TRAO ĐỔI CHẤT CỦA VI KHUẨN TRONG CÁC HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI

BAI 1 giáo trình công nghệ sinh học môi trường trường đại học Lạc Hồng

CÔNG NGHỆ SINH HỌC

MÔI TRƯỜNG

THS: VƯU NGỌC DUNG

BÀI 4: XỬ LÝ Ô NHIỄM TẠI CHỖ (IN-SITU)

BÀI 5: XỬ LÝ CHẤT THẢI HỮU CƠ

BÀI 6: XỬ LÝ KHÍ THẢI

PHẠM VI NGHIÊN CỨU

ĐẤT

NƯỚC

KHÔNG KHÍ

CÔNG CỤ XỬ LÝ

• VI SINH VẬT

• ĐỘNG VẬT KHÔNG XƯƠNG SỐNG

• THỰC VẬT

Ảnh hưởng của CNSHMT

CNSHMT

ĐỘNG VẬT

VI SINH VẬT

THỰC VẬT

TIÊU THỤ VÀ XỬ LÝ ĐẤT

NƯỚC

KHÔNG KHÍ

TIÊU THỤ VÀ PHÂN HỦY

TIÊU THỤ VÀ

XỬ LÝ

BÀI 1: TRAO ĐỔI CHẤT CỦA VI KHUẨN TRONG CÁC HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI

1 GIỚI THIỆU

2 SỰ PHÂN HUỶ CÁC HỢP CHẤT CARBON HỮU CƠ

TRONG HỆ SINH THÁI TỰ NHIÊN VÀ NHÂN TẠO

3 QUÁ TRÌNH LOẠI NITƠ TRONG HỆ THỐNG XỬ LÝ

NƯỚC THẢI

4 QUÁ TRÌNH LOẠI PHOSPHATE BẰNG BIỆN PHÁP

TĂNG CƯỜNG SINH HỌC

5 XỬ LÝ CÁC ION KIM LOẠI TỪ NƯỚC THẢI BỊ Ô

NHIỄM

• Nếu nước bị ô nhiễm hóa chất thì cần phải xử

lý bằng các biện pháp cơ học, hoá học và sinh học hay có thể kết hợp các biện pháp với nhau.

1.2 SỰ PHÂN HUỶ CÁC HỢP CHẤT CARBON HỮU

CƠ TRONG HỆ SINH THÁI TỰ NHIÊN VÀ NHÂN TẠO

• Thông qua các quá trình dị hoá của vi sinh vật, tảo, nấm men và

vi nấm, chuyển hoá trực tiếp hoặc gián tiếp

• Quá trình cố định carbonic thông qua quang hợp tạo thành sinh

khối thực vật, các thực vật là nguồn thức ăn cho động vật (tạo

thành chất mùn, phân, nước tiểu )

• Các nguồn carbon cũng có thể quay trở lại nguồn gốc sinh học

ban đầu từ dầu, khí thiên nhiên, hoặc than đá Trong điều kiện kỵ

khí và thiếu thông qua quá trình biến đổi sinh học và/hoặc địa

hoá

• Carbon hoá đi vào chu trình CO2 không khí ngay khi các hợp

chất này bị đốt làm nhiên liệu hoặc được sử dụng làm nguồn tạo

năng lượng trong công nghiệp hoặc trong sinh hoạt

• Quá trình phân huỷ sinh học xảy ra trong điều kiện có oxyphân tử thông qua hô hấp, không đủ oxy thông qua việc khửnitrate, hoặc kỵ khí thông qua quá trình tạo methane vàsulfide.

