Đề tài Tìm hiểu bước đầu xây dựng cơ sở tài liệu lý thuyết cho phương pháp xử lý nước thải bằng vi sinh vật hiếu khí

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU LÝ DO HÌNH THÀNH ĐỀ TÀI. Việt Nam là một nước đang phát triển. Cơng nghiệp hĩa - hiện đại hĩa được xem như chìa khĩa để phát triển đất nước. Hiện nay với hơn 800.000 cơ sở sản xuất cơng nghiệp và gần 70 khu chế xuất, khu cơng nghiệp tập trung đã đĩng gĩp một phần lớn vào GDP của đất nước. Bên cạnh sự phát triển của các ngành kinh tế, sự phồn vinh của đất nước thì vấn đề luơn đi kèm với sự phát triển là ơ nhiễm mơi trường, một vấn đề nhức nhối và chưa được quan tâm đúng mức. Các chất thải đủ loại của các ngành cơng nghiệp với hàm lượng cao của các chất độc hại, các chất hữu cơ và kim loại nặng được xả thẳng ra mơi trường đã ảnh hưởng nghiêm trọng đến đời hệ sinh thái cũng như sức khỏe con người. Ngồi ra, nước ta cũng là một quốc gia cĩ tỉ lệ tăng dân số cao trong khu vực và trên thế giới. Trong quá trình sinh hoạt hàng ngày của người dân, một lượng nước thải sinh hoạt khơng nhỏ chưa được xử lý đã được thải ra mơi trường dẫn đến tình trạng ơ nhiễm mùi và hàm lượng chất hữu cơ cao. Do đĩ, vấn đề được đặt ra là làm thế nào để giảm bớt nồng độ ơ nhiễm của nước thải đến mức độ cho phép theo tiêu chuẩn Việt Nam trước khi thải ra mơi trường. Vì vậy, xử lý nước thải là một việc làm rất cần thiết và cấp bách. Thực tế là trong số các biện pháp kiểm sốt ơ nhiễm, xử lý nước thải đã và đang được coi là biện pháp chủ lực. Cĩ nhiều phương pháp xử lý nước thải khác nhau như: phương pháp cơ học, phương pháp hố học, phương pháp nhiệt…nhưng phương pháp luơn được hướng tới trong các nghiên cứu và ứng dụng là xử lý sinh học, do cơng nghệ đơn giản, chi phí vận hành thấp nhờ dựa vào tác nhân chủ đạo là các vi sinh vật. Cho đến nay người ta đã xác định được rằng các vi sinh vật cĩ thể phân huỷ được tất cả các chất hữu cơ cĩ trong thiên nhiên và nhiều hợp chất hữu cơ tổng hợp nhân tạo. Vì vậy, việc xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là một bước cực kì quan trọng và cần thiết trong tất cả các hệ thống xử lý nước thải nĩi chung. Trong đĩ việc sử dụng các vi sinh vật hiếu khí để xử lý nước thải là phương pháp phổ biến nhất trong các cơng trình xử lý hiện nay. Tuy phương pháp xử lý nước thải bằng vi sinh vật trong điều kiện hiếu khí là rất phổ biến và đã được nghiên cứu nhiều nhưng các tài liệu liên quan cịn khá phân tán, rải rác, khĩ nắm bắt tổng thể. Từ những băn khoăn trên và để gĩp phần làm rõ thêm về vai trị của các loại vi sinh vật trong xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí, đồ án tốt nghiệp với đề tài: “ Bước đầu xây dựng cơ sở tài liệu lý thuyết cho phương pháp xử lý nước thải bằng vi sinh vật hiếu khí” đã ra đời. 1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Bước đầu xây dựng cơ sở tài liệu lý thuyết cho phương pháp xử lý nước thải bằng vi sinh vật hiếu khí nhằm giảm thiểu ơ nhiễm các chất hữu cơ trong nước thải gây ra cho mơi trường. 1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU - Tìm hiểu về nước thải và các phương pháp xử lý nước thải nĩi chung. - Tổng quan về các phương pháp sinh học trong xử lý nước thải. - Xử lý nước thải bằng vi sinh vật trong điều kiện hiếu khí: các biến đổi hố sinh học và vi sinh học, động học của quá trình, các thơng số ảnh hưởng, các dạng cơng trình xử lý vi sinh hiếu khí... 1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Thu thập, sắp xếp và tổng hợp những tài liệu cần thiết cĩ liên quan đến đề tài thành một hệ thống logic và hồn chỉnh. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI 2.1 TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI 2.1.1 Khái niệm về nước thải và sự ơ nhiễm nước - Nước là nguồn tài nguyên vơ cùng quan trọng cho tất cả các sinh vật trên trái đất. Nếu khơng cĩ nước thì chắc chắn khơng cĩ sự sống xuất hiện, thiếu nước thì cả nền văn minh hiện nay cũng khơng tồn tại được. Từ xưa, con người đã biết đến vai trị quan trọng của nước; các nhà khoa học cổ đại đã coi nước là thành phần cơ bản của vật chất và trong quá trình phát triển của xã hội lồi người thì các nền văn minh lớn của nhân loại đều xuất hiện và phát triển trên lưu vực của các con sơng lớn như: nền văn minh Lưỡng Hà ở Tây Á nằm ở lưu vực hai con sơng lớn là Tigre và Euphrate (thuộc Irak hiện nay); nền văn minh Ai Cập ở hạ lưu sơng Nil; nền văn minh sơng Hằng ở Ấn Ðộ; nền văn minh Hồng Hà ở Trung Quốc; nền văn minh sơng Hồng ở Việt Nam ... - Nước đĩng vai trị quan trọng trong nhiều quá trình diễn ra trong tự nhiên và trong cuộc sống của con người. Từ 3.000 năm trước Cơng Nguyên, người Ai Cập đã biết dùng hệ thống tưới nước để trồng trọt và ngày nay con người đã khám phá thêm nhiều khả năng của nước đảm bảo cho sự phát triển của xã hội trong tương lai: nước là nguồn cung cấp thực phẩm và nguyên liệu cơng nghiệp dồi dào, nước rất quan trọng trong nơng nghiệp, cơng nghiệp, trong sinh hoạt, thể thao, giải trí và cho rất nhiều hoạt động khác của con người. Ngồi ra nước cịn được coi là một khống sản đặc biệt vì nĩ tàng trữ một nguồn năng lượng lớn và lại hịa tan nhiều vật chất cĩ thể khai thác phục vụ cho nhu cầu nhiều mặt của con người. Trong cơng nghiệp, người ta sử dụng nước làm nguyên liệu và nguồn năng lượng, làm dung mơi, làm chất tải nhiệt và dùng để vận chuyển nguyên vật liệu... - Nước bao phủ 71% diện tích của quả đất trong đĩ cĩ 97% là nước mặn, cịn lại là nước ngọt. Nước giữ cho khí hậu tương đối ổn định và pha lỗng các yếu tố gây ơ nhiễm mơi trường, nĩ cịn là thành phần cấu tạo chính yếu trong cơ thể sinh vật, chiếm từ 50%-97% trọng lượng của cơ thể, chẳng hạn như ở người nước chiếm 70% trọng lượng cơ thể và ở Sứa biển nước chiếm tới 97%. Trong 3% lượng nước ngọt cĩ trên quả đất thì cĩ khoảng hơn 3/4 lượng nước mà con người khơng sử dụng được vì nĩ nằm quá sâu trong lịng đất, bị đĩng băng, ở dạng hơi trong khí quyển và ở dạng tuyết trên lục điạ... chỉ cĩ 0, 5% nước ngọt hiện diện trong sơng, suối, ao, hồ mà con người đã và đang sử dụng. Tuy nhiên, nếu ta trừ phần nước bị ơ nhiễm ra thì chỉ cĩ khoảng 0,003% là nước ngọt sạch mà con người cĩ thể sử dụng được và nếu tính ra trung bình mỗi người được cung cấp 879.000 lít nước ngọt để sử dụng. Nước tự nhiên là nước mà chất lượng và số lượng của nĩ được hình thành dưới ảnh hưởng của các quá trình tự nhiên khơng cĩ sự tác động của con người. Tùy theo độ khống, nước chia ra làm: nước ngọt (lượng muối 50 g/l). Nước ngọt chia làm: nước khống ít (đến 200mg/l), khống trung bình (200 - 500mg/l), nước khống cao (từ 500 - 1000 mg/l). - Nước thải là nước đã dùng trong sinh hoạt, sản xuất hoặc chảy qua vùng đất ơ nhiễm. Phụ thuộc vào điều kiện hình thành, nước thải được chia thành nước thải sinh hoạt, nước khí quyển và nước thải cơng nghiệp. Hình 2.1 tỉ lệ giũa các loại nước trên thế giới (liêm 1990) - Nước thải sinh hoạt: là nước nhà tắm, giặt, hồ bơi, nhà ăn, nhà vệ sinh, nước rửa sàn nhà... Chúng chứa khoảng 58% chất hữu cơ và 42% chất khống. đặc điểm cơ bản của nước thải sinh hoạt là hàm lượng cao các chất hữu cơ khơng bền sinh học (như cacbonhydrat, protein, mỡ); chất dinh dưỡng (photphat, nitơ); vi trùng; chất rắn và mùi. - Nước khí quyển: được hình thành do mưa và chảy ra từ đồng ruộng. Chúng bị ơ nhiễm bởi các chất vơ cơ và hữu cơ khác nhau. Nước trơi qua khu vực dân cư, khu sản xuất cơng nghiệp, cĩ thể cuốn theo chất rắn, dầu mỡ, hĩa chất, vi trùng... Cịn nước chảy ra từ đồng ruộng mang theo chất rắn, thuốc sát trùng, phân bĩn... - Nước thải cơng nghiệp: xuất hiện khi khai thác và chế biến các nguyên liệu hữu cơ và vơ cơ. Trong các quá trình cơng nghệ các nguồn nước thải là: a. Nước hình thành do phản ứng hĩa học (chúng bị ơ nhiễm bởi các tác chất và các sản phẩm phản ứng) b. Nước ở dạng ẩm tự do và liên kết trong nguyên liệu và chất ban đầu, được tách ra trong qua trình chế biến. c. Nước rửa nguyên liệu, sản phẩm, thiết bị. d. Dung dịch nước cái. e. Nước chiết, nước hấp thụ. f. Nước làm nguội. g. Các nước khác như: nước bơm chân khơng, từ thiết bị ngưng tụ hịa trộn, hệ thống thu hồi tro ướt, nước rửa bao bì, nhà xưởng, máy mĩc... 2.1.2 Phân loại nước thải 2.1.2.1 Nước thải sinh hoạt Nước thải sinh hoạt là nước được thải bỏ sau khi sử dụng cho các mục đích sinh hoạt của cộng đồng: tắm, giặt giũ, tẩy rửa, vệ sinh cá nhân…Chúng chứa khoảng 58% chất hữu cơ và 42% chất khống. Ngồi ra, trong nước thải sinh hoạt cịn chứa nhiều lồi vi sinh vật gây bệnh và các độc tố của chúng, phần lớn là các virus, vi khuẩn gây bệnh…,và chúng thường chứa các thành phần dinh dưỡng rất cao. Đặc điểm cơ bản của nước thải sinh hoạt là hàm lượng cao các chất hữu cơ khơng bền sinh học (hydratcarbon, protein, mỡ), chất dinh dưỡng (photphat, nitơ), vi trùng, chất rắn và mùi. Nước thải sinh hoạt thường được thải ra từ các căn hộ, cơ quan, trường học, bệnh viện, chợ và các cơng trình cơng cộng khác. Lượng nước thải sinh hoạt của khu dân cư phụ thuộc vào dân số, vào tiêu chuẩn cấp nước và đặc điểm của hệ thống thốt nước. Bảng 2.1 Tải lượng ơ nhiễm từ nước thải sinh hoạt Chỉ tiêu ơ nhiễm Hệ số tải lượng (gam/người.ngày) Tải lượng ơ nhiễm (kg/ngày) Chất rắn lơ lửng 70 – 145 89 – 184,5 Amoni (N-NH4) 2,4 – 4,8 3,1 – 6,2 BOD5 của nước đã lắng 45 – 54 57,2 – 68,7 Nitơ tổng hợp 6 – 12 7,6 – 15,2 Tổng photpho 0,8 – 4,0 1,02 – 5,1 COD 72 – 102 91,6 – 127,7 Dầu mỡ 10 – 30 12,7 – 38,1 Nguồn: Giáo trình xử lý nước thải sinh hoạt và cơng nghiệp bằng phương pháp sinh học,PGS.TS Nguyễn Văn Phước, Nhà xuất bản xây dựng Hà Nội, 2007. Thành phần của nước thải sinh hoạt gồm 2 loại: - Nước thải nhiễm bẩn do chất bài tiết của con người từ các phịng vệ sinh. - Nước thải nhiễm bẩn do các chất thải sinh họat : cặn bã từ nhà bếp, các chất rửa trơi, kể cả làm vệ sinh sàn nhà. Bảng 2.2 Thành phần trung bình của nước thải sinh hoạt STT Các chất cĩ trong nước thải (mg/l) Mức độ ơ nhiễm Nặng Trung bình Nhẹ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Tổng chất rắn Chất rắn hồ tan Chất rắn khơng hồ tan Tổng chất rắn lơ lửng Chất rắn lắng Oxy hồ tan Nitơ tổng Nitơ hữu cơ N-NH3 N-NO2 N-NO3 Clorua Độ kiềm (mg CaCO3) Chất béo Tổng photpho 1.000 700 300 600 12 0 85 35 50 0,1 0,4 175 200 40 - 500 350 150 350 8 0 50 20 30 0,05 0,2 100 100 20 8 200 120 8 120 4 0 25 10 15 0 0,1 15 50 0 - Nguồn: Giáo trình xử lý nước thải sinh hoạt và cơng nghiệp bằng phương pháp sinh học,PGS.TS Nguyễn Văn Phước, Nhà xuất bản xây dựng Hà Nội, 2007. - Nước thải sinh họat chứa nhiều chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học, ngịai ra cịn cĩ các thành phần vơ cơ, vi sinh vật và vi trùng gây bệnh rất nguy hiểm. Chất hữu cơ chứa trong nước thải sinh họat bao gồm các hợp chất như protein (40 – 50%); hydrat cacbon (40 - 50%) gồm tinh bột, đường và xenlulo, và các chất béo (5 -10%). Nồng độ chất hữu cơ trong nước thải sinh họat dao động trong khỏang 150 –450% mg/l theo trọng lượng khơ. Cĩ khỏang 20 – 40% chất hữu cơ khĩ phân hủy sinh học. Ở những khu dân cư đơng đúc, điều kiện vệ sinh thấp kém, nước thải sinh họat khơng được xử lý thích đáng là một trong những nguồn gây ơ nhiễm mơi trường nghiêm trọng. - Lượng nước thải sinh hoạt dao động trong phạm vi rất lớn, tùy thuộc vào mức sống và các thĩi quen của người dân, cĩ thể ước tính bằng 80% lượng nước được cấp. Giữa lượng nước thải và tải trọng chất thải của chúng biểu thị bằng các chất lắng hoặc BOD5 cĩ 1 mối tương quan nhất định. - Nước thải sinh hoạt cĩ hàm lượng các chất dinh dưỡng khá cao, đơi khi vượt cả yêu cầu cho quá trình xử lý sinh học. - Một tính chất đặc trưng nữa của nước thải sinh hoạt là khơng phải tất cả các chất hữu cơ đều cĩ thể bị phân hủy bởi các vi sinh vật và khoảng 20-40% BOD thốt ra khỏi các quá trình xử lý sinh học cùng với bùn. 2.1.2.2 Nước thải cơng nghiệp Là lọai nước thải sau quá trình sản xuất, cĩ thành phần và tính chất phức tạp hơn so với nước thải sinh hoạt và phụ thuộc vào loại hình cơng nghiệp. Đặc tính ơ nhiễm và nồng độ của nước thải cơng nghiệp rất khác nhau phụ thuộc vào lọai hình cơng nghiệp và chế độ cơng nghệ lựa chọn. Bảng 2.3 Nồng độ các chất ơ nhiễm trong nước thải của một số ngành cơng nghiệp Ngành cơng nghiệp Các chất ơ nhiễm Nồng độ (mg/l) Nhà máy luyện thép NH3-N 200 N hữu cơ 100 Phenol 2.000 Xi mạ Cr+6 3 – 550 Nhựa dẻo COD 23.000 TOC 8.800 Hồ thải từ cơng đoạn dán gỗ COD 2.000 Phenol 200 – 2.000 P-PO4 9 – 15 Phân bĩn BOD5 4.500 Chất rắn lơ lửng 10.000 Giết mổ gia súc BOD5 400 – 2.500 Chất rắn lơ lửng 400 – 1.000 Bột giấy và giấy BOD5 100 – 350 Chất rắn lơ lửng 75 – 300 Thuộc da BOD5 700 – 7.000 Chất rắn lơ lửng 4.000 – 20.000 Nguồn: Giáo trình xử lý nước thải sinh hoạt và cơng nghiệp bằng phương pháp sinh học, PGS.TS Nguyễn Văn Phước, Nhà xuất bản xây dựng Hà Nội, 2007. - Trong cơng nghiệp, nước được sử dụng như là một loại nguyên liệu thơ hay phương tiện sản xuất (nước cho các quá trình) và phục vụ cho các mục đích truyền nhiệt. Nước cấp cho sản xuất cĩ thể lấy mạng cấp nước sinh hoạt chung hoặc lấy trực tiếp từ nguồn nước ngầm hay nước mặt nếu xí nghiệp cĩ hệ thống xử lý riêng. Nhu cầu về cấp nước và lưu lượng nước thải trong sản xuất phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Lưu lượng nước thải của các xí nghiệp cơng nghiệp được xác định chủ yếu bởi đặc tính sản phẩm được sản xuất. - Thành phần nước thải sản xuất rất đa dạng, thậm chí ngay trong một ngành cơng nghiệp, số liệu cũng cĩ thể thay đổi đáng kể do mức độ hồn thiện của cơng nghệ sản xuất hoặc điều kiện mơi trường. 