CHƯƠNG 1 TRAO ĐỔI CHẤT CỦA VI KHUẨN TRONG XỬ LÝ NƯỚC

TRAO ĐỔI CHẤT CỦA VI KHUẨN TRONG XỬ LÝ NƯỚC Mục đích – Yêu cầu Sau khi học xong chương này sinh viên nắm được: − Sự phân hủy hợp chất hữu cơ carbon trong hệ sinh thái tự nhiên và nhân t

Chương 1 TRAO ĐỔI CHẤT CỦA VI KHUẨN TRONG XỬ LÝ NƯỚC

 Mục đích – Yêu cầu

Sau khi học xong chương này sinh viên nắm được:

− Sự phân hủy hợp chất hữu cơ carbon trong hệ sinh thái tự nhiên và nhân tạo

− Quá trình loại bỏ nitrogen trong hệ thống xử lý nước thải

− Quá trình loại bỏ phosphate bằng biện pháp tăng cường sinh học

− Loại bỏ sinh học, chuyển hóa sinh học và hấp thụ sinh học các ion kim loại từ nướcthải bị ô nhiễm

− Phân hủy hiếu khí và kỵ khí các chất không có nguồn gốc sinh học

− Bổ sung vi sinh vật vào các bể xử lý nước thải để thúc đẩy phân hủy các chất không cónguồn gốc sinh học

 Số tiết lên lớp: 8 tiết

 Bảng phân chia thời lượng

1 Sự phân hủy hợp chất hữu cơ carbon trong hệ sinh thái tự nhiên và

2 Quá trình loại bỏ nitrogen trong hệ thống xử lý nước thải 1

3 Quá trình loại bỏ phosphate bằng biện pháp tăng cường sinh học 1

4 Loại bỏ sinh học, chuyển hóa sinh học và hấp thụ sinh học các ion kim

 Trọng tâm bài giảng

Sự phân hủy hợp chất hữu cơ carbon trong hệ sinh thái tự nhiên và nhân tạo

Quá trình loại bỏ nitrogen, phosphate và các ion kim loại từ nước thải bị ô nhiễm

NỘI DUNG BÀI GIẢNG

1 SỰ PHÂN HỦY HỢP CHẤT HỮU CƠ CARBON TRONG HỆ SINH THÁI TỰ NHIÊN VÀ NHÂN TẠO [1 trang 2; 34]

Các con đường chính:

 phân hủy/khoáng hoá hoàn toàn hoặc một phần các hợp chất hữu cơ và hữu cơ sinh họctrong tự nhiên hoặc trong môi trường nhân tạo chính

là các quá trình dị hoá của vi sinh vật, tảo, nấm men và vi nấm

Quá trình phân huỷ sinh học xảy ra trong điều kiện:

− Trong điều kiện không đủ oxy thông qua việc khử nitrate,

− Hoặc trong điều kiện kỵ khí thông qua quá trình tạo methane và sulfide

− Sau khi được hấp thu, quá trình phân huỷ sẽ xảy ra bên trong tế bào thông qua các quátrình:

− Thuỷ phân glucose (đường, đường đôi, glycerol)

− Thuỷ phân kết hợp với khử amin (amino acid, oligopeptide)

− Thuỷ phân kết hợp với oxi hoá dạng (phospholipid, acid béo mạch dài)

Quá trình trao đổi chất trong tế bào  chu trình tricarboxylic acid (TCA)

Hình 1.1: Các giai đoạn của hô hấp tế bào

Quá trình hô hấp của các vật chất hữu cơ:

C6H12O6+ 6 O2→6 CO2+ 6 H2O + QQuá trình phân huỷ hiếu khí:

- Nguồn cung cấp cơ chất bão hòa = điều kiện tải lượng cao

1 đvC cơ chất→0,5 đvC CO2+ 0,5 đvC tế bào

- Nguồn cung cấp cơ chất giới hạn = điều kiện tải lượng thấp

1 đvC cơ chất→0,7 đvC CO2+ 0,3 đvC tế bàoQuá trình phân huỷ kỵ khí:

