hiền. “Nghiên cứu vi sinh vật để xử lý chất thải chăn nuôi dạng rắn”. Luận án tiến sĩ, 2012. Đại học KHTN, Đại học QGHN. [6]. Ho KL, Chung YC, Tseng CP. Continuous deodorization and bacterial community analysis of a biofilter treating nitrogen-containing gases from swine waste storage pits. Bioresource Technology (2008), 99(8), 2757-2765. [7]. Kanagawa T, Mikam E. Removal of methanethiol, dimethyl sulfide, dimethyl disulfide, and hydrogen sulfide from contaminated air by Thiobacillus thioparus TK-m", Environ Microbiol (1989), 555-560. [8]. Kim TI, Ham JS, Yang CB and Kim MK. Deodorization of pig feces by fungal application", Asian-Aust J Anim Sci (2004) 17(9), 1286-1290. [9]. Kim JD and Park KM. “Effectiveness of Lactobacillus plantarum strain KJ-10311 to remove characteristic malodorous gases in piggery slurry”. Asian-Aust J Anim Sci, 2006, 19(1), 144 -152. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN uân sự, Số 35, 02 - 2015 147 [10]. Bài giảng Quan trắc - Khảo sát môi trường II. (2007) Đại học Bách khoa HN. [11]. Ushida K, Hashizume K, Miyazaki K, Kojima Y and Takakuwa S. Isolation of Bacillus sp. as a volatile sulfur-degrading bacterium and its application to reduce the fecal odor of pig", Asian-Aust J Anim Sci (2003) 16(12), 1795-1798. [12]. Vidyalakshmi R and Sridar R. “Isolation and characterization of sulphur oxidizing bacteria”. J Cult Collec, (2007), 5, 73-77. [13]. Yan Z, Liu X, Yuan Y, Liao Y and Li X. “Deodorization study of the swine manure with two yeast strains”. Biotech Biopro Engin (2013), 18(1), 135-143. ABSTRACT SURVEY DEODORIZING ABILITY OF ENRICHED MICROORGANISM CONSORTIA FROM SEA WATER AND SEWAGE SLUDGE SAMPLES This study evaluated the deodorizing effectiveness of microorganism consortia to NH3, H2S which generated in the chicken coop, pig in a cage farms. The study results showed that the odor of the chicken coop significantly reduced after sprayed with CF1. H2S and NH3 gas concentration removed to 95% and 99% ; effect maintained to 2 day. In pigpen odor of NH3, H2S decreased less. After 3 hour sprayed with CF1, H2S and NH3 concentrations decresed 55,5% and 50% respectively. For widespread application in field to reduce the odors of gas generated in the chicken coop, pig sty, many other researchs are needed . Keywords: Biology, Microbiology, Animal waste, Removal H2S, NH3 Nhận bài ngày 16 tháng 4 năm 2014 Hoàn thiện ngày 20 tháng 12 năm 2014 Chấp nhận đăng ngày 10 tháng 02 năm 2015 Địa chỉ: Viện Công nghệ mới -Viện Khoa học công nghệ và Quân sự.