2.1.2.3 Nước thải là nước mưa - Đây là lọai nước thải sau khi mưa chảy tràn trên mặt đất và lơi kéo theo các chất cặn bã, dầu mỡ,… khi đi vào hệ thống thĩat nước. - Những nơi cĩ mạng lưới cống thốt riêng biệt: mạng lưới cống thốt nước thải riêng với mạng lưới cống thốt nước mưa. Nước thải đi về nhà máy xử lý gồm: nước sinh hoạt, nước cơng nghiệp và nước ngầm thâm nhập, nếu sau những trận mưa lớn khơng cĩ hiện tượng ngập úng cục bộ, nếu cĩ nước mưa cĩ thể tràn qua nắp đậy các hố ga chảy vào hệ thống thốt nước thải. Lượng nước thâm nhập do thấm từ nước ngầm và nước mưa cĩ thể lên tới 470m3/ha.ngày. - Nơi cĩ mạng cống chung vừa thốt nước thải vừa thốt nước mưa. Đây là trường hợp hầu hết ở các thị trấn, thị xã, thành phố của nước ta. Lượng nước chảy về nhà máy gồm nước thải sinh hoạt, nước thải cơng nghiệp, nước ngầm thâm, và một phần nước mưa. - Trong những tác động mạnh nhất của mưa đến mơi trường nước là hiện tượng mưa acid. Mưa acid là sự lắng tụ các chất khí tạo ra acid như CO2, SOx NOx Cl2…bởi tuyết, sương mù, bụi và các tác nhân gây sự lắng đọng khác từ khơng khí. Tác động dễ nhận thấy sau những trận mưa acid là làm chua đất, chua nước. Ảnh hưởng rất xấu đất khu hệ sinh vật đất và khu hệ sinh vật nước. 2.1.3 Các chất gây nhiễm bẩn nước - Các yếu tố vật lý: nhiệt độ cao hay thấp, pH, biến đổi màu nước. - Các yếu tố hĩa học: các chất hữu cơ, vơ cơ, các hợp chất chứa nitơ, hợp chất chứa photpho và các kim loại nặng. + Các chất hữu cơ khĩ phân hủy: thuộc các chất hữu cơ cĩ vịng thơm, các chất đa vịng ngưng tụ, các hợp chất clo hữu cơ,…Chúng tồn tại lâu dài trong mơi trường và cơ thể sinh vật gây độc tích lũy. Hàm lượng các chất này trong nguồn nước tự nhiên rất thấp. + Các chất hữu cơ dễ bị phân hủy: là các hợp chất protein, hydratcacbon, chất béo cĩ nguồn gốc động vật và thực vật. Đây là các chất gây ơ nhiễm chính cĩ nhiều trong nước thải sinh hoạt, từ các xí nghiệp chế biến thực phẩm. Các chất này chủ yếu làm suy giảm các chất hịa tan trong nước. + Các kim loại nặng: hầu hết các kim loại nặng đều cĩ độc tính cao đối với người và động vật. Trong nước thải cơng nghiệp thường chứa các kim loại nặng là chì, thủy ngân, crom, cadimi, asen… + Các ion vơ cơ: các ion vơ cơ cĩ nồng độ cao trong nước tự nhiên, đặc biệt là nước biển. Trong nước thải cĩ một lượng khá lớn các hợp chất vơ cơ tùy thuộc vào các nguồn nước thải. - Các yếu tố sinh học: virus, vi khuẩn gây bệnh, vi nấm nguyên sinh động vật, các lồi giun sán. 2.2 THÀNH PHẦN LÝ HĨA HỌC CỦA NƯỚC THẢI Nước thải chứa rất nhiều loại hợp chất khác nhau, với số lượng và nồng độ cũng thay đổi rất khác nhau. Cĩ thể phân loại tính chất nước thải như sau: 2.2.1 Tính chất vật lý Tính chất vật lý của nước thải được xác định dựa trên các chỉ tiêu: màu sắc, mùi, nhiệt độ và lưu lượng (dịng chảy). - Màu: nước thải mới cĩ màu hơi nâu sáng, tuy nhiên nhìn chung màu nước thải thường là màu xám cĩ vẩn đục. Màu sắc của nước thải sẽ bị thay đổi đáng kể nếu như nĩ bị nhiễm khuẩn, khi đĩ nước thải sẽ cĩ màu đen tối. - Mùi: mùi cĩ trong nước thải sinh hoạt là do cĩ khí sinh ra từ quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ hay do cĩ một số chất được đưa thêm vào trong nước thải. Nước thải sinh hoạt thơng thường cĩ mùi mốc, nhưng nếu nước thải bị nhiễm khuẩn thì nĩ sẽ chuyển sang mùi trứng thối do sự tạo thành H2S trong nước. - Nhiệt độ: nhiệt độ của nước thải thường cao hơn so với nhiệt độ của nguồn nước sạch ban đầu, bởi vì cĩ sự gia nhiệt vào nước từ các đồ dùng trong gia đình và các máy mĩc thiết bị cơng nghiệp. Tuy nhiên, chính những dịng nước thấm qua đất và lượng nước mưa đổ xuống mới là nhân tố làm thay đổi một cách đáng kể nhiệt độ của nước. - Lưu lượng: thể tích thực của nước thải cũng được xem là một trong những đặc tính vật lý của nước thải, cĩ đơn vị là m3/người.ngày. Hầu hết các thiết bị xử lý được thiết kế để xử lý nước thải cĩ lưu lượng 0,378 – 0,756 m3/người.ngày. Vận tốc dịng chảy luơn thay đổi trong ngày. Tính chất hĩa học - Các thơng số mơ tả tính chất hĩa học thường là: số lượng các chất hữu cơ, chất vơ cơ và chất khí. Để đơn giản hơn, ta cĩ thể xác định tính chất hĩa học của nước thải thơng qua các thơng số: độ kiềm, BOD, COD, các chất khí hịa tan, các hợp chất Nito, pH, P, các chất rắn (hữu cơ, vơ cơ, huyền phù và khơng tan), và nước. - Độ kiềm: đặc trưng cho khả năng trung hịa axit, thường là độ kiềm bicarbonate, carbonate, và hydroxide. Độ kiềm thực chất là mơi trường đệm (để giữ pH trung tính) của nước thải trong suốt quá trình xử lý sinh hĩa. - Nhu cầu oxy sinh hĩa (BOD): dùng để xác định lượng chất bị phân hủy sinh hĩa trong nước thải, thường được xác định sau 5 ngày ở nhiệt độ 20oC. BOD5 trong nước thải sinh hoạt thường nằm trong khoảng 100 – 300mg/l. - Nhu cầu oxy hĩa học (COD): dùng để xác định lượng chất bị oxy hĩa trong nước thải. COD thường nằm trong khoảng 200 – 500 mg/l. Tuy nhiên, trong nước thải cơng nghiệp, nồng độ này cĩ thể gia tăng một cách đáng kể. - Các chất khí hịa tan: đây là những khí cĩ thể hịa tan được trong nước thải. Nước thải cơng nghiệp thường cĩ nồng độ oxy tương đối thấp. - Hợp chất chứa N: số lượng và các loại hợp chất chứa N sẽ thay đổi trong từng dạng nước thải khác nhau (nước thải chưa xử lý và nước thải sau xử lý ở dịng ra). N thường đi kèm vịng tuần hồn oxy hĩa và nồng độ của nĩ sẽ giảm dần. Phần lớn N chưa được xử lý trong nước thải sẽ chuyển sang dạng N hữu cơ hay N-NH3. Nồng độ N trong nước thải thường là 20 – 85 mg/l; trong đĩ N hữu cơ thường ở khoảng 8 – 35 mg/l, cịn nồng độ N-NH3 thường từ 12 – 50 mg/l. - pH: đây là cách để nhanh chĩng phát hiện tính axit của nước thải. Giá trị pH dao động trong khoảng từ 1 – 14. Để xử lý nước thải một cách cĩ hiệu quả thì pH chỉ nên nằm trong khoảng 6,5 – 9 (lý tưởng hơn là từ 6,5 – 8). - Phospho: đây là nhân tố cần thiết cho hoạt động sinh hĩa, nhưng chỉ nên hiện diện với một lượng tối thiểu, hoặc sẽ được loại bỏ sau quá trình xử lý bậc hai. Số lượng P dư thừa cĩ thể gây rối dịng chảy và làm tăng trưởng quá mức các loại tảo. Nồng độ P thường trong khoảng 6 – 20 mg/l. Quá trình loại bỏ hợp chất photphat trong các chất tẩy rửa cĩ ảnh hưởng quan trọng đến khối lượng P trong nước thải. - Các chất rắn: hầu hết các chất ơ nhiễm trong nước thải cĩ thể được xem là các chất rắn. Mục đích của việc xử lý nước thải là nhằm loại bỏ các chất rắn hoặc chuyển chúng sang dạng ổn định hơn và dễ xử lý. Các chất rắn cĩ thể được phân loại dựa vào thành phần hĩa học của chúng (hữu cơ hay vơ cơ), hoặc bởi các đặc tính vật lý (cĩ thể lắng đọng, nổi trên mặt nước, hay ở dạng keo). Nồng độ tổng các chất rắn trong nước thải thường dao động trong khoảng 350 – 1200 mg/l. + Các chất rắn hữu cơ: bao gồm C, H, O, N, và cĩ thể được chuyển thành CO2 và H2O khi cháy ở nhiệt độ 550oC. + Các chất rắn vơ cơ: thường khơng bị ảnh hưởng bởi sự cháy. + Các chất rắn lơ lửng: loại chất rắn này thường bị giữ lại bởi các bể lọc đệm vật liệu xơ, và cĩ thể được phân loại nhỏ hơn như: tổng các chất răn lơ lửng (TSS), các chất rắn lơ lửng dễ bay hơi (VSS), và các chất rắn lơ lửng cố định. Ngồi ra chúng cịn được phân loại thành 3 thành phần dựa vào khả năng lắng đọng: các chất rắn cĩ khả năng lắng đọng, các chất rắn nổi trên mặt và dạng keo. Tổng hàm lượng các chất rắn lơ lửng trong nước thải thường từ 100 – 350 mg/l. + Các chất rắn tan: loại chất rắn này sẽ đi qua được các bể lọc đệm vật liệu xơ, và cũng được phân loại thành: tổng hàm lượng các chất rắn tan được (TDS), các chất rắn tan dễ bay hơi, và các chất rắn tan cố định. Tổng hàm lượng các chất rắn tan được nằm trong khoảng 250 – 850 mg/l. - Nước: luơn là thành phần cấu tạo chính của nước thải. Trong một số trường hợp, nước cĩ thể chiếm đến từ 99,5% - 99,9% trong nước thải (thậm chí ngay cả trong nước thải ơ nhiễm nặng nhất thì hàm lượng các chất bẩn cũng chỉ chiếm 0,5%; cịn đối với nguồn nước thải được xem là sạch nhất thì nồng độ này là 0,1%). TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI Các loại nước thải đều chứa các tạp chất gây nhiễm bẩn cĩ tính chất rất khác nhau: từ các loại chất rắn khơng tan, đến các loại chất khĩ tan và những hợp chất tan trong nước. Xử lý nước thải là loại bỏ các tạp chất đĩ, làm sạch lại nước và cĩ thể đưa nước đổ vào nguồn hoặc đưa tái sử dụng. Để đạt được những mục đích đĩ chúng ta thường dựa vào những đặc điểm của từng loại tạp chất để lựa chọn phương pháp xử lý thích hợp. Thơng thường cĩ các phương pháp xử lý nước thải như sau: Xử lý bằng phương pháp cơ học. Xử lý bằng phương pháp hố lý và hố học. Xử lý bằng phương pháp sinh học. 2.3.1 Xử lý nước thải bằng phương pháp cơ học Quá trình xử lý cơ học thường được áp dụng ở giai đoan đầu của quá trình xử lý nước thải hay cịn gọi là quá trình xử lý sơ bộ hay là quá trình tiền xử lý. Qúa trình này dùng để loại bỏ các tạp chất khơng tan cĩ trong nước thải, bao gồm các tạp chất vơ cơ và hữu cơ cĩ trong nước. Nĩ là một bước đệm nhằm đảm bảo tính an tồn cho các cơng trình và thiết bị của các quá trình xử lý tiếp theo của hệ thống xử lý nước thải. Xử lý nước thải bằng phương pháp cơ học cĩ nhiều phương pháp khác nhau, tuy nhiên tuỳ theo thành phần và tính chất nước thải xử lý mà các cơng trình sau đây cĩ thể áp dụng: 2.3.1.1 Thiết bị chắn rác Thiết bị chắn rác cĩ thể là song chắn rác hoặc lưới chắn rác, cĩ chức năng chắn giữ những rác bẩn thơ (giấy, rau, cỏ, rác…), nhằm đảm bảo đảm cho máy bơm, các cơng trình và thiết bị xử lý nước thải hoạt động ổn định. Song và lưới chắn rác được cấu tạo bằng các thanh song song, các tấm lưới đan bằng thép hoặc tấm thép cĩ đục lỗ… tùy theo kích cỡ các mắt lưới hay khoảng cách giữa các thanh mà ta phân biệt loại chắn rác thơ, trung bình hay rác tinh. Thiết bị chắn rác thường đặt trước hệ thống xử lý nước thải hoạc cĩ thể đặt trước miệng xả của nhà máy sản xuất. Lưới chắn rác thường đặt nghiêng một gĩc 45 - 60º so với phương thẳng đứng, khe rộng mắt lưới thường 10 - 20mm. Theo cách thức làm sạch thiết bị chắn rác ta cĩ thể chia làm 2 loại: loại làm sạch bằng tay, loại làm sạch bằng cơ giới. 2.3.1.2 Thiết bị nghiền rác Là thiết bị cĩ nhiệm vụ cắt và nghiền vụn rác thành các hạt, các mảnh nhỏ lơ lửng trong nước thải để khơng làm tắc ống, khơng gây hại cho bơm. Trong thực tế cho thấy việc sử dụng thiết bị nghiền rác thay cho thiết bị chắn rác đã gây nhiều khĩ khăn cho các cơng đoạn xử lý tiếp theo do lượng cặn tăng lên như làm tắc nghẽn hệ thống phân phối khí và các thiết bị làm thống trong các bể (đĩa, lỗ phân phối khí và dính bám vào các tuabin…. Do vậy phải cân nhắc trước khi dùng. 2.3.1.3 Bể điều hịa Là đơn vị dùng để khắc phục các vấn đề sinh ra do sự biến động về lưu lượng và tải lượng dịng vào, đảm bảo hiệu quả của các cơng trình xử lý sau, đảm bảo đầu ra sau xử lý, giảm chi phí và kích thước của các thiết bị sau này. Cĩ 2 loại bể điều hịa: − Bể điều hịa lưu lượng. − Bể điều hịa lưu lượng và chất lượng. Các phương án bố trí bể điều hịa cĩ thể là bể điều hịa trên dịng thải hay ngồi dịng thải xử lý. Phương án điều hịa trên dịng thải cĩ thể làm giảm đáng kể dao động thành phần nước thải đi vào các cơng đoạn phía sau, cịn phương án điều hịa ngồi dịng thải chỉ giảm được một phần nhỏ sự dao động đĩ. Vị trí tốt nhất để bố trí bể điều hịa cần được xác định cụ thể cho từng hệ thống xử lý, và phụ thuộc vào loại xử lý, đặc tính của hệ thống thu gom cũng như đặc tính của nước thải. 2.3.1.4 Bể lắng cát Nhiệm vụ của bể lắng cát là loại bỏ cặn thơ, nặmg như: cát, sỏi, mảnh thủy tinh, mảnh kim loại, tro, than vụn… nhằm bảo vệ các thiết bị cơ khí dễ bị mài mịn, giảm cặn nặng ở các cơng đoạn xử lý sau. Bể lắng cát thường đặt sau song chắn rác và đặt trước bể điều hồ lưu lượng. Bể lắng cát gồm những loại sau: − Bể lắng cát ngang. − Bể lắng cát đứng. − Bể lắng cát tiếp tuyến. − Bể lắng cát làm thống. 