1 đvC cơ chất→0,95 đvC (CO2+ CH4) + 0,05 đvC tế bàoPhân bố năng lượng và sinh khối trong quá trình hô hấp glucose ở pH 7

Hình 1.2: Phân bố năng lượng và sinh khối trong quá trình hô hấp glucose ở pH 7.0

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 cần lưu ý một số điểm :

- Xử lý kỵ khí nhìn chung không cho kết quả giá trị các chỉ tiêu ô nhiễm COD, BOD5hayTOC thấp như hệ thống hiếu khí và không đủ để đạt tiêu chuẩn theo các luật về môi trường

- Xử lý kỵ khí cho rác thải và nước thải thường được xem là quy trình tiền xử lý để làm tốigiảm nhu cầu oxy và sự hình thành 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 khảnăng 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 tíchlớn 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 kỵkhí

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

- 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

Câu hỏi hiểu bài:

1 Công cụ sinh học xử lý ô nhiễm môi trường gồm:

Bảo tồn năng lượng

dưới dạng sinh hoá

2 QUÁ TRÌNH LOẠI NITƠ TRONG HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI [1 tr 35;43]

Các hợp chất có chứa nitơ trong nước thải bao gồm chất hữu cơ và chất vô cơ Nitơ vàphosphate  nguồn 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  nitrohoá  khử nitro hoá

Hình 1.4: Chu trình Nitơ trong tự nhiên

2.1 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, R–NH2+ H2O → R–OH + NH3

oxi hoá, R–CHNH2COOH + H2O → R–CO–COOH + 2 (H) + NH3

khử, R–CHNH2–COOH +2(H) → R–CH2-COOH + NH3

và khử bão hòa, R–CH2–CHNH2–COOH → R–CH=CH–COOH + NH3

Quá trình ammonia hoá các amino acid sẽ bị các vi khuẩn đồng hoá cho quá trình tăngtrưởng trong quy trình xử lý hiếu khí (tạo thành bùn thừa) Vi khuẩn: 50% protein, tỉ lệ nitơtrong protein là 16%  Để tổng hợp thành 1 g sinh khối vi khuẩn, lượng N-ammonia cần tiêuthụ vào khoảng 0,08 g

2.2 Quá trình nitrate hóa ammonia

Nitrate hóa tự dưỡng

Vi khuẩn nitro hoá tự dưỡng là các vi sinh vật hiếu khí oxi hoá ammonia thành nitriteQuá trình oxi hoá ammonia thành nitrite hay oxi hoá nitrite thành nitrate là các quá trìnhtạo ra năng lượng dùng cho sự tăng trưởng tự dưỡng của các vi khuẩn nitro hoá

CO2được đồng hoá qua chu trình Calvin

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:

R–NH2→ R–NHOH → R–NO → NO3–

Các vi khuẩn nitro hoá dị dưỡng oxi hoá các hợp chất nitơ có tính khử, như hydroxylamine

và các chất chứa nitơ vòng thơm và nitơ không vòng, nhưng ngược với quá trình nitro hoá tựdưỡng, quá trình nitro hoá dị dưỡng không tạo ra năng lượng khi hình thành nitrate

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

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

Vi khuẩn hiếu khí có khả năng chuyển từ cơ chế oxi hoá sang quá trình hô hấp nitrate Quátrình hô hấp nitrate của các vi khuẩn dị dưỡng cần nguồn carbon phức hợp làm nguồn cung cấpđiện tử cho quá trình khử nitrate

CH3OH + H2O  CO2+ 6H++ 6e

-CH3COOH + 2 H2O  2CO2+ 8H++ 8eKhử nitrate thành nitrite nhờ enzyme khử nitrate A gắn trên màng tế bào (a) Enzyme khửnitrite gắn trên màng tế bào (b) xúc tác quá trình hình thành NO Enzyme khử NO (c) vàenzyme khử N2O – nito dioxit (d) tạo ra N2

-Hai loài vi khuẩn oxi hoá ammonia kỵ khí thuộc bộ Planctomycetales là Brocardia

anammoxidans và Kuenenia stuttgartiensis.