- Quá trình hô hấp: các chất hữu cơ hoà tan, các chất cao phân

tử sinh học (polymer sinh học) ngoại bào có thể hoà tanđược như carbohydrate, protein, chất béo hoặc lipid trong

hệ thống bùn hoạt tính sẽ hình thành CO2, nước và mộtlượng lớn bùn dư và một ít NH3 và H2S có thể hình thành

do phân huỷ các amino acid

- Các tác nhân khử nitrate chính là những vi sinh vật hiếu khí

có khả năng chuyển từ quá trình biến dưỡng hô hấp sang sửdụng nitrate hoặc nitrite như là chất nhận điện tử cuối cùngnếu tăng trưởng trong điều kiện thiếu oxy Khi lượngnitrate trong sinh khối được sử dụng hết hoàn toàn, thế oxihoá khử sẽ xuống đủ thấp cho quá trình tăng trưởng của visinh vật kỵ khí nghiêm ngặt, như các vi khuẩn sinh methane

và vi khuẩn khử sulfate

- Nếu giữa các bông bùn trong hệ thống bùn hoạt tính có hìnhthành các vùng kỵ khí, bằng cách giới hạn nguồn cung cấpoxy, các vi khuẩn sinh methane và vi khuẩn khử sulfate cóthể phát triển ở giữa bông bùn và tạo ra một lượng nhỏmethane và H2S tìm thấy trong dòng khí đầu ra.

- Trong điều kiện kỵ khí hoàn toàn, các hợp chất carbon hoàtan bị phân huỷ từng bước thành CH4, CO2, NH3 và H2Sthông qua hiện tượng tương tác cộng dưỡng (syntrophicinteration) của vi khuẩn lên men và sinh acetate với vikhuẩn sinh methane và vi khuẩn khử sulfate Trong môitrường kỵ khí và không có sulfate thì methane và CO2 là cácsản phẩm chính, tuy nhiên, trong môi trường có sự hiện diệncủa sulfate thì sản phẩn chính là CO2 và sulfide

Đánh giá tổng quát về sự chọn lựa hệ thống

xử lý nước thải hiếu khí hay kỵ khí

Nếu thiết lập hệ thống xử lý nước thải và rác thải theo phươngpháp hiếu khí hay kỵ khí, sau đây là một số điểm cần xemxét:

• Xử lý kỵ khí nhìn chung không cho kết quả giá trị các chỉtiêu ô nhiễm COD, BOD5 hay TOC thấp như hệ thống hiếukhí và không đủ để đạt tiêu chuẩn theo các luật về môitrường

• Xử lý kỵ khí cho rác thải và nước thải thường được xem làquy trình tiền xử lý để làm tối giảm nhu cầu oxy và sự hìnhthành bùn thừa cho giai đoạn xử lý hiếu khí tiếp theo sau

• Nước thải có hàm lượng chất ô nhiễm cao nên xử lý theo

phương pháp kỵ khí do có khả năng tái tạo năng lượng nhờ khí sinh học và tạo ra lượng bùn thừa cần thải bỏ ít hơn nhiều

• Nước thải có hàm lượng chất ô nhiễm hữu cơ thấp nên xử lý bằng phương pháp hiếu khí

• Hiệu quả phân huỷ COD đối với sinh khối trong bùn thải hay nước thải đậm đặc thể tích lớn nhìn chung dường như là

tương đương giữa vi khuẩn kỵ khí và hiếu khí

• Tốc độ phân huỷ trong quy trình xử lý hiếu khí có thể nhanh hơn trong quy trình xử lý kỵ khí

• Hệ thống xử lý hiếu khí có giá thành cao hơn và tạo ra lượng bùn dư cần thải bỏ nhiều hơn

• Hệ thống xử lý kỵ khí có chi phí thiết kế cao hơn nhưng chi phí vận hành thấp hơn so với hệ thống xử lý hiếu khí

1.3 QUÁ TRÌNH LOẠI NITƠ TRONG HỆ

THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI

• Các hợp chất có chứa nitơ trong nước thải bao gồm chất hữu cơ

và chất vô cơ

• Cùng với phosphate, các chất này chính là nguồn chính gây nên

sự phú dưỡng cho nước mặt

• Quá trình loại nitơ cần phải trải qua tối đa 3 giai đoạn theo thứ tự: ammonia hoá, nitro hoá, và khử nitro hoá

• Phản ứng cắt urea bởi enzyme urease:

• NH2CONH2 + H2O → CO2 + 2 NH3

1.3.1 Quá trình ammonia hóa

Quá trình phân huỷ protein và các amino acid theo nhiều cơ chế ammonia hoá khác nhau, bao gồm khử amin theo thuỷ phân, oxi hoá, khử và khử bão:

Có thể ước lượng rằng vi khuẩn chứa vào khoảng 50% protein

và tỉ lệ nitơ trong protein là vào khoảng 16% Do đó, để tổng hợp thành 1 g sinh khối vi khuẩn, lượng N-ammonia cần tiêu thụ vào khoảng 0,08 g

1.3.2 Quá trình nitrate hóa ammonia

1.3.2.1 Nitrate hóa tự dưỡng

Vi khuẩn nitro hoá tự dưỡng là các vi sinh vật hiếu khí oxi hoá ammonia thành nitrite

Quá trình oxi hoá ammonia thành nitrte hay oxi hoá nitrite

thành nitrate là các quá trình tạo ra năng lượng dùng cho sự tăng trưởng tự dưỡng của các vi khuẩn nitro hoá

CO2 được đồng hoá qua chu trình Calvin

1.3.2.2 Nitrate hóa dị dưỡng

Một vài loài vi khuẩn thuộc chi Arthrobacter,

Flavobacterium và Thiosphaera có khả năng xúc tác quá trình

nitro hoá dị dưỡng của các cơ chất hữu cơ chứa nitơ:

Một vài loại vi khuẩn nitro hoá dị dưỡng có khả năng khử nitrate hoặc nitrite trong điều kiện tăng trưởng hiếu khí

1.3.3 Khử nitrate hóa (loại bỏ nitrate khỏi nước thải)

Nhiều loại vi khuẩn hiếu khí dường như có khả năng chuyển

từ cơ chế oxi hoá sang quá trình hô hấp nitrate

Tương tự như quá trình hô hấp oxy, quá trình hô hấp nitratecủa các vi khuẩn dị dưỡng cần có một nguồn carbon phức hợplàm nguồn cung cấp điện tử cho quá trình khử nitrate

Quá trình khử nitrate bắt đầu bằng việc khử nitrate thànhnitrite nhờ enzyme khử nitrate A gắn trên màng tế bào (a) Sau

đó, enzyme khử nitrite gắn trên màng tế bào (b) xúc tác quátrình hình thành NO Cuối cùng, enzyme khử NO (c) vàenzyme khử N2O (d) tạo ra N2

1.3 4 Ôxy hóa ammonia kị khí (Anamox®)

Hai loài vi khuẩn oxi hoá ammonia kỵ khí thuộc bộPlanctomycetales là Brocardia anammoxidans và Kuenenia stuttgartiensis.

Trong quy trình Anamox, ammonia bị oxi hoá thành nitơ, nitriteđóng vai trò chất nhận điện tử, nitrite bị khử thành hydroxylamine(Phản ứng 1), sau đó, phản ứng với ammonia tạo thành hydrazine(N2H4, Phản ứng 2) Qua quá trình oxi hoá hydrazine thành nitơphân tử (Phản ứng 3),

2 HNO2 + 4 XH2 → 2 NH2OH + 2 H2O + 4 X (1)

2 NH2OH + NH3 → 2 N2H4 + 2 H2O (2)

2 N2H4 + 4 X → 2 N2 + 4 XH2 (3)

• Trong môi trường có lượng oxy giới hạn (ví dụ như mặt

giao giữa vùng có oxy và thiếu oxy của màng sinh học hoặc bông bùn), các vi khuẩn oxi hoá ammonia kỵ khí và hiếu khí là kết hợp với nhau một cách tự nhiên

• Ammonia bị oxi hoá thành nitrite và đồng thời, hàm lượng oxy giảm Vi khuẩn anammox chuyển đổi nitrite và lượng ammonia còn lại thành N2