2.3.1.5 Quá trình lắng Lắng là phương pháp đơn giản nhất để tách các chất bẩn khơng hịa tan ra khỏi nước thải. Dựa vào chức năng và vị trí cĩ thể chia bể lắng thành các loại: − Bể lắng đợt 1: Được đặt trước cơng trình xử lý sinh học, dùng để tách các chất rắn, chất bẩn lơ lửng khơng hịa tan. − Bể lắng đợt 2: Được đặt sau cơng trình xử lý sinh học dùng để lắng các cặn vi sinh, bùn làm trong nước trước khi thải ra nguồn tiếp nhận Căn cứ vào chiều dịng chảy của nước trong bể, bể lắng cũng được chia thành các loại giống như bể lắng cát ở trên: bể lắng ngang, bể lắng đứng, bể lắng tiếp tuyến (bể lắng radian). 2.3.1.6 Quá trình lọc Lọc được ứng dụng để tách các tạp chất phân tán cĩ kích thước nhỏ khỏi nước thải, mà các bể lắng khơng thể loại được chúng. Người ta tiến hành quá trình lọc nhờ các vật liệu lọc, vách ngăn xốp, cho phép chất lỏng đi qua và giữ các tạp chất lại. Vật liệu lọc được sử dụng thường là cát thạch anh, than cốc, hoặc sỏi, thậm chí cả than nâu, than bùn hoặc than gỗ. Việc lựa chọn vật liệu lọc tùy thuộc vào loại nước thải và điều kiện địa phương. Cĩ nhiều dạng lọc: lọc chân khơng, lọc áp lực, lọc chậm, lọc nhanh, lọc chảy ngược, lọc chảy xuơi… 2.3.1.7 Quá trình tuyển nổi Phương pháp tuyển nổi thường được sử dụng để tách các tạp chất (ở dạng hạt rắn hoặc lỏng) phân tán khơng tan, tự lắng kém ra khỏi pha lỏng. Trong một số trường hợp quá trình này cũng được dùng để tách các chất hịa tan như các chất hoạt động bề mặt. Quá trình như vậy được gọi là quá trình tách hay lám đặc bọt. Trong xử lý nước thải về nguyên tắc tuyển nổi thường được sử dụng để khử các chất lơ lửng và làm đặc bùn sinh học. Quá trình tuyển nổi được thực hiện bằng cách sục các bọt khí nhỏ (thường là khơng khí) vào trong pha lỏng. Các khí đĩ kết dính với các hạt và khi lực nổi tập hợp các bĩng khí và hạt đủ lớn sẽ kéo theo các hạt cùng nổi lên bề mặt, sau đĩ chúng tập hợp lại với nhau thành các lớp bọt chứa hàm lượng các hạt cao hơn trong chất lỏng ban đầu. Ưu điểm của phương pháp này so với phương pháp lắng là cĩ thể khử hồn tồn các hạt nhỏ nhẹ, lắng chậm trongthời gian ngắn. 2.3.2 Xử lý nước thải bằng phương pháp hố lý và hố học Bản chất chung của quá trình xử lý hố lý và hố học là áp dụng các quá trình vật lý và hố học để loại bớt các chất ơ nhiễm mà khơng thể dung phương pháp cơ học loại bỏ được. Cơ sở của phương pháp này là các phản ứng hố học diễn ra giữa các chất ơ nhiễm và các hố chất thêm vào. Các phương pháp thường được sử dụng là oxy hố và trung hồ. Đi đơi với các phương pháp này cịn kèm theo các quá trình kết tủa và nhiều hiện tượng khác. Các cơng trình tiêu biểu của phương pháp này bao gồm: 2.3.2.1 Quá trình keo tụ, tạo bơng Quá trình keo tụ tạo bơng được ứng dụng để loại bỏ các chất rắn lơ lửng và các hạt keo cĩ kích thước rất nhỏ. Các chất này tồn tại ở dạng khuếch tán và khơng thể loại bỏ bằng quá trình lắng vì tốn rất nhiều thời gian. Để tăng hiệu quả lắng, giảm bớt thời gian lắng của chúng thì ta nên thêm vào nước thải một số hố chất như phèn nhơm, phèn sắt, polymer… các chất này cĩ tác dụng kết dính các chất khuếch tán trong dung dịch thành các hạt cĩ kích cỡ và tỉ trọng lớn hơn nên sẽ lắng nhanh hơn. Trong khi tiến hành quá trình keo tụ, tạo bơng cần chú ý: pH của nước thải Bản chất của hệ keo Sự cĩ mặt của các ion trong nước Thành phần của các chất hữu cơ trong nước Nhiệt độ Các phương pháp keo tụ cĩ thể là keo tụ bằng chất điện li, keo tụ bằng hệ keo ngược dấu. trong quá trình xử lý nước thải bằng chất keo tụ, sau khi kết thúc giai đoạn thuỷ phân các chất keo tụ (phèn nhơm, phèn sắt, phèn kép), giai đoạn tiếp theo là giai đoạn hình thành bơng cặn. Để cho quá trình tạo bơng cặn diễn ra thuận lợi người ta xây dựng các bể phản ứng đáp ứng các chế độ khuấy trộn. Bể phản ứng theo chế độ khuấy trộn được chia làm 2 loại: thuỷ lực và cơ khí. Thơng thường, sau khi diễn ra quá trình keo tụ tạo bơng, nước thải sẽ được đưa qua bể lắng để tiến hành loại bỏ các bơng cặn cĩ kích thước lớn mới được hình thành. Phương pháp keo tụ cĩ thể làm trong nước và khử màu nước thải vì sau khi tạo bơng cặn, các bơng cặn lớn lắng xuống thì những bơng cặn này cĩ thể kéo theo các chất phân tán khơng tan gây ra màu. 2.3.2.2 Phương pháp trung hồ Nước thải sản xuất của nhiều ngành cơng nghiệp cĩ thể chứa axit hoặc kiềm. Để ngăn ngừa hiện tượng xâm thực và để tránh cho quá trình sinh hĩa ở các cơng trình làm sạch và nguồn nước khơng bị phá hoại, ta cần phải trung hịa nước thải. Trung hịa cịn nhằm mục đích tách loại một số ion kim loại nặng ra khỏi nước thải. Mặt khác muốn nước thải được xử lý tốt bằng phương pháp sinh học phải tiến hành trung hịa và điều chỉnh pH về 6.6 - 7.6 Trung hịa bằng cách dùng các dung dịch axit hoặc muối axit, các dung dịch kiềm hoặc oxit kiềm để trung hịa dịch nước thải. Ngồi ra, cĩ thể tận dụng nước thải cĩ tính acid trung hịa nước thải cĩ tính kiềm hoặc ngược lại. 2.3.2.3 Phương pháp hấp phụ Hấp phụ là phương pháp tách các chất hữu cơ và khí hồ tan ra khỏi nước thải bằng cách tập trung các chất đĩ trên bề mặt chất rắn (chất hấp phụ) hoặc bằng cách tương tác giữa các chất bẩn hồ tan với các chất rắn (hấp phụ hố học). Hấp phụ cĩ thể diễn ra ở bề mặt biên giới giữa hai pha lỏng và khí, giữa pha lỏng và pha rắn. Khả năng hấp phụ chất bẩn trong nước thải phụ thuộc vào điều kiện nhiệt độ. Nhiệt độ thấp quá trình hấp phụ xảy ra mạnh nhưng nếu quá cao thì cĩ thể diễn ra quá trình khứ hấp phụ. Chính vì vậy người ta dùng nhiệt độ để phục hồi khả năng hấp phụ của các hạt rắn khi cần thiết. Những chất hấp phụ cĩ thể là : than hoạt tính, silicagel, nhựa tổng hợp cĩ khả năng trao đổi ion, cacbon sunfua, than nâu, than bùn, than cốc, đơlơmit, cao lanh, tro và các dung dịch hấp phụ lỏng. Bơng cặn của những chất keo tụ (hydroxit của kim loại) và bùn hoạt tính từ bể aeroten cũng cĩ khả năng hấp phụ. 2.3.2.4 Phương pháp trích ly Trích ly là phương pháp tách các chất bẩn hồ tan ra khỏi nước thải bằng dung mơi nào đĩ nhưng với điều kiện dung mơi đĩ khơng tan trong nước và độ hồ tan chất bẩn trong dung mơi cao hơn trong nước. Kỹ thuật trích ly cĩ thể tiến hành như sau : cho dung mơi vào trong nước thải và trộn đều cho tới khi đạt trạng thái cân bằng. Tiếp đĩ cho qua bể lắng. Do sự chênh lệch về trọng lượng riêng nên hỗn hợp sẽ phân ra hai lớp và để tách biệt chúng ra bằng phương pháp cơ học. 2.3.2.5 Phương pháp trao đổi ion Phương pháp trao đổi ion là một quá trình trong đĩ các ion trên bề mặt của chất rắn trao đổi với các ion cĩ cùng điện tích trong dung dịch khi tiếp xúc với nhau. Các chất này gọi là ionit (chất trao đổi ion). Chúng hồn tồn khơng tan trong nước. Phương pháp trao đổi ion được ứng dụng để xử lý nước thải khỏi các kim loại như Zn, Cu, Ni, Pb, Hg, Cd, Mn,… cũng như các hợp chất của Asen, Photpho, Xyanua và chất phĩng xạ. Phương pháp này được dùng phổ biến làm mềm nước, loại ion Ca+2 và Mg+2 ra khỏi nước cứng. Các chất trao đổi ion cĩ thể là các chất vơ cơ hoặc hữu cơ cĩ nguồn gốc tự nhiên hoặc tổng hợp. Phương pháp này cho phép thu hồi các kim loại cĩ giá trị và đạt được mức độ xử lý cao. Vì vậy nĩ là phương pháp để ứng dụng rộng rãi để tách muối trong xử lý nước cấp và nước thải. 2.3.2.6 Phương pháp xử lý bằng màng Màng được định nghĩa là một pha đĩng vai trị ngăn cách giữa các pha khác nhau. Nĩ cĩ thể là chất rắn, hoặc một gel (chất keo) trương nở do dung mơi hoặc thậm chí cả một chất lỏng. Việc ứng dụng màng để tách các chất, phụ thuộc vào độ thấm của các hợp chất đĩ qua màng. Các kỹ thuật như điện thẩm tích, thẩm thấu ngược, siêu lọc và các quá trình tương tự khác ngày càng đĩng vai trị quan trọng trong xử lý nước thải. 2.3.2.7 Khử khuẩn Dùng các hố chất cĩ tính độc đối với vi sinh vật, tảo, động vật nguyên sinh, giun sán…để làm sạch nước, đảm bảo tiêu chuẩn vệ sinh để đổ vào nguồn hoặc tái sử dụng. Khử khuẩn cĩ thể dùng hố chất hoặc các tác nhân vật lý như ozon, tia tử ngoại. Hố chất sử dụng để khử khuẩn phải đảm bảo cĩ tính độc đối với vi sinh vật trong một thời gian nhất định, sau đĩ phải được phân huỷ hoặc bay hơi, khơng cịn dư lượng gây độc cho người sử dụng hoặc vào các mục đích sử dụng khác. Các chất khử khuẩn hay dùng nhất là khí hoặc nước clo, nước javen, vơi clorua, các hipoclorit, cloramin B…Đây là các hợp chất của clo, đảm bảo là những chất khử khuẩn đáp ứng được các yêu cầu trên, đồng thời cũng là các chất oxi hố. Trong quá trình xử lý nước thải, cơng đoạn khử khuẩn thường được đặt ở cuối quá trình trước khi làm sạch nước triệt để và chuẩn bị đổ vào nguồn. 2.3.3 Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là dựa vào khả năng sống và hoạt động của vi sinh vật chủ yếu là vi khuẩn dị dưỡng hoại sinh cĩ trong nước thải, cĩ khả năng phân hố những hợp chất hữu cơ gây nhiễm bẩn được khống hố và trở thành những chất vơ cơ, các chất khí đơn giản và nước. Cĩ 2 loại cơng trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học: - Điều kiện tự nhiên: bao gồm các cơng trình: cánh đồng tưới cơng cộng và bãi lọc, cánh đồng tưới nơng nghiệp, hồ sinh học. - Điều kiện nhân tạo: cĩ thể chia thành 2 loại: + Phương pháp xử lý sử dụng vi sinh vật hiếu khí: các vi sinh vật hoạt động trong điều kiện mơi trường được cung cấp oxi liên tục, gồm các cơng trình như: bể lọc sinh học, bể aerotank… + Phương pháp xử lý sử dụng vi sinh vật kị khí: các vi sinh vật hoạt động trong điều kiện mơi trường khơng cĩ oxi, gồm các cơng trình như bể UASB, bể UAF… 2.3.3.1 Cánh đồng tưới cơng cộng và bãi lọc Trong nước thải sinh hoạt chứa một hàm lượng N, P, K khá đáng kể. Như vậy, nước thải là một nguồn phân bĩn tốt cĩ lượng N thích hợp với sự phát triển của thực vật. Để sử dụng nước thải làm phân bĩn, đồng thời giải quyết xử lý nước thải theo điều kiện tự nhiên người ta dùng cánh đồng tưới cơng cộng và cánh đồng lọc. Cánh đồng tưới, bãi lọc thường được xây dựng ở những nơi cĩ độ dốc tự nhiên, cách xa khu dân cư về cuối hướng giĩ. Xây dựng ở những nơi đất cát, á cát, cũng cĩ thể ở nơi đất á sét, nhưng với tiêu chuẩn tưới khơng cao và đảm bảo đất cĩ thể thấm kịp. 2.3.3.2 Cánh đồng tưới nơng nghiệp Từ lâu người ta cũng đã nghĩ đến việc sử dụng nước thải như nguồn phân bĩn để tưới lên các cánh đồng nơng nghiệp ở những vùng ngoại ơ. Theo chế độ nước tưới người ta chia thành 2 loại: - Thu nhận nước thải quanh năm - Thu nước thải theo mùa Trước khi đưa vào cánh đồng , nước thải phải được xử lý sơ bộ qua song chắn rác, bể lắng cát hoặc bể lắng. Tiêu chuẩn tưới lấy thấp hơn cánh đồng cơng cộng và cĩ ý kiến chuyên gia nơng nghiệp. 2.3.3.3 Hồ sinh học Hồ sinh vật là các ao hồ cĩ nguồn gốc tự nhiên hoặc nhân tạo, cịn gọi là hồ oxy hĩa, hồ ổn định nước thải,… Trong hồ sinh vật diễn ra quá trình oxy hĩa sinh hĩa các chất hữu cơ nhờ các lồi vi khuẩn, tảo và các loại thủy sinh vật khác. Để hồ hoạt động bình thường cần phải giữ giá trị pH và nhiệt độ tối ưu. Nhiệt độ khơng được thấp hơn 6ºC. Hồ sinh học dùng xử lý nước thải bằng sinh học chủ yếu dựa vào quá trình làm sạch của hồ. Ngồi việc xử lý nước thải cịn cĩ nhiệm vụ: + Nuơi trồng thuỷ sản. + Nguồn nước để tưới cho cây trồng. + Điều hồ dịng chảy. Cĩ các loại hồ sinh học sau đây: + Hồ kỵ khí. + Hồ kỵ hiếu khí + Hồ hiếu khí. 2.3.3.4 Bể lọc sinh học Nguyên lý hoạt động dựa trên quá trình hoạt động của vi sinh vật hoạt động ở màng sinh học, oxi hố các chất bẩn hữu cơ cĩ trong nước thải. Cĩ các loại sau: + Bể lọc sinh học cĩ lớp vật liệu khơng ngập trong nước. + Bể lọc sinh học cĩ lớp vật liệu ngập trong nước. + Bể lọc sinh học cĩ lớp vật liệu là các hạt cố định. + Đĩa quay sinh học RBC. 2.3.3.5 Bể xử lý sinh học bằng quá trình bùn hoạt tính (aerotank). Là bể chứa hỗn hợp nước thải và bùn hoạt tính, khí được cấp liên tục vào bể để trộn đều và giữ cho bùn ở tình trạng lơ lửng trong nước thải và cấp đủ oxi cho vi sinh vật oxy hố chất hữu cơ cĩ trong nước thải. Vị trí của bể aerotank là sau bể lắng 1 và trước bể lắng 2. Nguyên tắc hoạt động: nước thải sau khi qua bể lắng 1 cĩ chứa các chất hữu cơ hồ tan và chất lơ lửng đi vào bể aerotank, tại đây các vi khuẩn và vi sinh vật trong bể chuyển hố các chất hữu cơ phức tạp này thành các chất đơn giản hơn là các chất trơ khơng hồ tan và thành các tế bào mới. Cĩ 2 quá trình sinh hố xảy ra trong bể aerotank là: + Quá trình tăng sinh khối của vi sinh vật. + Quá trình hoạt động của enzyme hay quá trình chuyển hố vật chất hữu cơ cĩ trong nước thải ở các bể aerotank. 