Trong quy trình Anamox: Ammonia bị oxi hoá  nitơ

Nitrite đóng vai trò chất nhận điện tử Nitrite bị khử thành hydroxylamine

2 HNO2+ 4 XH2→ 2 NH2OH + 2 H2O + 4 XSau đó, phản ứng với ammonia tạo thành hydrazine (N2H4)

2 NH2OH + NH3→ 2 N2H4+ 2 H2OQua quá trình oxi hoá hydrazine thành nitơ phân tử

2 N2H4+ 4 X → 2 N2+ 4 XH2

Câu hỏi hiểu bài:

4 Nước thải có hàm lượng chất ô nhiễm cao nên xử lý theo phương pháp …….do: khảnăng tái tạo năng lượng nhờ khí sinh học và tạo ra lượng bùn thừa cần thải bỏ ít hơn nhiều

Acinetobacter sp  quá trình hô hấp β-hydroxybutyrate  thu năng lượng cho quá trình

tăng trưởng, duy trì hoạt động sống, quá trình tạo glycogen và quá trình trùng hợp phosphatehấp thu trong nước thải

Các vi khuẩn tích luỹ polyphosphate trải qua các điều kiện môi trường kỵ khí và hiếu khítheo trình tự Photpho được xử lý một phần vào tạo tế bào vsv, một phần tạo năng lượng và sốkhác là các chất sinh ra như acid béo hữu cơ.10 30% photpho được khử trong quá trình khửBOD

Trong điều kiện kỵ khí, sulfate bị khử thành sulfide, một lượng nhỏ sulfide cần thiết cho sựtăng trưởng của vi khuẩn nhưng 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 kimloại nặng, do đó, không gây độc cho vi sinh vật và môi trường.

4 XỬ LÝ CÁC ION KIM LOẠI TỪ NƯỚC THẢI BỊ Ô NHIỄM [1 tr 47;51]

Hầu hết các thành phần vô cơ trong nước thải tồn tại ở dạng hoà tan hoặc ion Nhiều iondương và ion âm ở hàm lượng vết là các chất vi lượng thiết yếu cho sự tăng trưởng của vikhuẩn

Các chất ô nhiễm ion kim loại trong nước thải có thể được loại bỏ nhờ vi sinh vật thôngqua tác động trực tiếp hoặc gián tiếp lên trạng thái oxi hoá khử của các ion kim loại hoặc thôngqua quá 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 kim loại gây độc bằng cáchthay đổi trạng thái oxi hoá để không làm tác động đến quá trình tăng trưởng kỵ khí

Một số loài vi khuẩn, nấm men, nấm và tảo nhất định có thể tích luỹ chủ động các ion kimloại bên trong tế bào ngược gradient nồng độ

Quy trình tích luỹ sinh học các ion kim loại phụ thuộc vào hoạt động sống và biến dưỡngcủa tế bào Một quy trình thụ động không cần năng lượng, cũng có thể thực hiện bởi các vậtchất tế bào bất hoạt

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

Sau quá trình hấp phụ sinh học hoặt loại bỏ chủ động các ion kim loại từ nước thải hoặcđất ô nhiễm, sinh khối chứa kim loại cần phải được tách biệt và đốt hoặc tái chế thông qua quátrình giải hấp hoặc tái linh động hoá các kim loại

Các kim loại hoá trị bốn có thể loại bỏ bằng các chất tạo phức (như EDTA) hoặc cố địnhtrong sinh khối từ môi trường ô nhiễm

Nấm có khả năng rửa các muối kim loại dạng hoà tan cũng như không tan, do nấm tiết racác acid hữu cơ như acid citric, acid fumaric, acid lactic, acid gluconic,…các acid này hoà tancác muối kim loại và tạo thành phức với ion kim loại

ÔN TẬP CÂU HỎI TRÊN LỚP

6 Quá trình cố định …… thông qua quang hợp tạo thành sinh khối thực vật

7 Quá trình phân huỷ sinh học xảy ra trong điều kiện có …… phân tử thông qua hô hấp,không đủ …… thông qua việc khử nitrate, hoặc kỵ khí thông qua quá trình tạo methane vàsulfide

8 Nước thải có hàm lượng chất ô nhiễm cao nên xử lý theo phương pháp …….do: khảnăng tái tạo năng lượng nhờ khí sinh học và tạo ra lượng bùn thừa cần thải bỏ ít hơn nhiều

Hướng dẫn trả lời

là các quá trình dị hoá của vi sinh vật, tảo, nấm men và vi nấm.