• Khi hàm lượng ammonia bị giới hạn, ái lực của các vi

khuẩn oxi hoá ammonia kỵ khí và hiếu khí có thể làm cho mối cộng tác tự nhiên thay đổi trở thành cạnh tranh

1.4 QUÁ TRÌNH LOẠI PHOSPHATE BẰNG BIỆN PHÁP TĂNG CƯỜNG SINH HỌC

• Vi sinh vật hấp thu lượng phosphate cần thiết cho quá trìnhtăng trưởng tế bào

• Phosphate chiếm đến 12% khối lượng tế bào trong các tế

bào vi khuẩn tích luỹ polyphosphate (Acinetobacter sp.),

trong khi ở vi khuẩn không tích luỹ phosphat, tỉ lệ này chỉ

là 1 – 3%

• Acinetobacter sp trải qua quá trình hô hấp hydroxybutyrate để thu năng lượng cho quá trình tăngtrưởng , duy trì hoạt động sống, quá trình tạo glycogen vàquá trình trùng hợp phosphate hấp thu trong nước thải

β-• Các vi khuẩn tích luỹ polyphosphate trải qua các điều kiện môi trường kỵ khí và hiếu khí theo trình tự.

• Photpho được xử lý một phần vào tạo tế bào vsv, một phần tạo năng lượng và số khác là các chất sinh ra như acid béo hữu cơ

• 10 30% photpho được khử trong quá trình khử BOD

• Trong điều kiện kỵ khí, sulfate bị khử thành sulfide, một lượng nhỏ sulfide cần thiết cho sự tăng trưởng của vi khuẩnnhưng sẽ gây độc cho vi khuẩn nếu tồn tại dưới dạng H2S ở hàm lượng cao

• pH kiềm nhẹ trong điều kiện kỵ khí, hầu hết sulfide kết tủa dưới dạng sulfide kim loại nặng, do đó, không gây độc cho

vi sinh vật và môi trường

1.5 XỬ LÝ CÁC ION KIM LOẠI TỪ NƯỚC

• Các chất ô nhiễm ion kim loại trong nước thải có thể được loại

bỏ nhờ vi sinh vật thông qua tác động trực tiếp hoặc gián tiếplên trạng thái oxi hoá khử của các ion kim loại hoặc thông quaquá trình hấp phụ sinh học các ion kim loại lên bề mặt tế bào

• Một số loại vi sinh vật cũng phát triển cơ chế kháng lại các kimloại gây độc bằng cách thay đổi trạng thái oxi hoá để không làmtác động đến quá trình tăng trưởng kỵ khí

• Một số loài vi khuẩn, nấm men, nấm vào tảo nhất định cóthể tích luỹ chủ động các ion kim loại bên trong tế bàongược gradient nồng độ.

• Quy trình tích luỹ sinh học các ion kim loại phụ thuộc vàohoạt động sống và biến dưỡng của tế bào Một quy trình thụđộng không cần năng lượng, cũng có thể thực hiện bởi cácvật chất tế bào bất hoạt

• Quá trình hấp phụ sinh học các ion kim loại gồm các cơ chếnhư trao đổi ion, tạo phức, bẫy ma trận, hấp phụ bề mặt

• Sau quá trình hấp phụ sinh học hoạt loại bỏ chủ động cácion kim loại từ nước thải hoặc đất ô nhiễm, sinh khối chứakim loại cần phải được tách biệt và đốt hoặc tái chế thôngqua quá trình giải hấp hoặc tái linh động hoá các kim loại

Bảng: Các kim loại đóng vai trò chất nhận điện tử trong hô hấp

kỵ khí

• Các kim loại hoá trị bốn có thể loại bỏ bằng các chất tạophức (như EDTA) hoặc cố định trong sinh khối từ môitrường ô nhiễm.

• Nấm có khả năng rửa các muối kim loại dạng hoà tan cũngnhư không tan, do nấm tiết ra các acid hữu cơ như acidcitric, acid fumaric, acid lactic, acid gluconic,…các acidnày hoà tan các muối kim loại và tạo thành phức với ionkim loại

KẾT THÚC BÀI 1