2.3.3.6 Bể UASB Nước thải sau khi điều chỉnh pH và dinh dưỡng được dẫn vào đáy bể và nước thải đi lên qua nền bùn rồi tiếp tục vào bể lắng đặt cùng với bể phản ứng. Khí metan tạo ra ở giữa lớp bùn. Hỗn hợp khí lỏng và bùn làm cho bùn tạo thành dạng hạt lơ lửng. Với quy trình này bùn tiếp xúc được nhiều với chất hữu cơ và quá trình phân huỷ xảy ra tích cực. Các loại khí tạo ra trong điều kiện kị khí sẽ tạo ra dịng tuần hồn cục bộ, giúp việc hình thành những hạt bùn hoạt tính và giữ cho chúng ổn định. Bọt khí và hạt bùn cĩ khí bám vào sẽ nổi lên trên bể. Khi va phải lớp lưới chắn phía trên các bọt khí sẽ vỡ và hạt bùn được tách ra và lắng xuống. Để giữ cho lớp bùn ở trạng thái lơ lửng, vận tốc dịng hướng lên phải ở khoảng 0.6-0.9m/h. 2.3.3.7 Bể lên men cĩ thiết bị trộn và cĩ bể lắng riêng (ANALIFT). Cơng trình gồm một bể phản ứng và một bể lắng riêng biệt với một thiết bị điều chỉnh bùn tuần hồn. Giữa 2 thiết bị chính cĩ đặt một thiết bị khử khí để loại khí tắc trong các cục vĩn. Bể phản ứng cĩ lớp chống ăn mịn ở phía trong, cĩ lớp cách nhiệt để duy trì nhiệt độ mong muốn. Khuấy trộn bằn cách bơm khí vào bình chứa làm bằng vật liệu khơng gỉ. Bể lắng coi như một thiết bị cơ đặc, vì bùn tách ra cĩ nồng độ cao và từ đây cho bùn hồi lưu trở lại bể phản ứng. Tỉ lệ bùn tuần hồn khoảng 50-100%. Phương pháp này ít chịu ảnh hưởng bởi lưu lượng, thích hợp đối với việc xử lý phân chuồng, xử lý các nước thải đặc như trong cơng nghiệp đồ hộp, cất cồn, cơng nghiệp hố chất, bột giấy, đường. Hiệu quả của phương pháp: loại bỏ được BOD5 tới 80-95%, COD từ 65-90%. VAI TRỊ CỦA PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC HIẾU KHÍ TRONG QUÁ TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI Trong quá trình xử lý nước thải, nước thải được xử lý qua nhiều giai đoạn và được sử dụng bằng nhiều phương pháp khác nhau, trong đĩ, mỗi phương pháp giúp loại bỏ một loại chất thải khác nhau: Quá trình xử lý cơ học: thường được áp dụng để loại bỏ các tạp chất khơng tan, các loại tạp chất rắn cĩ kích cỡ lớn cĩ trong nước thải, bao gồm các tạp chất vơ cơ và hữu cơ cĩ trong nước thải như rơm cỏ, gỗ mẩu, bao bì, giấy, cát sỏi, dầu mỡ… Ngồi ra cịn cĩ các hạt lơ lửng ở dạng huyền phù khĩ lắng. Nĩ là một bước đệm nhằm đảm bảo tính an tồn cho các cơng trình và thiết bị của các quá trình xử lý tiếp theo của hệ thống xử lý nước thải. - Quá trình xử lý hố học: là sử dụng hố chất giúp loại bỏ các loại vật chất lơ lửng phân tán rất nhỏ, hệ keo mà phương pháp xử lý cơ học khơng thể loại bỏ được hết. Ngồi ra cịn giúp chuyển dịch pH nước thải về pH trung tính và làm lắng các muối kim loại nặng để tách chúng ra khỏi nước thải. Tuy nhiên, nếu các hợp chất hữu cơ trong nước thải được xử lý bằng phương pháp hố học thì chi phí xử lý sẽ rất lớn và lại gây ra một số vấn đề về mơi trường vì khi đĩ chất ơ nhiễm khơng được xử lý mà chỉ chuyển từ dạng ơ nhiễm này sang dạng ơ nhiễm khác. Cho nên nếu xử lý các hợp chất hữu cơ bằng phương pháp cơ học kết hợp với phương pháp hố lý nĩi chung thì hiệu quả xử lý thấp mà chi phí cao. Do đĩ, để xử lý nước thải nhiều chất hữu cơ dạng keo và hồ tan thì áp dụng phương pháp xử lý sinh học và hay gặp là phương pháp sinh học sử dụng vi sinh vật trong điều kiện hiếu khí vì hiệu quả xử lý cao, chi phí thấp và khi nồng độ chất hữu cơ trong nước thải cần xử lý là khơng quá cao. - Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học hiếu khí: được ứng dụng để xử lý các hợp chất hữu cơ hồ tan cĩ trong nước thải như hydratcacbon, protein, lipid… và một số hợp chất vơ cơ như: H2S, sulfite, nitơ… dựa trên cơ sở hoạt động của vi sinh vật để phân huỷ các chất hữu cơ gây nhiễm đến sản phẩm cuối cùng là CO2 và nước. Cho đến nay người ta đã xác định được rằng các vi sinh vật cĩ thể phân huỷ được tất cả các chất hữu cơ cĩ trong thiên nhiên và nhiều hợp chất hữu cơ tổng hợp nhân tạo. Mức độ phân huỷ và thời gian phân huỷ phụ thuộc vào cấu tạo các chất hữu cơ, độ hồ tan trong nước và hàng loạt các yếu tố ảnh hưởng khác. Vi sinh vật cĩ trong nước thải sử dụng các hợp chất hữu cơ và một số chất khống làm nguồn dinh dưỡng và tạo ra năng lượng. Quá trình dinh dưỡng làm cho chúng sản sinh, phát triển, tăng số lượng tế bào, đồng thời làm sạch các chất hữu cơ hồ tan hoặc các hạt keo phân tán nhỏ. Do vậy, trong xử lý sinh học, người ta phải loại bỏ các tạp chất phân tán thơ ra khỏi nước thải trong giai đoạn xử lý sơ bộ. Đối với các tạp chất vơ cơ cĩ trong nước thải thì phương pháp xử lý sinh học cĩ thể khử các chất sulfite, muối amon, nitrate…các chất chưa bị oxi hố hồn tồn. Sản phẩm của quá trình phân huỷ này là khí CO2, nước, khí N2, ion sulfat… CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN QUÁ TRÌNH SINH HỌC TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI 3.1 NGUYÊN TẮC CHUNG CỦA QUÁ TRÌNH Phương pháp xử lý sinh học cĩ thể chia thành 2 loại chính: - Phương pháp xử lý sử dụng vi sinh vật hiếu khí: các vi sinh vật hoạt động trong mơi trường được cung cấp oxy liên tục. - Phương pháp xử lý sử dụng vi sinh vật kỵ khí: các vi sinh vật hoạt động trong mơi trường khơng cĩ oxy. Quá trình phân huỷ các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật gọi là quá trình oxi hố sinh hố. Để thực hiện quá trình này, các chất hữu cơ hồ tan, các chất keo tụ và các chất phân tán nhỏ trong nước thải cần di chuyển vào bên trong tế bào vi sinh vật theo 3 giai đoạn chính sau: Chuyển các chất từ pha lỏng tới bề mặt tế bào vi sinh vật. Khuếch tán từ bề mặt tế bào qua màng bán thấm do sự chênh lệch nồng độ bên trong và bên ngồi tế bào. Chuyển hố các chất trong tế bào vi sinh vật, sản sinh năng lượng và tổng hợp tế bào mới. Tốc độ quá trình oxi hố sinh hố phụ thuộc vào nồng độ chất hữu cơ, hàm lượng các tạp chất và mức độ ổn định của lưu lượng nước thải vào hệ thống xử lý. Ở mỗi điều kiện xử lý nhất định, các yếu tố chính ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng sinh hố là chế độ thuỷ động, hàm lượng oxi trong nước thải, nhiệt độ, pH, dinh dưỡng và nguyên tố vi lượng. Điều kiện áp dụng phương pháp sinh học vào xử lý nước thải phải thoả mãn: Nước thải khơng cĩ chất độc hại làm chết hoặc ức chế hệ vi sinh vật trong nước thải. Chất hữu cơ cĩ trong nước thải phải là cơ chất dinh dưỡng nguồn carbon và năng lượng cho vi sinh vật (hydratcarbon, protein, lipit hồ tan). Tỉ số COD/BOD ≤ 2 hoặc BOD/COD ≥ 0.5 thì cĩ thể áp dụng phương pháp xử lý sinh học. Ngồi ra cần phải chú ý chọn quần thể vi sinh vật thích ứng với từng loại nước thải. 3.2 VI SINH VẬT TRONG HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI Vi sinh vật là những tổ chức sinh vật rất nhỏ bé, cĩ thể tập hợp lại thành một nhĩm lớn hơn gồm nhiều loại khác nhau dưới những hình dạng khơng xác định, chúng cĩ thể tồn tại dưới dạng đơn phân tử, đa phân tử hoặc một nhĩm phân tử. Cĩ thể nĩi, phần lớn vi sinh vật đĩng vai trị rất quan trọng trong các quá trình chuyển hĩa sinh hĩa, chúng cĩ tác dụng làm giảm lượng chất hữu cơ trong nước thải, đồng thời giúp ổn định nồng độ chất hữu cơ trong các dịng chảy. Các lồi vi sinh vật chiếm ưu thế trong từng quá trình xử lý sinh hĩa phụ thuộc vào nhiều yếu tố: tính chất dịng vào, điều kiện mơi trường, quá trình thiết kế và cách thức vận hành hệ thống. Do đĩ, để tăng cường vai trị hệ vi sinh vật hoạt động trong xử lý nước thải thì cần phải thiết kế điều kiện mơi trường phù hợp, ví dụ đối với đa số quá trình xử lý hiếu khí, cần cĩ các điều kiện thích hợp như: mơi trường phải đủ thơng thống để cung cấp oxy, đủ các vật chất hữu cơ (làm thức ăn), đủ nước, đủ N và P (chất dinh dưỡng) để thúc đẩy sự oxy hĩa, cĩ pH phù hợp (6,5 – 9), và khơng cĩ các chất gây độc. Tuy nhiên, khơng phải tất cả các vi sinh vật đều cĩ lợi cho các quá trình chuyển hĩa trong xử lý nước thải. Nếu như các điều kiện mơi trường khơng cịn phù hợp cho hoạt động của các lồi vi sinh vật, hoặc số lượng các vi sinh trong hệ thống xử lý tăng đột biến, điều này sẽ gây cản trở cho quá trình chuyển hĩa và làm giảm hiệu suất xử lý nước thải. 3.3 SINH THÁI, SINH LÝ, PHÂN LOẠI VI SINH VẬT 3.3.1 Sinh thái, sinh lý vi sinh vật Vi sinh vật khơng phải là một nhĩm phân loại trong sinh giới mà là bao gồm tất cả các sinh vật cĩ kích thước hiển vi, khơng thấy rõ được bằng mắt thường, do đĩ phải sử dụng kính hiển vi thường hoặc kính hiển vi điện tử. Ngồi ra muốn nghiên cứu vi sinh vật người ta phải sử dụng tới phương pháp nuơi cấy vơ khuẩn. Vi sinh vật cĩ các đặc điểm chung sau đây: [2]; [7]; [8]; [18] Kích thước nhỏ bé : Vi sinh vật thường được đo kích thước bằng đơn vị micromet (1mm= 1/1000mm hay 1/1.000.000m). Virus được đo kích thước đơn vị bằng nanomet (1nn=1/1.000.000mm hay 1/1.000.000.000m). Kích thước càng bé thì diện tích bề mặt của vi sinh vật trong 1 đơn vị thể tích càng lớn. Chẳng hạn đường kính của 1 cầu khuẩn (Coccus) chỉ cĩ 1mm, nhưng nếu xếp đầy chúng thành 1 khối lập nhưng cĩ thể lích là 1cm3 thì chúng cĩ diện tích bề mặt rộng tới ...6 m2 ! Light microscope : KHV quang học Electron microscope : KHV điện tử Most bacteria: Phần lớn vi khuẩn Hình 3.1 Kích thước các lồi vi sinh vật Hấp thu nhiều, chuyển hố nhanh : Tuy vi sinh vật cĩ kích thước rất nhỏ bé nhưng chúng lại cĩ năng lực hấp thu và chuyển hố vượt xa các sinh vật khác. Chẳng hạn 1 vi khuẩn lắc tic (Lactobacillus) trong 1 giờ cĩ thể phân giải được một lượng đường lactose lớn hơn 100 – 10.000 lần so với khối lượng của chúng. Tốc độ tổng hợp protein của nấm men cao gấp 1.000 lần so với đậu tương và gấp 100.000 lần so với trâu bị. Sinh trưởng nhanh, phát triển mạnh : Chẳng hạn, 1 trực khuẩn đại tràng (Escherichia coli) trong các điều kiện thích hợp chỉ sau 12 - 20 phút lại phân cắt một lần. Nếu lấy thời gian thế hệ là 20 phút thì mỗi giờ phân cắt 3 lần, sau 24 giờ phân cắt 72 lần và tạo ra 4.722.366.500.000.000.000.000.000 tế bào (4 722 366. 1017), tương đương với 1 khối lượng … 4.722 tấn. Tất nhiên trong tự nhiên khơng cĩ được các điều kiện tối ưu như vậy (vì thiếu thức ăn, thiếu oxy, dư thừa các sản phẩm trao đổi chất cĩ hại…). Trong lồi lên men với các điều kiện nuơi cấy thích hợp, từ 1 tế bào cĩ thể tạo ra sau 24 giờ khoảng 100.000.000 – 1.000.000.000 tế bào. Thời gian thế hệ của nấm men dài hơn, ví dụ với men rượu (Saccharomyces cerevisiae) là 120 phút. Với nhiều vi sinh vật khác cịn dài hơn nữa, ví dụ với tảo Tiểu cầu (Chlorella) là 7 giờ, với vi khuẩn lam Nostoc là 23 giờ…Cĩ thể nĩi khơng cĩ sinh vật nào cĩ tốc độ sinh sơi nảy nở nhanh như vi sinh vật. Cĩ năng lực thích ứng mạnh và dễ dàng phát sinh biến dị : Trong quá trình tiến hố lâu dài vi sinh vật đã tạo cho mình những cơ chế điều hồ trao đổi chất để thích ứng được với những điều kiện sống rất khác nhau, kể cả những điều kiện hết sức bất lợi mà các sinh vật khác thường khơng thể tồn tại được. Cĩ vi sinh vật sống được ở mơi trường nĩng đến 1300C, lạnh đến 0 - 50C, mặn đến nồng độ 32% muối ăn, ngọt đến nồng độ mật ong, pH thấp đến 0,5 hoặc cao đến 10,7; áp suất cao đến trên 1.103 at. Hay cĩ độ phĩng xạ cao đến 750.000 rad. Nhiều vi sinh vật cĩ thể phát triển tốt trong điều kiện tuyệt đối kỵ khí, cĩ lồi nấm sợi cĩ thể phát triển dày đặc trong bể ngâm tử thi với nồng độ Formol rất cao… Vi sinh vật đa số là đơn bào, đơn bội, sinh sản nhanh, số lượng nhiều, tiếp xúc trực tiếp với mơi trường sống … do đĩ rất dễ dàng phát sinh biến dị. Tần số biến dị thường ở mức 10-5-10-10. Chỉ sau một thời gian ngắn đã cĩ thể tạo ra một số lượng rất lớn các cá thể biến dị ở các hế hệ sau. Những biến dị cĩ ích sẽ đưa lại hiệu quả rất lớn trong sản xuất. Nếu như khi mới phát hiện ra penicillin hoạt tính chỉ đạt 20 đơn vị/ml dịch lên men (1943) thì nay đã cĩ thể đạt trên 100.000 đơn vị/ml. Khi mới phát hiện ra acid glutamic chỉ đạt 1 - 2g/l thì nay đã đạt đến 150g/ml dịch lên men (VEDAN-Việt Nam). Phân bố rộng, chủng loại nhiều : + Vi sinh vật cĩ mặt ở khắp mọi nơi trên Trái đất, trong khơng khí, trong đất, trên núi cao, dưới biển sâu, trên cơ thể, người, động vật, thực vật, trong thực phẩm, trên mọi đồ vật… + Vi sinh vật tham gia tích cực vào việc thực hiện các vịng tuần hồn sinh - địa -hố học (biogeochemical cycles) như vịng tuần hồn C, vịng tuần hồn N, vịng tuần hồn P, vịng tuần hồn S, vịng tuần hồn Fe… + Trong nước vi sinh vật cĩ nhiều ở vùng duyên hải (littoral zone), vùng nước nơng (limnetic zone) và ngay cả ở vùng nước sâu (profundal zone), vùng đáy ao hồ (benthic zone). + Trong khơng khí thì càng lên cao số lượng vi sinh vật càng ít. Số lượng vi sinh vật trong khơng khí ở các khu dân cư đơng đúc cao hơn rất nhiều so với khơng khí trên mặt biển và nhất là trong khơng khí ở Bắc cực, Nam cực… + Hầu như khơng cĩ hợp chất carbon