Quá trình phân huỷ sinh học xảy ra trong điều kiện:

− Có sự hiện diện của oxy phân tử thông qua hô hấp,

− Trong điều kiện không đủ oxy thông qua việc khử nitrate,

− Hoặc trong điều kiện kỵ khí thông qua quá trình tạo methane và sulfide

Sau khi được hấp thu, quá trình phân huỷ sẽ xảy ra bên trong tế bào thông qua các quátrình:

− Thuỷ phân glucose (đường, đường đôi, glycerol)

− Thuỷ phân kết hợp với khử amin (amino acid, oligopeptide)

− Thuỷ phân kết hợp với oxi hoá dạng(phospholipid, acid béo mạch dài)

Quá trình trao đổi chất trong tế bào  chu trình tricarboxylic acid (TCA)

Quá trình hô hấp của các vật chất hữu cơ:

C6H12O6+ 6 O2→6 CO2+ 6 H2O + QQuá trình phân huỷ hiếu khí:

- Nguồn cung cấp cơ chất bão hòa = điều kiện tải lượng cao

1 đvC cơ chất→0,5 đvC CO2+ 0,5 đvC tế bào

- Nguồn cung cấp cơ chất giới hạn = điều kiện tải lượng thấp

1 đvC cơ chất→0,7 đvC CO2+ 0,3 đvC tế bàoQuá trình phân huỷ kỵ khí:

1 đvC cơ chất→0,95 đvC (CO2+ CH4) + 0,05 đvC tế bào

Chương 2 XỬ LÝ CÁC HỢP CHẤT HỮU CƠ KHÓ PHÂN HỦY

 Mục đích – Yêu cầu

Sau khi học xong chương này sinh viên nắm được:

− Các nguyên tắc phân hủy của vi khuẩn

− Các khả năng phân hủy của nấm

− Khía cạnh tổng quát của quá trình phân hủy kỵ khí

− Các phản ứng chủ đạo của sự phân hủy kỵ khí

 Số tiết lên lớp: 8 tiết

 Bảng phân chia thời lượng

2 Các nguyên tắc của phân hủy bởi vi khuẩn

3 Các khía cạnh tổng quát của các quá trình phân hủy kỵ khí 2

4 Các phản ứng “chủ đạo” của sự phân hủy kỵ khí của một số hợp

 Trọng tâm bài giảng

Các nguyên tắc phân hủy của vi khuẩn và nấm

Quá trình phân hủy kỵ khí và hiếu khí

NỘI DUNG BÀI GIẢNG

1 GIỚI THIỆU [1 tr 269; 271]

Phân hủy sinh học là quá trình oxy hoá, sự hoạt hoá và gắn oxy vào phân tử chất ô nhiễm

là những quá trình enzyme Enzyme chìa khoá là oxygenase và peroxidase Bước tấn công đầutiên vào chất ô nhiễm hữu cơ xảy ra bên trong tế bào

Con đường phân huỷ diễn ra từng bước một:

- Chuyển chất ô nhiễm hữu cơ  hợp chất trung gian  vòng trao đổi chất trung tâm(tricarboxylic acid)

- Sinh khối tế bào được tổng hợp từ chính những nền tảng là chất chuyển hoá trung gian,giả sử như CoA, suscinate, pyruvate

Phân hủy bao gồm hai quá trình cơ sở: sinh trưởng và đồng trao đổi chất.

- Trong quá trình sinh trưởng: chất hữu cơ  làm nguồn carbon và nguồn năng lượng duynhất  kết quả: phân huỷ hoàn toàn (khoáng hoá) chất hữu cơ

- Quá trình đồng trao đổi chất: là quá trình trao đổi chất của một chất hữu cơ trong khi cómặt của một cơ chất sinh trưởng là nguồn carbon và năng lượng chính

2 CÁC NGUYÊN TẮC CỦA QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY BỞI VI KHUẨN [1 tr 271;283] 2.1 Các vi khuẩn phân hủy hiếu khí điển hình

Vi khuẩn hiếu khí phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ là những loài vi khuẩn hóa dưỡnghữu cơ

Hỗn hợp các vi khuẩn có khả năng phân hủy cao nhất

Khả năng di truyền và những yếu tố môi trường xác định tốc độ và thời gian của quátrình phân hủy

Các loài vi khuẩn có khả năng sinh tổng hợp các hợp chất hoạt động bề mặt sinh học

* Biosurfactant: là những hợp chất có cấu trúc gồm 2 phần là ưa nước và kị nướccó khảnăng tạo nhũ và làm giảm sức căng bề mặt của chất béo và tạo nên các cấu trúc hình cầu li ti(micelle)

2.2 Sự phân hủy các hợp chất béo có liên quan đến tăng trưởng

Vi khuẩn hiếu khí  hợp chất hydrocarbon béo và vòng béo cần oxy phân tử

Sản phẩm phân hủy liên quan đến tăng trưởng là CO2, nước và sinh khối

Sinh khối có thể tiếp tục bị khoáng hóa sau khi kết thúc quá trình phân hủy chất ô nhiễmngoài môi trường

Hình 2.1: Những đặc trưng chính của phân hủy hiếu khí hydocacbon: quá trình liên kết với sinh trưởng vi sinh vật.

Sản phẩm của quá trình là tạo cơ chất của quá trình chuyển hóa năng lượng và sinh tổnghợp sinh khối tế bào:

- Tổng hợp amino acid và protein cần nguồn nitơ và lưu huỳnh

- Nucleotides hay nucleic acid cần nguồn phospho

- Thành tế bào cần chất đường

2.3 Đa dạng của các hợp chất vòng thơm - Các quá trình dị hóa đồng nhất.

Những hợp chất thơm như: benzen, toluen,

ethylbenzen và xylen (BTEX) và naphtalen: nhiên liệu

và dung môi công nghiệp Các cơ thể sinh học cũng

tạo ra một lượng lớn các hợp chất vòng thơm (các

amino acid dạng vòng, các phenol, hydroquinone/

quinone…)

Cometabolism là dạng chuyển hóa một chất

không có giá trị dinh dưỡng khi có mặt cơ chất sinh

trưởng là dạng khá phổ biến trong vi sinh vật

 Một vi sinh vật sinh trưởng trong một nguồn

cơ chất nào đó có khả năng oxi hóa một cơ chất thứ

hai (co-substrate) Cơ chất thứ hai này không bị đồng

hóa nhưng sản phẩm của nó có thể là cơ chất cho loài

vi sinh vật khác có trong hỗn hợp vi sinh

Về mặt nguyên tắc, tính bền vững của các hợp

chất ô nhiễm hữu cơ tăng lên cùng với mức độ halogen hóa

Vi khuẩn kị khí đóng vai trò quan trọng trong việc khử các hợp chất xenobiotic chứa clo:Khử halogen giảm bậc halogen, vô cơ hóa bởi các vi khuẩn hiếu khí

Câu hỏi hiểu bài:

1 Bước tấn công đầu tiên vào chất ô nhiễm hữu cơ xảy ra bên trong tế bào là:

a Quá trình oxy hoá

d Oxygenase, cytolase, peroxidase và urease

3 Các chất hữu cơ khó phân hủy được vi sinh vật xử lý bao gồm hai quá trình cơ sở:

a Sinh trưởng và đồng trao đổi chất

b Quang hợp và hô hấp

c Sinh trưởng và sinh sản

d Quang hợp và trao đổi chất

Hướng dẫn trả lời: 1 A 2.A 3 A

3 CÁC KHẢ NĂNG PHÂN HỦY CỦA NẤM [1 tr 197; 205]

Nhóm vi nấm: nấm men và nấm mốc

3.1 Các hydrocarbon béo

Nấm men có khả năng phân huỷ sinh học các hợp chất béo như dầu thô và các sản phẩm

dầu mỏ, C10-C20 là thích hợp với hầu hết vi nấm Nấm men phân huỷ n-alkan có Candida

lipolytica, Candida tropicalis, Rhodotorula rubra và Aureobasidion (Trichosporon) pullulans…

Nấm mốc có Cuninghamella blakesleeana, Aspergillus niger và Penicillium frequentans.