nào (trừ kim cương, đá graphít…) mà khơng là thức ăn của những nhĩm vi sinh vậ nào đĩ (kể cả dầu mỏ, khí thiên nhiên, formol. Dioxin…). Vi sinh vật cĩ rất phong phú các kiểu dinh dưỡng khác nhau : quang tự dưỡng (photoautotrophy), quang dị dưỡng (photoheterotrophy), hố tự dưỡng (chemoautotrophy), hố dị dưỡng (chemoheterotrophy), tự dưỡng chất sinh trưởng (auxoautotroph), dị dưỡng chất sinh trưởng (auxoheterotroph)… Là sinh vật xuất hiện đầu tiên trên trái đất : Trái đất hình thành cách đây 4,6 tỷ năm nhưng cho đến nay mới chỉ tìm thấy dấu vết của sự sống từ cách đây 3,5 tỷ năm. Đĩ là các vi sinh vật hố thạch cịn để lại vết tích trong các tầng đá cổ. Vi sinh vật hố thạch cổ xưa nhất đã được phát hiện là những dạng rất giống với Vi khuẩn lam ngày nay. Chúng được J.William Schopf tìm thấy tại các tầng đá cổ ở miền Tây Australia. Chúng cĩ dạng đa bào đơn giản, nối thành sợi dài đến vài chục mm với đường kính khoảng 1 - 2 mm và cĩ thành tế bào khá dày. Trước đĩ các nhà khoa học cũng đã tìm thấy vết tích của chi Gloeodiniopsis cĩ niên đại cách đây 1,5 tỷ năm và vết tích của chi Palaeolyngbya cĩ niên đại cách đây 950 triệu năm. Hình 3.2 Vết tích một số lồi vi khuẩn đầu tiên 3.3.2 Phân loại vi sinh vật: Từ trước đến nay cĩ rất nhiều hệ thống phân loại sinh vật. Các đơn vị phân loại sinh vật nĩi chung và vi sinh vật nĩi riêng đi từ thấp lên cao là Lồi (Species), Chi (Genus), Họ (Family), Bộ (Order), Lớp (Class), Ngành (Phylum), và Giới (Kingdom). Hiện nay trên giới cịn cĩ một mức phân loại nữa gọi là lĩnh giới (Domain). Xưa kia John Ray (1627-1705) và Carl Von Linnaeus (1707-1778) chỉ chia ra 2 giới là Thực vật và động vật. Năm 1866 E. H. Haeckel (1834-1919) bổ sung thêm giới Nguyên sinh (Protista). Năm 1969 R. H. Whitaker (1921-1981) đề xuất hệ thống phân loại 5 giới : Khởi sinh (Monera), Nguyên sinh (Protista), Nấm (Fungi), Thực vật (Plantae) và động vật (Animalia). + Khởi sinh bao gồm Vi khuẩn (Bacteria) và Vi khuẩn lam (Cyanobacteria). + Nguyên sinh bao gồm động vật nguyên sinh (Protzoa), + Tảo (Algae) và các Nấm sợi sống trong nước (Water molds). Hình 3.3 Hệ thống phân loại 5 giới sinh vật Gần đây hơn cĩ hệ thống phân loại 6 giới - như 5 giới trên nhưng thêm giới Cổ vi khuẩn (Archaebacteria), giới Khởi sinh đổi thành giới Vi khuẩn thật (Eubacteria) (P. H. Raven, G. B. Johnson, 2002). Hình 3.4 Hệ thống phân loại 6 giới sinh vật T. Cavalier-Smith (1993) thì lại đề xuất hệ thống phân loại 8 giới: + Vi khuẩn thật (Eubacteria), + Cổ vi khuẩn (Archaebacteria), + Cổ trùng (Archezoa), + Sắc khuẩn (Chromista), + Nấm (Fungi), + Thực vật (Plantae), + Động vật (Animalia). Theo R. Cavalier-Smith thì: Cổ trùng (như Giardia) bao gồm các cơ thể đơn bào nguyên thuỷ cĩ nhân thật, cĩ ribosom 70S, chưa cĩ bộ máy Golgi, chưa cĩ ty thể (mitochondria) chưa cĩ thể diệp lục (Chloroplast), chưa cĩ peroxisome. Sắc khuẩn bao gồm phần lớn các cơ thể quang hợp chứa thể diệp lục trong các phiến (lumen) của mạng lưới nội chất nhăn (rough endpplasmic reticulum) chứ khơng phải trong tế bào chất (cytoplasm), chẳng hạn như Tảo silic , Tảo nâu, Cryptomonas, Nấm nỗn. Hình 3.5 Hệ thống phân loại 8 giới sinh vật Năm 1980, Carl R. Woese dựa trên những nghiên cứu sinh học phân tử phát hiện thấy Cổ khuẩn cĩ sự sai khác lớn trong trật tự nucleotid ở ARN của ribosom 16S và 18S. Ơng đưa ra hệ thống phân loại ba lĩnh giới (Domain) bao gồm: Cổ khuẩn (Archae), Vi khuẩn (Bacteria) và Sinh vật nhân thực (Eucarya). Hình 3.6 Hệ thống 3 lĩnh giới (domain) Sai khác giữa 3 lĩnh giới Bacteria, Archaea và Eukarya được trình bày trên bảng 3.1 dưới đây: Bảng 3.1 Bảng so sánh 3 lĩnh giới vi sinh vật Đặc điểm Bacteria Archaea Eukarya Nhân cĩ màng nhân và hạch nhân Khơng Khơng Cĩ Phức hợp bào quan cĩ màng Khơng Khơng Cĩ Thành tế bào Hầu hết cĩ peptidoglycan chứaacid muramic Nhiều loại khác nhau, khơng chứa acid muramic Khơng chứa acid muramic Màng lipid Chứa liên kết este, các acid béo mạch thẳng Chứa liên kết ete, các chuỗi aliphatic phân nhánh Chứa liên kết este, các acid béo mạch thẳng Túi khí Cĩ Cĩ Khơng ARN vận chuyển Thymine cĩ trong phần lớn tARN ĩ trongphần lớn tARN Khơng cĩ thymine Trong nhánh T hoặc TyC của tARN Cĩ thymine tARN mở đầu chứa N-formylmethionine tARN mở đầu chứa methionine tARN mở đầu chứa methionine mARN đa cistron Cĩ Cĩ Khơng Intron trong mARN Khơng Khơng Cĩ Ghép nối, gắn mũ và gắn đuơi polyA vào mARN Khơng Khơng Cĩ Ribosom Kích thước 70S 70S 80S (ribosom tế bào chất) Yếu tố kéo dài EF2 Khơng phản ứng với độc tố bạch hầu Cĩ phản ứng Cĩ phản ứng Mẩn cảm với cloramphenicol và kanamycin Mẩn cảm Khơng Khơng Mẫn cảm với anisomycin Khơng Mẫn cảm Mẫn cảm ARN polymerase phụ thuộc ADN Số lượng enzym Một Một số Ba Cấu trúc 4 tiểu đơn vị 8-12 tiểu đơn vị 12-14 tiểu đơn vị Mẫn cảm với rifampicin Mẫn cảm Khơng Khơng Promoter typ Polymerase II Khơng Cĩ Cĩ Trao đổi chất Tương tự ATPase Khơng Cĩ Cĩ Sinh methane Khơng Cĩ Khơng Cố định N2 Cĩ Cĩ Khơng Quang hợp với diệp lục Cĩ Khơng Cĩ Hố dưỡng vơ cơ Cĩ Cĩ Khơng Nguồn: Nguyễn Lân Dũng, 2005. Phần lớn vi sinh vật thuộc về ba nhĩm Cổ khuẩn, Vi khuẩn và Nguyên sinh. Trong giới Nấm, thì nấm men (yeast), nấm sợi (filamentous Fungi) và dạng sợi (mycelia) của mọi nấm lớn đều được coi là vi sinh vật. Như vậy là vi sinh vật khơng cĩ mặt trong hai giới động vật và Thực vật. Người ta ước tính trong số 1,5 triệu lồi sinh vật cĩ khoảng 200.000 lồi vi sinh vật (100.000 lồi động vật nguyên sinh và tảo, 90.000 lồi nấm, 2.500 lồi vi khuẩn lam và 1.500 lồi vi khuẩn). Tuy nhiên hàng năm, cĩ thêm hàng nghìn lồi sinh vật mới được phát hiện, trong đĩ cĩ khơng ít lồi vi sinh vật). Theo hệ thống 3 lĩnh giới thì Archaezoa bao gồm Diplomonad, Trichomonad và Microsporidian. Euglenozoa bao gồm Euglenoid và Kinetoplastid. Alveolata bao gồm Dinoflagellate, Apicomplexan, và Ciliate. Strmenopila bao gồm Tảo silic (Diatoms) , Tảo vàng (Golden algae), Tảo nâu (Brown algae) và Nấm sợi sống trong nước (Water mold) . Rhodophyta gồm các Tảo đỏ (Red algae). Riêng Tảo lục (Green algae) thì một phần thuộc Nguyên sinh (Protista) một phần thuộc Thực vật (Plantae). 3.3.2.1 Vi khuẩn Theo quan điểm hiện đại (NCBI- National Center for Biotechnology Information, 2005) thì vi khuẩn bao gồm các ngành sau đây : Aquificae –Thermotogae - Thermodesulfobacteria – Deinococcus - Thermus - Chrysiogenetes - Chloroflexi – Nitrospirae - Defferribacteres - Cyanobacteria - Proteobacteria - Firmicutes – Actinobacteria - Planctomycetes - Chlamydiae/Nhĩm Verrucomicrobia –Spirochaetes -Fibrobacteres /Nhĩm Acidobacteria - Bacteroidetes/Nhĩm Chlorobia - Fusobacteria - Dictyoglomi. Việc phân ngành dựa trên các đặc điểm hình thái, sinh lý, sinh hĩa, sinh thái... Căn cứ vào tỷ lệ G + C trong ADN người ta xây dựng được cây phát sinh chủng loại (Phylogenetic tree) và chia vi khuẩn thành các nhĩm sau đây: Nhĩm Oxy hố Hydrogen -Nhĩm Chịu nhiệt -Nhĩm Vi khuẩn khơng lưu huỳnh màu lục -Nhĩm Deinococcus -Nhĩm Vi khuẩn lam -Nhĩm Proteobacteria -Nhĩm Chlamydia -Nhĩm Planctomyces -Nhĩm Spirochaetes (Xoắn thể) -Nhĩm Vi khuẩn lưu huỳnh màu lục -Nhĩm Cytophaga -Nhĩm Vi khuẩn Gram dương. Vi khuẩn là một tổ chức nguyên thủy, đơn bào, cơ thể chứa khoảng 85% là nước và 15% là các khống chất hay chất nguyên sinh. Chất nguyên sinh phần lớn là S, K, Na, Ca, Cl và một lượng nhỏ sắt, silic và magie. Chúng sinh sơi nảy nở nhờ hình thức tự phân đơi. Vi khuẩn cĩ thể coi là một trong những sinh vật sống nhỏ nhất, cĩ đường kính 0,5 – 2mm và chiều dài từ 1 – 10mm. Các vi khuẩn được phân thành 3 nhĩm chính dựa vào hình dạng tự nhiên hay trạng thái tồn tại của chúng. Dạng đơn giản nhất là vi khuẩn hình cầu, cịn được gọi là Cocci (khuẩn cầu). Dạng thứ hai là các vi khuẩn hình que, gọi là Bacillus. Dạng cuối cùng là các vi khuẩn hình xoắn hoặc cong, gọi là Spirilla. Đại đa số vi khuẩn đĩng vai trị quan trọng trong việc phân hủy chất hữu cơ, biến chất hữu cơ thành chất ổn định tạo thành bơng cặn dễ lắng. Hình 3.7 Hình dạng của một số lồi vi khuẩn Vi khuẩn ký sinh (paracitic bacteria) là vi khuẩn sống bám vào vật chủ, thức ăn của nĩ là thức ăn đã được vật chủ đồng hĩa, chúng thường sống trong đường ruột của người và động vật, và đi vào nước thải theo phân và nước tiểu. Vi khuẩn hoại sinh (saprophytic bacteria) dùng chất hữu cơ khơng hoạt động làm thức ăn, nĩ phân hủy cặn hữu cơ làm chất dinh dưỡng để sống và sinh sản, và thải ra các chất gồm cặn hữu cơ cĩ cấu tạo đơn giản và cặn vơ cơ. Bằng quá trình hoạt động như vậy, vi khuẩn hoại sinh đĩng vai trị cực kỳ quan trọng trong việc làm sạch nước thải. Nếu khơng cĩ hoạt động sống và sinh sản của vi khuẩn, quá trình phân hủy sẽ khơng xảy ra. Cĩ rất nhiều lồi vi khuẩn hoại sinh, mỗi lồi đĩng một vai trị đặc biệt trong mỗi cơng đoạn của quá trình phân hủy hồn tồn cặn hữu cơ cĩ trong nước thải, và mỗi lồi sẽ tự chết khi hồn thành quy trình sống và sinh sản ở giai đoạn đĩ. Tất cả các vi khuẩn ký sinh và hoại sinh cần cĩ thức ăn và oxy để đồng hĩa. Một số lồi trong số vi khuẩn này chỉ cĩ thể hơ hấp bằng oxy hịa tan trong nước gọi là vi khuẩn hiếu khí, và quá trình phân hủy chất hữu cơ của chúng gọi là quá trình hiếu khí hay quá trình oxy hĩa. Một số lồi khác trong số các vi khuẩn này khơng thể tồn tại được khi cĩ oxy hịa tan trong nước mà lấy oxy cần cho sự đồng hĩa từ các hợp chất hữu cơ và vơ cơ cĩ chứa oxy trong quá trình phân hủy chúng. Những vi khuẩn này gọi là vi khuẩn yếm khí và quá trình phân hủy gọi là quá trình yếm khí (kỵ khí), quá trình này tạo ra mùi khĩ chịu. Cịn một số lồi vi khuẩn hiếu khí trong quá trình phân hủy chất hữu cơ, nếu thiếu hồn tồn oxy hịa tan, chúng cĩ thể tự điều chỉnh để thích nghi với mơi trường gọi là vi khuẩn hiếu khí lưỡng nghi. Ngược lại, cũng tồn tại một số lồi vi khuẩn yếm khí, khi cĩ oxy hịa tan trong nước chúng khơng bị chết mà lại làm quen được với mơi trường hiếu khí gọi là vi khuẩn yếm khí lưỡng nghi. Sự tự điều chỉnh để thích nghi với mơi trường cĩ sự thay đổi của oxy hịa tan của vi khuẩn hoại sinh là rất quan trọng trong quy trình phân hủy chất hữu cơ của nước thải trong các cơng trình xử lý. Nhiệt độ nước thải cĩ ảnh hưởng rất lớn đến quá trình hoạt động và sinh sản của vi khuẩn, phần lớn vi khuẩn hoại sinh hoạt động cĩ hiệu quả cao và phát triển mạnh mẽ ở nhiệt độ từ 20 – 40oC. Một số lồi vi khuẩn trong quá trình xử lý cặn phát triển ở nhiệt độ 50 – 60oC. Khi duy trì các điều kiện mơi trường: thức ăn, nhiệt độ, pH, oxy, độ ẩm thích hợp để vi khuẩn phát triển thì hiệu quả xử lý sinh học trong cơng trình sẽ đạt hiệu quả cao nhất. hình 3.8 Pseudomonas (hydratcacbon, phản nitrat hĩa) Hình 3.10 Bacillus (Phân hủy hidratcacbon, protein) Hình 3.9 Desulfovibrio (khử sulfat, khử nitrat) Hình 3.11 Nitrosomonas (Nitrit hĩa) Hình 3.12 Microthrix parvicella Hình 3.13 Zoogloea Tuy nhiên, khơng phải tất cả các vi khuẩn đều cĩ lợi cho quá trình sinh hĩa, một vài trong số chúng là lồi gây hại. Cĩ hai loại vi khuẩn cĩ hại cĩ thể phát triển trong hệ thống hiếu/thiếu khí. Một là các dạng vi khuẩn dạng sợi (filamentous) là các dạng phân tử trung gian, thường kết với nhau thành lưới nhẹ nổi lên mặt nước và gây cản trở quá trình lắng đọng trầm tích; làm cho lớp bùn đáy khơng cĩ hiệu quả, sinh khối sẽ khơng gắn kết lại và theo các dịng chảy sạch đã qua xử lý ra ngồi. Một dạng vi khuẩn cĩ hại khác tồn tại trong lượng bọt dư thừa trong các bể phản ứng sinh hĩa, phát sinh từ các hệ thống thơng giĩ để tuần hồn oxy trong hệ thống. Các tổ chức cĩ hại thơng thường trong hệ thống kỵ khí là các vi khuẩn khử sulfat. 3.3.2.2 Eukarya (Sinh vật nhân thực) * Protozoa (động vật nguyên sinh) Động vật nguyên sinh là một tổ chức lớn nằm trong nhĩm eukaryotic, với hơn 50.000 lồi đã được biết đến. Thật ra, động vật nguyên sinh là các sinh vật đơn bào nhưng cấu trúc tế bào phức tạp hơn, lớn hơn các vi khuẩn. Kích thước các động vật nguyên sinh thay đổi trong khoảng từ 4 – 500mm. Chúng cĩ thể tồn tại như những sinh vật độc lập. Các nhĩm động vật nguyên sinh chính được phân chia dựa vào phương thức vận động của chúng. Dạng thứ nhất là Mastigophora, là các động vật nguyên sinh cĩ nhiều roi – flagella, ví dụ như Giardia lamblia. Dạng thứ hai là Ciliophora, cĩ roi ngắn hơn hay cịn gọi là lơng mao – cilia, ví dụ như Stalked. Dạng thứ ba là Sarcodina, cĩ kiểu chuyển động như amip – amoeba (lướt đi trong nước, hình dạng của chúng thay đổi theo các động tác di chuyển này). Các động vật nguyên sinh ăn các chất hữu cơ để sống, và thức ăn ưa thích của chúng là các vi khuẩn. Các yếu tố như: chất độc, pH, nhiệt độ đều ảnh hưởng đến tốc độ tăng trưởng của chúng. Hình 3.14 Một số động vật nguyên sinh trong xử lý nước thải Hình 3.15 Amoeba Hình 3.16 Peritrichia (chủng cĩ mao) Hình 3.17 Carchesium Polypinum Hình 3.18 Vorticella Convallaria Hình 3.19 Holotrichate (chủng cĩ mao) * Tảo (Algae) Tảo là sinh vật sống trong mơi trường nước, chủ yếu là ở tầng mặt để cĩ thể sử dụng năng lượng mặt trời trong quang hợp (do chứa diệp lục tố chlorophyll). Chúng cĩ nhiều hình dạng và kích thước khác nhau. Mặc dù chúng khơng phải là sinh vật gây hại, nhưng chúng cĩ thể gây ra một số vấn đề trong quá trình xử lý nước thải. Tảo phát triển làm cho nước cĩ màu sắc, thực chất là màu sắc của tảo. • Tảo xanh Aphanizomenon blosaquae, Anabaena microcistic ... làm cho nước cĩ màu xanh lam. • Tảo Oscilatoria rubecens làm cho nước ngả màu hồng. • Khuê tảo (Melosira, Navicula) làm cho nước cĩ màu vàng nâu. Chrisophit làm cho nước cĩ màu vàng nhạt. Tảo phát triển cịn gây cho nước cĩ nhiều mùi khĩ chịu, như mùi cỏ, mùi thối, … * Nấm Là một loại vi sinh, phần lớn là dạng lơng tơ hồn tồn khác với các dạng của vi khuẩn. Nĩi chung, vi sinh dạng nấm cĩ kích thước lớn hơn vi khuẩn và khơng cĩ vai trị trong giai đoạn phân hủy ban đầu các chất hữu cơ trong quá trình xử lý nước thải. Mặc dù nấm cĩ thể sử dụng các vật chất hữu cơ tan trong mối quan hệ cạnh tranh với các vi khuẩn, nhưng chúng dường như khơng cạnh tranh tốt trong quá trình sinh trưởng lơ lửng ở điều kiện bám dính, trong mơi trường bình thường, và vì vậy khơng tạo thành sự cân đối trong hệ thống vi trùng học. Nĩi cách khác, khi cung cấp khơng đủ oxy và nito, hoặc khi pH quá thấp, nấm cĩ thể sản sinh nhanh, gây ra các vấn đề ảnh hưởng tương tự như các vi khuẩn dạng sợi. Hình 3.20 Sphearotilus natans * Virus Virus là một dạng đặc biệt chưa cĩ cấu trúc cơ thể cho nên chưa được kể đến trong số 200.000 lồi vi sinh vật nĩi trên. Số virus đã được đặt tên là khoảng 4.000 lồi. Virus là một dạng sống khá đơn giản, với cấu tạo chung là cĩ một nhân ở giữa mang vật chất di truyền và bao quanh là lớp vỏ protein. Chúng sinh trưởng bằng cách tấn cơng vào tế bào của các vật chủ (động vật, thực vật, vi khuẩn, …) và sinh sơi nảy nở trong tế bào các vật chủ này. Virus cĩ nhiều dạng: dạng que mảnh dài, dạng trịn đối xứng khơng đều, và dạng đa diện. Sự hiện diện của virus trong nước thải sẽ cĩ ảnh hưởng khơng tốt cho quá trình xử lý. Hình 3.21 Một số hình dạng của Virus 3.3.2.3 Archaea (cổ khuẩn) Cổ khuẩn là nhĩm vi sinh vật cĩ nguồn gốc cổ xưa. Khác với vi khuẩn, lipid của màng tế bào Archaea chứa liên kết ether giữa acid béo và glycerol, trong đĩ 2 loại lipid chính là glycerol diether và diglycerol tetraether. Archeae cịn chứa một lượng lớn acid béo khơng phân cực. Archaea cĩ phương thức biến dưỡng đa dạng, tự dưỡng hoặc dị dưỡng cacbon, và cĩ thêm phương thức biến dưỡng mới dẫn đến sự tạo thành methane. Chúng bao gồm các nhĩm vi khuẩn cĩ thể phát triển được trong các mơi trường cực đoan (extra), chẳng hạn như: nhĩm ưa mặn (Halobacteriales) hiện diện trong các mơi trường cĩ nồng độ muối cao, khơng tăng trưởng được khi nồng độ muối thấp hơn 1,5M, tăng trưởng được ở nồng độ muối bão hịa; nhĩm ưa nhiệt (Thermococcales, Thermoproteus, Thermoplasmatales) thường hiện diện trong những đống thải than đá tự phát nhiệt; nhĩm kỵ khí sinh mêtan (Methanococcales, Methanobacteriales, Methanomicrobiales); và nhĩm vi khuẩn lưu huỳnh ưa nhiệt (Sulfobales, Desulfurococcales). Những nghiên cứu gần đây cho thấy Archaea ngày càng cĩ mặt nhiều trong các loại mơi trường sống khác nhau, đặc biệt là quá trình kỵ khí trong xử lý nước thải bằng phương pháp sinh hĩa, chúng đĩng vai trị khá quan trọng trong việc tạo ra CH4. 3.4 SỰ TĂNG TRƯỞNG CỦA TẾ BÀO VI SINH VẬT Sự sinh trưởng của vi sinh vật là quá trình sinh sản (tăng số lượng, kích thước tế bào) và tăng sinh khối (tăng trọng lượng) quần thể vi sinh vật. Hiệu quả của sự dinh dưỡng (đồng thời là sự giảm BOD, COD, TOC ...) là quá trình tổng hợp các bộ phận của cơ thể tế bào và sự tăng sinh khối. Tất cả những biến đổi về hình thái, sinh lý trong cơ thể được tổng hợp thành khái niệm “Phát triển”. Trong quá trình xử lý nước thải sự sinh trưởng cũng là sự tăng số lượng tế bào và sự thay đổi kích thước tế bào được phản ánh qua sự tăng sinh khối của vi sinh vật. Tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật phụ thuộc vào điều kiện bên ngồi, đặc tính sinh lý và trạng thái tế bào. Vi sinh vật sinh sản chủ yếu bằng cách phân đơi tế bào. Thời gian để tăng gấp đơi số lượng vi sinh vật tối thiểu được gọi là thời gian sinh trưởng/ thời gian thế hệ thường là 20 phút cĩ khi đến vài ngày. Khi các chất dinh dưỡng cạn kiệt, pH và nhiệt độ… của mơi trường thay đổi ra ngồi các trị số tối ưu thì quá trình sinh sản bị dừng lại. Phương pháp sinh học xử lý nước thải nhân tạo trong điều kiện tĩnh, điều kiện động là dựa vào cơ sở lý luận đã được nghiên cứu từ quá trình nuơi cấy tĩnh hoặc nuơi cấy liên tục vi sinh vật. [8] 3.4.1 Nuơi cấy tĩnh/ nuơi cấy theo mẻ. Đây là phương pháp mà trong suốt thời gian nuơi cấy khơng thêm chất dinh dưỡng cũng như khơng loại bỏ các sản phẩm cuối cùng của quá trình trao đổi chất. Sự sinh trưởng/ sự tăng sinh khối của vi sinh vật biểu thị bằng lượng bùn hoạt tính X (mg/lit) theo thời gian t được biểu diễn bằng đường cong abcdefg mơ tả trên hình 1.7 chia làm 5 vùng khác nhau. Hình 3.22 : Đường cong sinh trưởng của vi sinh Vùng 1: Giai đoạn làm quen/ pha tiềm phát/ pha lag. Pha lag bắt đầu từ lúc nuơi cấy đến khi vi sinh vật bắt đầu sinh trưởng. Trong pha này nồng độ bùn X= X0 (X0 là sinh khối ở thời điểm t = 0 giây). Tốc độ sinh trưởng: rg = dX/dt = 0. Gần cuối giai đoạn này tế bào vi sinh vật mới bắt đầu sinh trưởng tức tăng về kích thước, thể tích và trọng lượng do tạo ra Protein, Axit Nucleic, men Proteinaza, Amilaza nhưng chưa tăng về số lượng Vùng 2: Giai đoạn sinh sản theo cách phân đơi tế bào (theo cấp số nhân)/ giai đoạn lũy tiến hay pha sinh trưởng logarit/ pha số mũ (Pha log). Trong pha log chất dinh dưỡng đáp ứng đầy đủ cho vi sinh vật sinh trưởng và phát triển theo luỹ thừa. Sinh trưởng và sinh sản đạt mức độ cao nhất. Sinh khối và khối lượng tế bào tăng theo phương trình: N = N0 x 2n (n là số lần phân chia tế bào của N0 tế bào ban đầu). Tốc độ sinh trưởng tăng tỷ lệ thuận với X (từ đĩ cĩ đường cong hàm mũ) theo phương trình: rg = dX/dt = µ .X (3.1) Trong đĩ rg là tốc độ sinh trưởng Vi sinh vật (mg/l.s); X là nồng độ sinh khối/ nồng độ bùn (mg/l); µ là hằng số tốc độ sinh trưởng hay tốc độ sinh trưởng riêng Vi sinh vật(1/s). Đường cong cho thấy sinh khối của bùn cĩ xu hướng tăng theo cấp số nhân (đoạn a-b) thuộc pha tiềm phát và pha sinh trưởng logarit. Trong pha sinh trưởng logarit tốc độ phân đơi tế bào trong bùn sẽ điều hịa đạt giá trị tối đa. Phần giữa của đường cong (e-f) tốc độ sinh trưởng gần như tuyến tính với nồng độ sinh khối tương ứng với nồng độ chất dinh dưỡng dư thừa. Vùng 3: Giai đoạn sinh trưởng chậm dần/ pha sinh trưởng chậm dần. Trong giai đoạn này (f- c) chất dinh dưỡng trong mơi trường đã giảm sút và bắt đầu cạn kiệt cùng với sự biến mất của một hay vài thành phần cần thiết cho sự sinh trưởng hoặc do mơi trường tích tụ các sản phẩm ức chế vi sinh vật được sinh ra trong quá trình chuyển hố chất trong tế bào ở pha log. Sự sinh sản của vi sinh vật dần đạt tới tiệm cận tùy thuộc vào sự giảm nồng độ chất dinh dưỡng. X tiếp tục tăng nhưng tốc độ sinh trưởng giảm dần dần khi chuyển dần dần từ pha sinh trưởng sang pha ổn định và đạt mức cân bằng ở cuối pha. Vùng 4: Giai đoạn sinh trưởng ổn định/ pha ổn định. Chất dinh dưỡng trong pha này cĩ nồng độ thấp, nhiều sản phẩm của quá trình trao đổi chất được tích luỹ. X đạt tối đa, số lượng tế bào đạt cân bằng. Sự sinh trưởng dừng lại, cường độ trao đổi chất giảm đi rõ rệt (c- d). Vùng 5: Giai đoạn suy tàn/ pha suy vong/ pha oxi hố nội bào. Phần đường cong (d-g) biểu thị sự giảm sinh khối bùn bởi quá trình tự oxy hĩa diễn ra. Trong pha này số lượng tế bào cĩ khả năng sống giảm theo luỹ thừa, các tế bào bị chết và tỷ lệ chết cứ tăng dần lên mà nguyên nhân là chất dinh dưỡng đã quá nghèo hoặc đã hết, sự tích luỹ sản phẩm trao đổi chất cĩ tác động ức chế và đơi khi tiêu diệt cả vi sinh vật. Các tính chất lý, hố mơi trường thay đổi khơng cĩ lợi cho tế bào, các tế bào “bị già và bị chết” một cách tự nhiên... Quá trình nuơi cấy tĩnh vi sinh vật được ứng dụng trong cơng nghệ xử lý nước thải ở điều kiện tĩnh và hoạt hố bùn. Đường cong sinh trưởng của vi sinh vật (bùn) theo thời gian đều đúng cho cả 2 mơi trường hiếu khí và kỵ khí. Giá trị các thơng số của quá trình phụ thuộc vào các lồi vi sinh vật, hàm lượng cơ chất, nhiệt độ và độ pH mơi trường mà vi sinh vật sống trong đĩ. 3.4.2 Nuơi cấy liên tục/ dịng liên tục. Ngược với nuơi cấy tĩnh, nuơi cấy liên tục là phương pháp mà trong suốt thời gian nuơi cấy liên tục cho thêm các chất dinh dưỡng mới vào và tiến hành loại bỏ các sản phẩm cuối cùng của quá trình trao đổi chất ra khỏi mơi trường nuơi cấy. Do đĩ vi sinh vật luơn luơn ở trong điều kiện ổn định về chất dinh dưỡng cũng như sản phẩm trao đổi chất và tốc độ sinh sản phụ thuộc tốc độ cung cấp chất dinh dưỡng. Quá trình nuơi cấy liên tục, tốc độ sinh trưởng rg được biểu thị bằng phương trình: rg= dX/dt = (µ–D). X (3.2) Trong đĩ X là nồng độ sinh khối ban đầu/ nồng độ bùn (mg/l); µ là hằng số tốc độ sinh trưởng (1/s). Hệ số pha lỗng D = F/V; F là tốc độ cung cấp dinh dưỡng cho mơi trường (ml/h); V là thể tích mơi trường (ml). Từ (1.2) thấy rằng khi µ > D thì dX/ dt > 0, mật độ vi sinh vật tăng. Khi µ < D thì dX/ dt < 0, mật độ vi sinh vật giảm. Khi µ = D thì dX/dt = 0, mật độ vi sinh vật ở trạng thái cân bằng động học khơng tăng khơng giảm theo thời gian. Quá trình nuơi cấy liên tục vi sinh vật được ứng dụng trong cơng nghệ xử lý nước thải ở điều kiện động. 3.5 CHỈ THỊ VI SINH VẬT TRONG CÁC CƠNG TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI Các vi sinh vật dùng trong xử lý nước thải gồm nhiều loại khác nhau như: vi khuẩn, nấm, tảo, nguyên sinh động vật, và động thực vật. Tùy theo cơng nghệ xử lý mà người ta cĩ thể sử dụng nhĩm này hay nhĩm khác. 3.5.1 Vi sinh vật lên men kỵ khí Nhiều nghiên cứu cho thấy cĩ rất nhiều loại vi sinh vật tham gia vào quá trình phân huỷ chất hữu cơ ở điều kiện kỵ khí: [8], [15] - Giai đoạn thuỷ phân: Hydratcacbon, Protein, Lipit thành các Monome để cĩ thể hấp thụ qua màng tế bào bởi các vi sinh vật kị khí tùy tiện cĩ chứa các hệ men ngoại bào như Proteaza, Lipaza, Cellulaza… Các Vi sinh vật này rất phổ biến và phát triển nhiều trong tự nhiên trong đĩ cĩ cả nhĩm vi khuẩn E.coli và B.subtilus. - Giai đoạn lên men axit: Nhĩm khuẩn, nấm mốc và Protozoa khơng tạo CH4 thực hiện việc lên men axit các sản phẩm thủy phân thành các axit hữu cơ đơn giản. Trong 3 nhĩm vi khuẩn hiếu khí, kỵ khí tuyệt đối và kỵ khí tuỳ tiện thì vi khuẩn kỵ khí tuỳ tiện là nhĩm tạo axít chủ yếu. Thường gặp nhất là những vi khuẩn kỵ khí tuỳ tiện phân huỷ Protit và vi khuẩn Amon hố Axit amin cĩ thể kể đến là Clostridium spp; Lactobacillus spp; Desulfovibrio spp; Corynebacterium spp; Actinomyces; Staphylococcus; Escherichia coli. Vài lồi vi khuẩn hiếu khí cũng tham gia vào giai đoạn đầu của quá trình lên men kỵ khí axít như lồi Pseudomonas, Flavobacterium, Alcaligenes, Micrococcus, Sarcinavulgaris, Escherichia coli. Trong bể phân huỷ kỵ khí cịn thấy sự cĩ mặt các vi khuẩn khử sunfat như Desulfovibrio, các vi khuẩn phân huỷ Protit tạo Hidrosunfua. Nhiều loại nấm mốc như Penicillium, Fusarium, Mucor… các Protozoa cũng tham gia vào quá trình lên men axít. Nhưng nhìn chung trong giai đoạn này vi khuẩn kỵ khí đĩng vai trị chủ yếu cịn vi khuẩn hiếu khí, nấm mốc, Protozoa chỉ đĩng vai trị thứ yếu. - Giai đoạn lên men kiềm: Các Axit béo dễ bay hơi và các sản phẩm trung gian sẽ tiếp tục phân hủy thành CH4 và CO2 làm cho mơi trường trở nên kiềm hố. Trong giai đoạn chuyển từ lên men axit sang lên men kiềm các Vi sinh vật hiếu khí bị tiêu diệt dần dần và hồn tồn. Các vi sinh vật kỵ khí bắt buộc phát triển mạnh và vi khuẩn Metan phát triển rất mạnh. Ở giai đoạn này các vi khuẩn Metan đĩng vai trị chủ yếu trong sự phân huỷ tiếp các hợp chất hữu cơ. Đây là loại vi khuẩn kỵ khí tuyệt đối và rất khĩ phân lập. Các vi khuẩn Metan hiện đã được phân lập là Methanobacterium, Methanosacrina, Methanococcus, Methanobrevibacter, Methanothrix. Các loại vi khuẩn CH4 khác nhau chỉ cĩ thể sử dụng một số chất nền nhất định trong mơi trường khác nhau làm nguồn dinh dưỡng. 