Hydrocarbon mạch ngắn (n.C5-C9) có độ độc cao, độc tính có thể mất đi khi thêm vào

hydrocarbon mạch dài: Candida có thể sinh trưởng trên n-octan nếu có mặt 10% pristane.

Penicillium frequentans có thể sử dụng hợp chất n-alkan chứa 1 halogen và loại bỏ halogen

hoàn toàn

Hydrocarbon béo không tan trong nước, nấm tiết ra các chất hoạt động bề mặt để làmnhũ hoá hydrocarbon Vi nấm không thể sử dụng alkan mạch nhánh hay mạch vòng no như lànguồn carbon và năng lượng Sản phẩm cuối là oxit carbon (CO2) trong chu trình chuyển hoátricarbocylic axit (Krebs)

3.2 Các hợp chất vòng thơm

Nấm mốc và nấm men có khả năng sử dụng các hợp chất hydrocarbon thơm làm cơ chất

để sinh trưởng Khả năng chuyển hoá theo kiểu đồng chuyển hoá

Penicillium frequentants: Phenol chuyển hoá hoàn toàn thành sinh khối, khí carbonic và

nước Phenol chứa clo thành dạng catechol (như là sản phẩm cuối cùng)

3.3 Khả năng phân hủy của nấm đảm

Hệ thống enzyme phân hủy lignin, cellulose và lignin là dạng hợp chất carbon vòngthơm phổ biến nhất Lignin là chất keo gắn chặt mạch cellulose và hermicellulose, ngăn cản visinh phân huỷ gỗ và bảo vệ hợp chất đường dễ bị phân hủy

Nấm đảm có một hệ thống enzyme phân huỷ lignin hiệu quả, gọi tên là nấm trắng hoại

gỗ (white rot fungi) Tiêu biểu là Trametes versicolor, Pleurotus ostreatus, Nematoloma

flrowardii và những loài phân huỷ rác thải Agaricus bisporus, Agrocybepraecox và Stropharia coronilla.

Lignin phân hủy không là nguồn carbon và năng lượng để nấm sinh trưởng Nguyên lýphân hủy là đồng chuyển hóa: cơ chất sinh trưởng là hầu hết các chất đường sinh ra từ phản ứngthủy phân hemicellulose Enzyme dạng oxydoreductase (phân rã lignin): peroxidase và laccase

 xúc tác và tấn công lignin theo cơ chế không đặc trưng

Câu hỏi hiểu bài:

Không cần cung cấp oxy

Xử lý nước thải có hàm lượng phenol cao, tránh tạo thành các sản phẩm thứ cấp như làtrùng ngưng của polyphenols

5 CÁC PHẢN ỨNG “CHỦ ĐẠO” CỦA SỰ PHÂN HỦY KỴ KHÍ CỦA MỘT SỐ HỢP CHẤT HỮU CƠ NHẤT ĐỊNH [1 tr 210; 225]

5.1 Sự phân hủy hydrocarbon

Các hydrocarbon béo bão hòa bị tấn công sinh học một cách chậm chạp trong môi trườngkhông có oxy

Alkan mạch dài (C12-20) hoặc trung bình (C6-16): bị oxy hóa và sulphate/nitrate làmchất nhận điện tử

Phản ứng của carbon áp cuối tạo nên bởi phân tử fumarate và dạng trung gian alkylsuccinate

Các hydrocarbon không bão hoà  hydrate hóa tạo  rượu  phân hủy hoàn toàn

5.2 Sự phân hủy các chất hữu cơ chứa halogen

Khử halogen thông qua phản ứng oxy hoá, thuỷ phân, hoặc khử Đối với vi khuẩn kị khí