3.5.2 Vi sinh vật lên men hiếu khí: 3.5.2.1 Tác nhân sinh trưởng lơ lửng: Hệ vi sinh vật trong các quá trình này bao gồm tất cả các loại vi khuẩn và các Eucarya cực nhỏ, cĩ thể được phân thành 5 nhĩm chính: các sinh vật dạng bọt khí, thực vật hoại sinh, các vi khuẩn nitrat hĩa, động vật ăn thịt và các sinh vật gây hại.[2], [8], [15] - Các sinh vật dạng bọt khí: cĩ vai trị rất quan trọng trong quá trình chuyển hĩa sinh học với tác nhân sinh trưởng lơ lửng, bởi vì nếu khơng cĩ chúng thì sinh khối khơng thể được phân chia từ quá trình xử lý nước thải hay các chất ơ nhiễm hữu cơ dạng keo khơng thể bị đào thải. Các vi sinh vật được phân vào nhĩm sinh vật dạng bọt khí là các động vật nguyên sinh và nấm, chúng làm cho các vi khuẩn kết bơng lại. Tuy nhiên, các sinh vật dạng bọt khí chiếm ưu thế nhìn chung vẫn là các vi khuẩn, trong đĩ Zooglea ramigera đĩng vai trị khá quan trọng. - Saprophytes (thực vật hoại sinh): là các vi sinh vật cĩ khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ. Đây là các vi khuẩn dị dưỡng đầu tiên và hầu hết chúng được xem là các sinh vật dạng bọt. Saprophytes cũng cĩ thể được chia thành 2 loại: phân hủy sơ cấp và thứ cấp. Lồi Saprophytes chủ yếu là các vi khuẩn gram âm, ngồi ra cịn cĩ Achorombacter, Alcaligenes, Bacillus, Flavobacterium, Micrococcus, và Pseudomonas. - - Các vi khuẩn Nitrat hĩa: thực hiện quá trình chuyển hĩa N-NH3 sang dạng N- NO3 , và cĩ thể được thực hiện bởi cả hệ sinh vật dị dưỡng và tự dưỡng. Quá trình nitrat hĩa trong hệ thống xử lý nước thải thường được xem là do các vi khuẩn tự dưỡng, đầu tiên cĩ thể kể đến là lồi Nitrosomonas và Nitrobacter. Nitrosomonas oxy hĩa N-NH3 sang dạng N-NO3- với sản phẩm trung gian là tập đồn thủy tức, trong khi đĩ Nitrobacter oxy hĩa N-NH3 trực tiếp sang dạng N-NO3- . - Lồi động vật ăn thịt: chính trong quá trình chuyển hĩa sinh học với tác nhân sinh trưởng lơ lửng là các động vật nguyên sinh (protozoa), thức ăn chính của chúng là các vi khuẩn. Cĩ khoảng 230 lồi đã được xác định là cĩ tham gia vào quá trình xảy ra trong bùn hoạt tính và chúng cĩ thể tạo ra khoảng 5% sinh khối trong hệ thống. Những lồi cĩ roi thường là các động vật nguyên sinh chiếm ưu thế, cả về số lượng lẫn khối lượng sinh khối. Trong một số trường hợp, cả amip và lồi cĩ roi cĩ thể hiện diện với số lượng rất nhỏ, nhưng chúng vẫn đĩng vai trị hết sức quan trọng cho quá trình lắng đọng và ổn định hệ thống. - Các vi sinh vật gây hại: Trong quá trình chuyển hĩa sinh học với tác nhân sinh trưởng lơ lửng, vấn đề phát sinh nhiều nhất là việc loại bỏ sinh khối từ nước thải đã qua xử lý, nguyên nhân chính là do các vi khuẩn dạng sợi và các loại nấm. Các vi khuẩn dạng sợi tồn tại với số lượng nhỏ là điều rất tốt, giúp ổn định các phân tử bọt, nhưng nếu số lượng quá lớn thì lại là điều khơng tốt. Lồi vi khuẩn tiêu biểu là Sphaerotilus natans. Một tác nhân gây hại nữa trong sinh trưởng lơ lửng là việc thừa lượng bọt trong hệ thống. Điều này gây ra trước hết là do lồi vi khuẩn Nocardia và các lồi Microthrix pavicella. Vì Nocardia và Microthrix pavicella là các tế bào khơng ưa nước trên bề mặt, chúng tạo ra các bong bĩng trên mặt nước nơi chúng ở, vì vậy tạo nên các bọt khí và gây ra hiện tượng dư bọt. Các tác động này cũng xảy ra tương tự ở những vùng thiếu oxy trong hệ thống sinh trưởng lơ lửng kéo theo sự gia tăng của vi khuẩn khử nitrat hĩa. Quá trình này cĩ thể được hồn thành bởi một số lượng lớn các lồi vi khuẩn tìm thấy trong hệ thống xử lý nước, bao gồm: Achromobacter, Aerobacter, Alcaligenous, Bacillus, Flavobacterium, Micrococcus, Proteus, và Pseudomonas. 3.5.2.2 Tác nhân sinh trưởng bám dính: Các vi khuẩn tạo thành bazo từ chuỗi thức ăn thơng qua hoạt động của vật chất hữu cơ trong nước thải đã được xử lý. Các chất hịa tan tăng lên một cách nhanh chĩng trong khi các phân tử chất keo bị sụt giảm tạo thành các lớp sền sệt. Tại đĩ, chúng trải qua quá trình gắn kết với enzym ngoại bào, giải phĩng một lượng nhỏ phân tử mà chúng chuyển hĩa được. Hệ vi khuẩn gồm cĩ các thực vật hoại sinh sơ cấp và thứ cấp, giống như trong hệ thống tác nhân sinh trưởng lơ lửng, bao gồm các lồi: Achromobacterium, Alcaligenes, Flavobacterium, Pseudomonas, Sphaerotilus và Zooglea. Tuy nhiên, khơng hồn tồn giống như trong hệ thống tác nhân sinh trưởng lơ lửng, sự phân bố các lồi này cĩ thể thay đổi vị trí trong các phản ứng. Tác nhân tăng trưởng bám dính cũng bao gồm vi khuẩn nitrat hĩa, như các lồi Nitrosomonas và Nitrobacter, với xu hướng được phát hiện ở những vùng của các tầng cĩ nồng độ các chất hữu cơ lơ lửng thấp. Vi sinh vật hiện diện trong hệ thống bùn hoạt tính: Thành phần của vi sinh vật hiện diện trong hệ thống bùn hoạt tính chứa 70-90% chất hữu cơ; 10-30% chất vơ cơ. Vi khuẩn, nấm, protozoa, rotifer, metazoa hiện diện trong hệ thống bùn hoạt tính. Vi khuẩn: chiếm ưu thế (90%) trong hệ thống xử lý. Sự phát triển của vi khuẩn phụ thuộc điều kiện mơi trường, các yếu tố về thiết kế, vận hành hệ thống và tính chất của nước thải. Vi khuẩn cĩ kích thước trung bình từ 0,3 – 1 m. Trong hệ thống bùn hoạt tính cĩ sự hiện diện của vi khuẩn hiếu khí tuyệt đối, vi khuẩn tùy nghi và vi khuẩn kị khí. Một số vi khuẩn dị dưỡng thơng trường trong hệ thống bùn hoạt tính gồm cĩ: Achromobacter, Alcaligenes, Arthrobacter, Citromonas, Flavobacterium, Pseudomonas, and Zoogloea. (Jenkins, et al., 1993). Hai nhĩm vi khuẩn chịu trách nhiệm cho việc chuyển hĩa amonia thành nitrat là: vi khuẩn nitrobacter và nitrosomonas. Nấm: là cấu tử thuộc hệ thống bùn hoạt tính. Các vi sinh vật đa bào này tham gia vào quá trình trao đổi chất và cạnh tranh với vi khuẩn trong mơi trường hoạt động. Chỉ cĩ một lượng nhỏ nấm cĩ khả năng oxy hĩa NH3 thành nitrit và nitrat. Các loại nấm thơng thường là: Sphaerotilus natans và Zoogloea sp (Curtis, 1969). Protozoa: Là vi sinh vật cĩ kích thước 10 – 100 micron được phát hiện trong hệ thống bùn hoạt tính. Đây là nhĩm vi sinh vật chỉ thị cho hoạt động của hệ thống xử lý nước thải. Trong hệ thống bùn hoạt tính, protozoan được chia làm 4 nhĩm chính: Protozoa; amoebae, flagellates, and ciliates (dạng bơi tự do, dạng bị trườn, dạng cĩ tiêm mao). - Amoebae: thường xuất hiện trong nước thải đầu vào, nhưng khơng tồn tại lâu tại các bể hiếu khí. Amoebae chỉ sinh trưởng nhanh trong các bể hiếu khí cĩ tải cao. Chúng di chuyển chậm và khĩ cạnh tranh thức ăn, nhất là khi nguồn thức ăn bị hạn chế nên chúng chỉ chiếm ưu thế tại các bể hiếu khí trong một khỗng thời gian ngắn. Thức ăn của Amoebae là các chất hữu cơ kích thước nhỏ. Hệ thống bùn hoạt tính xuất hiện nhiều amoebae chứng tỏ đang bị sốc tải . Khi đĩ DO thấp (amoebae tồn tại được trong mơi trường cĩ DO rất thấp). - Flagellates: Ngay sau khi amoebae bắt đầu biến mất, nhưng nước thải vẫn cịn chứa hàm lượng hữu cơ cao, thì flagellates xuất hiện. Phần lớn Flagellates hấp thu các chất dinh dưỡng hồ tan. Cả flagellates và vi khuẩn đều sử dụng các chất hữu cơ làm nguồn thức ăn. Tuy nhiên, khi thức ăn giảm Flagellates khĩ cạnh tranh thức ăn với vi khuẩn nên giảm số lượng. Nếu Flagellates xuất hiện nhiều ở giai đoạn ổn định chứng tỏ nước thải vẫn cịn chứa một lượng đáng kể các chất hữu cơ hịa tan. - Ciliates: Thức ăn của ciliates là vi khuẩn và các chất đặc trưng. Ciliate cạnh tranh nguồn thức ăn với rotifer. Sự hiện diện của ciliates chứng tỏ bùn hoạt tính tốt, đã tạo bơng và phần lớn các chất hữu cơ đã được loại bỏ. Cĩ 3 loại Ciliate: Các Ciliate bơi tự do xuất hiện khi flagellate bắt đầu biến mất, số lượng vi khuẩn tăng cao; chính vi khuẩn là nguồn thức ăn của các ciliate bơi tự do này. Các lồi Ciliate trườn, bị: khi kích thước bùn lớn và ổn định, lồi ciliate này chui vào trong bùn, cạnh tranh thức ăn với loại ciliate bơi tự do là nhờ vào khả năng này. Các lồi Ciliate cĩ tiêm mao: xuất hiện ở bùn đã rất ổn định, trong các loại bùn này thì chúng và các lồi ciliate trườn, bị cạnh tranh nhau về thức ăn. Ciliates hiện diện trong hệ thống bùn hoạt tính là aspidisca costata; Carchesium polypinum, Chilodonella uncinata, Opercularia coarcta and O. microdiscum, Trachelophyllum pusillum, Vorticella convallaria and V. microstoma. (Curds and Cockburn, 1970). Ciliates cĩ nhiệm vụ loại bỏ Escherichia coli bằng cách ăn hoặc tạo cụm. Trong thực tế, bùn hoạt tính cĩ thể khử 91-99% E.Coli. - Rolifer: là động vật đa bào cĩ hai bộ tiêm mao chuyển động xoay trịn, làm cho hình dạng của chúng như hai bánh xe xoay đối nhau. Chúng di động nhanh trong nước, cĩ khả năng xáo trộn mạnh nguồn nước tìm nguốn thức ăn, giống protozoa. Đây là vi sinh vật hiếu khí tuyệt đối, khá nhạy cảm với độc tính của nước thải. Chúng thường xuất hiện trong hệ thống bùn hoạt tính đã ổn định, nước cĩ hàm lượng hữu cơ thấp. Rotifer hiếm khi được phát hiện với số lượng lớn trong các hệ thống xử lý nước thải. Vai trị chính của rotifer là loại bỏ vi khuẩn và kích thích sự tạo bơng của bùn. Chính rotifer sử dụng vi khuẩn khơng tạo bơng, làm giảm độ đục của nước thải. Các màng nhầy được rotifer tiết ra ở miệng và chân giúp bùn kết bơng dễ dàng. Rotifer cần thời gian khá dài để thích nghi trong quá trình xử lý. Virus cũng được phát hiện trong hệ thống bùn hoạt tính và việc loại bỏ virus nhờ cơ chế đối kháng sinh học, sự hấp phụ, quá trình khử các chất lơ lững, các chất keo, quá trình thổi khí,…. Vi sinh vật trong thiết bị lọc sinh học nhỏ giọt: Theo những nghiên cứu của S. Winogradsly (1890), sau khi quan sát dưới kính hiển vi lớp màng lọc trong bể lọc sinh học nhỏ giọt, đã tìm thấy rất nhiều vi khuẩn zoogleal, các vi khuẩn hình que, vi khuẩn hình sợi, nấm sợi, protozoa và một số động vật bậc cao. Một trong những nghiên cứu nhằm ước lượng các loại vi khuẩn trong hệ thống lọc sinh học nhỏ giọt được tiến hành bởi M. Hotchkiss năm 1923. Kết quả là đã tìm thấy nhiều loại vi khuẩn khác nhau ở các độ sâu khác nhau trong bể lọc. Các nhĩm vi khuẩn bao gồm: vi khuẩn khử nitrat, sulfat tạo thành từ protein, phân hủy albumin, khử sulfat, oxy hĩa sulfit, … Một lượng lớn vi khuẩn nitrat phân bố ở phần trên của bể và ở độ sâu khoảng 1,6m; cĩ rất ít vi khuẩn khử nitrat được phát hiện ở độ sâu từ 0,3 – 1m; sulfit được tạo thành từ các protein nhiều nhất là ở độ sâu 0,3m và giảm dần qua lớp lọc; khử sulfat cao nhất là ở bề mặt và oxy hĩa sulfua nhiều nhất ở độ sâu 1,6m; các dạng nitrit gia tăng theo độ sâu và cĩ số lượng lớn hơn các dạng nitrat. Năm 1925, S. L. Neave và A. M. Buswell đã tiến hành những thí nghiệm tiếp theo và tìm thấy một số chủng vi khuẩn: phân hủy pepton, phân hủy gelatin, dạng nitrat, dạng nitrit, và khử nitrat. Cĩ thể nhận thấy rằng, các vi khuẩn phân hủy hiện diện nhiều nhất ở phần trên của bể lọc và các vi khuẩn oxy hĩa cĩ nhiều ở tầng dưới bể lọc. Protozoa là lồi được tìm thấy nhiều nhất trong hệ thống này: Sarcodina, Mastigophera, Suctoria, Psychoda,… R. H. Holtje (1943) đã đưa ra bảng tĩm tắt các vi sinh vật hiện diện trong bể lọc sinh học nhỏ giọt. Lồi vi khuẩn đầu tiên phát hiện được là dạng vi khuẩn zoogleal với các vi khuẩn nitrat hĩa xảy ra trong hệ thống lọc sinh học thấp tải. Vi khuẩn dạng sợi dễ dàng phát hiện hơn vi khuẩn zoogleal, bao gồm Beggiatoa và Sphaerotilus. Beggiatoa dễ dạng phát hiện khi chúng là các vi khuẩn oxy hĩa sulfua dạng sợi. Các loại nấm thơng thường là Fusarium và Leptomitus. Ngồi ra cịn cĩ tảo lục, Stigeoclonium, và tảo xanh lục, Oscillatoria. Các lồi nấm thường xuất hiện ở trên bề mặt của bể lọc nơi cĩ ánh sáng. Protozo Amip, Protozoa flagellated, Protozoa cĩ mao bơi tự do, Protozoa cĩ mao dạng thân, được tìm thấy ở những phần khác nhau trong bể lọc. Bảng tĩm tắt một số giống vi khuẩn chính cĩ trong bùn hoạt tính và chức năng chính của chúng khi tham gia xử lý nước thải. Bảng 3.2 : Một số giống chính vi khuẩn và chức năng của chúng STT Vi khuẩn Chức năng 1 Pseudomonas Phân huỷ Hiđrat cacbon, Protein, các chất hữu cơ … và phản Nitrat 2 Arthrobacter Phân huỷ Hiđrat cacbon 3 Bacillus Phân huỷ Hiđrat cacbon, Protein … 4 Cytophaga Phân huỷ các Polime 5 Zooglea Tạo thành chất nhầy (Polisaccarit), chất keo tụ 6 Acinetobacter Tích luỹ Poliphosphat, phản Nitrat 7 Nitrosomonas Nitrit hố 8 Nitrobacter Nitrat hố 9 Sphaerotilus Sinh nhiều tiêu mao, phân huỷ các chất hữu cơ 10 Alkaligenes Phân huỷ Protein, phản Nitrat hố 11 Flavobacterium Phân huỷ Protein 12 Nitrococus denitrificans Phản Nitrat hố (khử nitrat thành N2) 13 Thiobaccillus denitrificans Phản Nitrat hố (khử nitrat thành N2) 14 Acinetobacter Phản Nitrat hố (khử nitrat thành N2) 15 Hyphomicrobium Phản Nitrat hố (khử nitrat thành N2) 16 Desulfovibrio Khử sulfat, khử nitrat Nguồn: Nguyễn Phước Hịa, 2006. 3.5.3 Vi sinh vật trong các hồ ổn định: H. F. Ludwig et al., 1951 đã xác định các vai trị của tảo trong hệ thống các hồ ổn định. Những nghiên cứu ban đầu đã chỉ ra rằng Euglena gracilis, một loại tảo lục cĩ thể di chuyển được và Cholerella pyrenoidosa, loại tảo lục khơng di chuyển, rất thường thấy trong các hồ ổn định ở California. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng các vi khuẩn đã chuyển hĩa các hợp chất hữu cơ trong nước thải cùng với việc tạo thành CO2 để tảo sử dụng cho việc tổng hợp các tế bào của chúng. Năm 1953, P. C. Silva và G. F. Papenfus tiến hành nghiên cứu trên 8 hồ ổn định và nhận thấy, Euglena, Chlorella, Chlamydomonas, Chlorogonium và Scenedesmus là các lồi tảo lục phổ biến nhất. Lồi tảo xanh lục gồm: Oscillatoria, Anabaena, và Microcystis. Và lồi tảo cát phổ biến là Navicula. Một nghiên cứu khác của Gann et al., cũng chỉ ra rằng các lồi vi khuẩn phổ biến trong hồ ổn định thường là các vi khuẩn đất: Achromobater, Flavobacterium và Bacillus. Sự tăng trưởng của các vi khuẩn và Chlorella sẽ kích thích sự tăng trưởng của Protozoa cĩ mao bơi tự do: Paramecium, Glaucoma và Colpidium, dưới điều kiện hiếu khí. Protozoa crawling, Euplotes, và Protozoa cĩ mao cĩ thân, Vorticella, cũng cĩ thể được tìm thấy với số lượng lớn trong các hồ ổn định. Các Roftifer: Epiphanes, Philodina và Proales cũng cĩ thể tăng trưởng trong mơi trường hiếu khí. Các lồi giáp xác: Moina, và Daphnia cĩ thể xuất hiện với số lượng lớn vào mùa xuân và cĩ thể loại bỏ hồn tồn một lượng lớn các lồi tảo ra khỏi hồ. Diaptomus và Cyclops cũng được tìm thấy với số lượng khác nhau. 3.6 ỨNG DỤNG Các vi sinh vật đĩng gĩp rất nhiều vào các lĩnh vực và các ngành kinh tế khác nhau: thực phẩm, hĩa chất, y học, nơng nghiệp, khai thác nguyên liệu, bảo vệ mơi trường.[18] 3.6.1 Thực phẩm Ngồi các loại nước uống cĩ cồn, các sản phẩm chế biến từ sữa, ngày nay người ta chú ý nhiều đến sử dụng vi sinh vật để sản xuất các loại protein đơn bào, các acid amin, các loại gia vị, các loại thức uống cĩ cồn và nước uống khơng cồn, các loại enzym chế biến thực phẩm. 3.6.2 Nơng nghiệp Một trong những ứng dụng quan trọng của vi sinh vật trong nơng nghiệp là bảo vệ thực vật. Phương pháp sinh học bảo vệ thực vật nhằm mục đích phục hồi những loại đối kháng của vi sinh vật gây bệnh dựa trên nguyên tắc nuơi nhân tạo các lồi đối kháng và đưa trở lại thiên nhiên ở những nơi cĩ nhiều lồi gây hại. Ví dự như cĩ thể dùng các vi khuẩn, nấm, virus diệt sâu; dùng vi khuẩn, xạ khuẩn, nấm, bacteriphage diệt các bệnh cây trồng. 3.6.3 Khai thác nguyên liệu Ngày nay người ta sử dụng nhiều phương pháp vi sinh để khai thác các loại quặng nghèo và phân tán mà nếu sản xuất bằng phương pháp thơng thường sẽ khơng cĩ kinh tế. các vi khuẩn thuộc giống Thiobacillus cĩ khả năng oxy hĩa các hợp chất lưu huỳnh thành acid sulfuric, nhờ vậy acid tạo thành hịa tan được đồng hoặc các kim loại khác như kẽm, uranium, cadmium, germani, mangan, molipden, selen, … thành muối sulfat (phương pháp leaching). Từ 1 tấn quặng pyrit cĩ chứa vàng, nhờ vi khuẩn Thiobacillus ferrooxldans cĩ thể cho ta 150 gram vàng nguyên chất. Vi sinh vật cũng được dùng để khai thác dầu mỏ, làm các chất bơi trơn trong các mũi khoan, hoặc dùng trong cơng nghệ lọc dầu. 3.6.4 Bảo vệ mơi trường Vi sinh vật đĩng vai trị quyết định trong bảo vệ mơi trường, chúng giữ các chức năng then chốt trong vịng tuần hồn của các chất trong tự nhiên. Việc tích lũy trong mơi trường ngày càng nhiều những chất do con người tổng hợp ra chưa hề co trong tự nhiên, địi hỏi phải tạo ra các chủng vi sinh vật mới cĩ khả năng phân hủy được các chất đĩ. Hiện nay, phương pháp làm sạch nước thải ngồi việc sử dụng quần thể vi sinh vật cĩ sẵn trong tự nhiên, người ta cịn sản xuất ra các chế phẩm vi sinh để đưa vào các nguồn nước bị ơ nhiễm. Điều đáng quan tâm đặc biệt là các chất khơng bị phân hủy của nước thải cơng nghiệp, trước hết là của cơng nghiệp hĩa học. Để loại trừ những chất lạ này, cần phải lựa chọn những chủng cĩ năng lực mới và mạnh. Trong điều kiện tự nhiên, để hình thành những năng lực mới này địi hỏi một thời gian rất dài vì đĩ là kết quả của hàng loạt các đột biến và chọn lọc tự nhiên. Nhờ các phương pháp di truyền học và vi sinh vật trong một thời gian ngắn cĩ thể tạo được những chủng hoặc những quần thể hỗn hợp các chủng dùng trong lĩnh vực xử lý mơi trường. Trong các thiết bị làm sạch nước thải cơng nghiệp cũng tồn tại một áp lực tiến hĩa cần thiết cho việc duy trì những chủng này. Để làm sạch nước thải một cách triệt để, người ta cĩ thể sử dụng các loại vi tảo để chúng đồng hĩa các chất vơ cơ sinh ra trong quá trình phân hủy các chất hữu cơ, bằng cách tách các tế bào tảo ra khỏi mơi trường sẽ làm cho mơi trường trở nên sạch. Việc phối hợp giữa vấn đề sinh tổng hợp sinh khối với vấn đề làm sạch nước thải sẽ tăng hiệu quả kinh tế của phương pháp. Một phương pháp đã được áp dụng trong thực tế xử lý nước là dùng vi sinh vật để loại bỏ Nitơ vơ cơ nhờ quá trình khử Nitrat. Các vi khuẩn thuộc giống Thiobacillus được dùng để khử các kim loại nặng cĩ trong bùn, như vậy vừa làm sạch được mơi trường vừa thu lại được các kim loại quý. CHƯƠNG 4: XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG VI SINH VẬT TRONG ĐIỀU KIỆN HIẾU KHÍ 4.1 MƠ TẢ QUÁ TRÌNH Trong nước thải sinh hoạt, nước thải của các xí nghiệp chế biến nơng sản, thực phẩm, thuỷ sản, các trại chăn nuơi…rất giàu các chất hữu cơ, gồm 3 nhĩm chất chủ yếu: protein 40 – 50%, hydratcacbon 50% và chất béo 10%. Protein là polymer của các acid amin. Hydratcacbon bao gồm các chất đường, bột và xenlulozơ. Tinh bột và đường rất dễ bị phân huỷ bởi vi sinh vật, cịn xenlulozơ bị phân huỷ muộn hơn và tốc độ phân huỷ cũng chậm hơn rất nhiều. Chất béo ít tan bị vi sinh vật phân giải với tốc độ rất chậm. Trong nước thải cĩ khoảng 20 – 40% hàm lượng các chất hữu cơ khơng bị phân huỷ bởi vi sinh vật. Số lượng các vi sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn, cĩ trong nước thải vào khoảng 105 – 109 tế bào/ml. Các vi sinh vật muốn phân huỷ được các chất hữu cơ trước hết chúng phải cĩ khả năng tiết ra các enzyme tương ứng. Muốn thuỷ phân protein, các vi sinh vật phải tạo ra enzyme proteaza, thuỷ phân tinh bột là các enzyme thuộc họ amilaza, thuỷ phân chất béo là enzyme lipaza…Sản phẩm thuỷ phân là các chất đường đơn, các acid amin, các acid béo… và năng lượng. Đĩ là các sản phẩm cĩ khối lượng phân tử thấp cĩ thể đi qua màng vào bên trong tế bào. Qúa trình này gọi là quá trình phân huỷ ngoại bào hay quá trình thuỷ phân. Các chất này được tiếp tục phân huỷ hoặc chuyển hố thành các chất vật liệu xây dựng tế bào mới. Các quá trình này xảy ra trong tế bào thường gọi là quá trình nội bào, đĩ thực chất là các quá trình oxi hố – khử sinh học (quá trình hơ hấp nội bào). Sản phẩm cuối cùng là CO2 và nước. 4.2 HỐ SINH HỌC CỦA QUÁ TRÌNH PHÂN HUỶ CHẤT HỮU CƠ TRONG ĐIỀU KIỆN HIẾU KHÍ Sự phân giải chất dinh dưỡng và giải phĩng năng lượng của tế bào vi khuẩn (sự dị hố) cĩ thể được chia thành 2 giai đoạn cơ bản: Giai đoạn thuỷ phân (phân huỷ ngoại bào): Quá trình này xảy ra bên ngồi tế bào,các hợp chất cao phân tử dưới sự tác động của các enzyme ngoại bào do vi sinh vật tiết sẽ ra bị thuỷ phân thành các chất đơn giản cĩ khối lượng phân tử nhỏ hơn để cĩ thể đi qua màng vào bên trong tế bào chất. - Hydrocacbon: (tinh bột, glucogen…) quá trình thuỷ phân của chất bột tương đối đơn giản hơn chất đạm, béo, dưới tác dụng của enzyme amilaza tinh bột bị thuỷ phân thành các đường đơn giản, cụ thể theo phương trình sau: + Nếu cĩ nhiều oxy: (C6H10O5)n → n C2H12O6 → 6CO2+ 6H2O + 674 Kcal + Nếu cĩ ít oxy: n(C6H10O5) → n C6H12O6 → 2n C2H5OH + 2n CO2 + 24 Cal Và C2H5OH → CH2COOH Protein: bị thuỷ phân thành các hợp chất đơn giản hơn là các polypeptit, oligopeptit. Các chất này được tiếp tục thuỷ phân thành các acid amin nhờ men peptidaza ngoại bào hoặc được tế bào hấp thụ, sau đĩ được phân huỷ tiếp trong tế bào thành các acid amin. Protein Enzyme phân giải Protein ngoại bào Polypeptide Olygopeptid Peptidaza Acid amin - Lipid: bị thuỷ phân chậm hơn so với hydratcacbon và protein, quá trình thủy phân tiến hành từ từ,dưới tác dụng của enzyme lipase, lipid kết hợp với 1 phân tử nước giải phĩng 1 acid béo rồi kết hợp với phân tử nước thứ hai, thứ ba và giải phĩng acid béo thứ hai rồi thứ ba tạo thành glycerin và các acid béo. CH2OOCR1 CH2OH │ │ CHOOCR2 + H2O → CHOOCR2 + HOOCR1 │ │ CH2OOCR3 CH2OOCR3 CH2OH CH2OH │ │ CHOOCR2 + H2O → CHOH + HOOCR2 │ │ CH2OOCR3 CH2OOCR3 CH2OH CH2OH │ │ CHOH + H2O → CHOH + HOOCR2 │ │ CH2OOCR3 CH2OH Glyxerin Acid béo Giai đoạn thuỷ phân các chất hữu cơ cĩ thể biểu diễn ngắn gọn như sau: Các chất hữu cơ trong nước thải Lipid Hydratcacbon Protein Acid béo Đường đơn Acid amin Hình 4.1 Tiến trình thuỷ phân của vi sinh vật trong nước thải 4.2.2 Giai đoạn oxy hố Quá trình oxi hố – khử do hệ enzyme nội bào xúc tác – Xitocrom và Xitocromoxidaza. Các enzyme oxi hố – khử này gồm cĩ 2 cấu tử: nhĩm chính và nhĩm phụ. Nhĩm phụ - coenzyme, là flavin – adenine – dinucleotid (FAD). Các enzyme này tách H+ ra khỏi phân tử enzyme kết hợp với oxy tạo thành nước, nhờ cĩ oxy và nước mà các phản ứng oxy hố khử giữa các nguyên tử cacbon mới xảy ra được. Hệ thống enzyme này rất quan trọng, vì chúng xúc tác cho các phản ứng oxi hố – khử đảm bảo cho đời sống và phát triển của các vi khuẩn hiếu khí cĩ chuỗi hơ hấp nội bào. Giai đoạn này biến những chất đơn giản thu được sau giai đoạn thuỷ phân thành những chất 2 carbon là acetyl CoA. Acetyl CoA được coi là sản phẩm thối hố của các chất glucid, lipid và protein. Nĩ được hình thành do sự β – oxi hố acid béo, do sự oxy hố của khoảng một nửa số α – amino acid cũng như do sự oxy hố hiếu khí glucose. Acetyl CoA được hình thành ở giai đoạn này sẽ bị oxy hố hồn tồn trong chu trình Krebs (chu trình citrate) để hình thành CO2, H2O và giải phĩng năng lượng. Phần lớn năng lượng được giải phĩng ở giai đoạn này (khoảng 2/3 tổng năng lượng của quá trình). Trong giai đoạn này, khoảng 30 – 40% năng lượng hố học được biến thành nhiệt và hơn 60% năng lượng được sử dụng để tổng hợp các hợp chất cao năng (ATP). Trong chu trình citrate, các hydro tách ra sẽ được oxy hố qua chuỗi hơ hấp để tạo nên năng lượng và H2O. Năng lượng giải phĩng được tích trữ ở các phân tử ATP. Tồn bộ quá trình được minh hoạ bằng sơ đồ trên hình 4.2. Các chất hữu cơ trong nước thải Hydratcacbon Lipid Protein Đường đơn Acid béo Amino acid Acetyl CoA Chu trình Krebs CO2 H2O Năng lượng Pyruvate Hình 4.2 Tiến trình oxy hố sinh học của vi khuẩn 4.3 VI SINH VẬT HỌC CỦA QUÁ TRÌNH PHÂN HUỶ CHẤT HỮU CƠ TRONG ĐIỀU KIỆN HIẾU KHÍ 4.3.1 Các nhĩm vi sinh vật chủ yếu trong giai đoạn thuỷ phân Các nhĩm này được gọi chung là vi khuẩn thuỷ phân, chúng rất đa dạng về chủng loại và cĩ khả năng tiết ra enzyme đặc hiệu để phân huỷ cơ chất trong quá trình phân huỷ các chất hữu cơ khác nhau. Bởi vì những nhĩm vi khuẩn khác nhau thì sinh sản theo các phương thức khác nhau, thời gian tồn tại của tế bào ngắn hoặc dài khác nhau nên hiệu quả phân huỷ thay đổi phụ thuộc vào số lượng vi khuẩn và enzyme đặc hiệu tương ứng với cơ chất. Trong quá trình phân huỷ các hợp chất hữu cơ, để vi sinh vật cĩ thể sử dụng được, chất nền đơn giản phải là chất hồ tan, cĩ cấu trúc đơn giản và dễ dàng đi vào tế bào vi khuẩn. Ví dụ, các chất nền đơn giản như acetate (CH3COOH), ethanol (CH3CH2OH) và glucose (C6H12O6), những chất này cĩ thể bị phân huỷ bởi enzyme nội bào dễ dàng. Bên cạnh đĩ, một số chất nền phức tạp khác là những chất khơng tan được hoặc ít tan, cĩ cấu trúc phức tạp và khơng thể đi vào tế bào vi khuẩn trực tiếp được. Ví dụ như cellulose, lipid (chất béo và dầu), protein và disaccharide (lactose và maltose). Những chất này cần phải được thuỷ phân thành các chất đơn giản hơn rồi mới cĩ thể được vi sinh vật phân giải. Vi khuẩn thuỷ phân chủ yếu là vi khuẩn Gram dương, hình que, sống hiếu khí hoặc kỵ khí, cĩ khả năng phân huỷ các chất ít tan và các chất phức tạp như thuỷ phân cacbonhydrate thành đường, thuỷ phân lipid thành acid béo và glycerin, thuỷ phân protein thành acid amin. Để làm được điều này, các vi khuẩn thuỷ phân cĩ khả năng sản xuất ra enzyme ngoại bào đặc hiệu như amilaza thuỷ phân tinh bột, lipase thuỷ phân lipid, proteaza thuỷ phân protein. Chất cĩ phân tử càng phức tạp thì thời gian thuỷ phân càng dài. Giai đoạn thuỷ phân thực hiện 2 nhiệm vụ quan trọng trong các cơng trình xử lý sinh học. Thứ nhất, giai đoạn thuỷ phân làm nhiệm vụ biến đổi và hồ tan các cơ chất phức tạp thành cơ chất đơn giản bởi vì vi sinh vật chỉ cĩ thể hấp thụ và phân giải các cơ chất ở dạng hồ tan mà thơi. Thứ hai, trong bất kỳ cơng trình xử lý sinh học nào cũng tồn tại một số l