7 Bước tấn công đầu tiên vào chất ô nhiễm hữu cơ xảy ra bên trong tế bào là:

a Quá trình oxy hoá

9 Các chất hữu cơ khó phân hủy được vi sinh vật xử lý bao gồm hai quá trình cơ sở:

a Sinh trưởng và đồng trao đổi chất

b Quang hợp và hô hấp

c Sinh trưởng và sinh sản

d Quang hợp và trao đổi chất

Các loài vi khuẩn có khả năng sinh tổng hợp các hợp chất hoạt động bề mặt sinh học

* Biosurfactant: là những hợp chất có cấu trúc gồm 2 phần là ưa nước và kị nướccó khảnăng tạo nhũ và làm giảm sức căng bề mặt của chất béo và tạo nên các cấu trúc hình cầu li ti(micelle)

BÀI TẬP TỔNG HỢP

11 Anh (chị) hãy phân tích ưu điểm của phương pháp xử lý ô nhiễm môi trường với hệ visinh vật đa dạng (hiếu khí-kỵ khí)? cho ví dụ?

12 Anh (chị) hãy cho biết các phương pháp để tăng cường hệ vi sinh vật trong kỹ thuật xử lý

ô nhiễm môi trường? cho ví dụ?

13 Anh (chị) hãy phân tích ưu điểm của phương pháp xử lý ô nhiễm môi trường với hệ visinh vật đa dạng (vi khuẩn-nấm)? cho ví dụ?

Chương 3 XỬ LÝ ĐẤT VÀ THẢI BỎ

 Mục đích – Yêu cầu

Sau khi học xong chương này sinh viên nắm được

Các kỹ thuật xử lý đất ô nhiễm: hóa, hóa lý, sinh…

Xử lý đất ô nhiễm và tái sử dụng đất

Kỹ thuật chất đống/luống

 Số tiết lên lớp: 7 tiết

 Bảng phân chia thời lượng

 Trọng tâm bài giảng

Các quá trình sinh học xử lý ô nhiễm môi trường

Các kỹ thuật chất đống/luống và tái sử dụng đất sau xử lý

NỘI DUNG BÀI GIẢNG

1 GIỚI THIỆU [1 tr 337]

2 phương pháp được áp dụng: “siết chặt”(securing) và “xử lý” (remediation) “Xử lý” làphương thức để làm giảm hàm lượng chất ô nhiễm hay khử độc “Siết chặt” giúp tạo những ràocản bảo để vệ môi trường

Các phương pháp được phân loại theo vị trí:

• Dạng xử lý tại chỗ (in-situ): được thực hiện tại vị trí ô nhiễm mà không cần phải đàođất lên

• Bên ngoài (ex-situ): đòi hỏi đất ô nhiễm phải được đào lên rồi xử lý ngay cạnh vị trí ônhiễm (on-site remediation) hay đưa tới một nơi nào đó để xử lý (off-site remediation)

Hoặc theo tính chất của quá trình: nhiệt, hóa học, vật lý và sinh học

2 XỬ LÝ NHIỆT [1 tr 338; 343]

Qúa trình xử lí đất bằng nhiệt chủ yếu là chuyển chất ô nhiễm từ đất nền sang pha khí bằngcách cung cấp nhiệt năng

Chất ô nhiễm bay hơi từ đất sau đó bị đốt cháy

Khí thải còn chứa chất ô nhiễm tiếp tục được xử lí

3 XỬ LÝ HÓA – LÝ [1 tr 343; 346]

Quá trình xử lí đất bằng phương pháp hóa-lý chủ yếu là trích ly hoặc phân lớp ướt.Nguyên tắc của công nghệ làm sạch đất bên ngoài là cô đặc chất ô nhiễm trong một phânđoạn nhỏ bằng cách phân tách.Nước (có hoặc không có chất cho thêm) được sử dụng như chấttrích ly Để chuyển chất ô nhiễm từ đất vào chất trích ly, có hai cơ chế quan trọng:

• Lực phân ly mạnh bao gồm: bơm, trộn, ly tâm, tia nước có áp suất mạnh (để phá vỡ cáckhối kết tụ của chất ô nhiễm và các hạt không ô nhiễm và nhờ vậy đẩy chất ô nhiễm về phía phatrích ly)

• Hoà tan chất ô nhiễm trong chất trích ly

Trích ly tại chỗ, về cơ bản là sự thấm của dịch trích ly vào lớp đất bị ô nhiễm Quá trìnhthấm có thể tiến hành bằng cách đào các con mương trên bề mặt, những rãnh thoát nằm ngang,hoặc giếng sâu thẳng đứng Chất ô nhiễm hoà tan trong pha chiết được bơm lên và xử lý ở phíatrên

4 XỬ LÝ SINH HỌC [1 tr 346; 350]

Vi sinh vật đất chuyển hóa chất ô nhiễm thành các thành phần chính là khí carbonic(hydrocacbon), nước và sinh khối Một số chất ô nhiễm có thể bị cố định bởi thành phần mùntrong đất Sự phân hủy xảy ra cả trong điều kiện hiếu khí (chủ yếu) và kị khí

Hiệu qủa xử lý sinh học là phải tối ưu hóa điều kiện cho các vi sinh vật: cung cấp oxy,thành phần nước, pH…Để kích thích hoạt tính sinh học, cần làm đồng nhất đất, cung cấp khôngkhí, ẩm độ, nhiệt độ, thêm chất dinh dưỡng và cơ chất hoặc cấy thêm vi sinh vật

So với quá trình xử lý bằng phương pháp hóa lý, xử lý sinh học ít tốn kém về năng lượngnhưng đòi hỏi thời gian kéo dài

4.1 Quá trình xử lý sinh học bên ngoài

Những bước xử lý:

1 Tiền xử lý bằng cơ học

2 Thêm nước, dinh dưỡng, cơ chất và vi sinh vật

3 Xử lý sinh học

Hình 3.1: Quá trình xử lý hóa lý ex-situ

4.2 Quá trình xử lý sinh học tại chỗ

Khả năng của vi sinh vật phân hủy chất ô nhiễm hữu cơ tồn tại tự nhiên trong môi trường

là cơ sở cho quá trình làm sạch bằng con đường sinh học bằng chính bản thân vi sinh tại chỗ

Trong điều kiện môi trường thuận lợi, những quá trình tự làm sạch chủ yếu được sửdụng như là phương pháp để theo dõi

Điều kiện giới hạn hoặc không kích hoạt sinh học thì quá trình phân hủy tự nhiên có thểkhông tiến triển Do vậy, quá trình tự làm sạch bắt buộc phải đưa vào chương trình quan trắc

Câu hỏi hiểu bài:

1 Remediation là:

a Phương thức để làm giảm hàm lượng chất ô nhiễm hay khử độc

b Tạo những rào cản bảo để vệ môi trường

c Tập hợp các chất ô nhiễm hay chất độc vao một khu vực cố định

d Chọn lựa một phương pháp xử lý chất ô nhiễm hay khử độc mà không quan

tâm đến phát sinh chất thải thứ cấp

2 Các phương pháp được phân loại theo vị trí:

a Xử lý tại chỗ (in-situ)và bên cạnh vị trí ô nhiễm (on-site remediation)

b Xử lý tại chỗ (in-situ) và đưa tới nơi khác (off-site remediation)

c Xử lý tại chỗ (in-situ) và bên ngoài (ex-situ)

d Xử lý bên cạnh vị trí ô nhiễm (on-site remediation) và đưa tới nơi khác site remediation)

(off-3 So với quá trình xử lý bằng phương pháp hóa lý, xử lý sinh học:

a Chất ô nhiễm chuyển sang dạng khác và tiếp tục được xử lý

b Thời gian ngắn hơn

c Có thể làm thoái hóa khu vực ô nhiễm

d Ít tốn kém về năng lượng và thời gian kéo dài

₋ Để làm giảm tải cho bãi chôn lấp, để dành cho các dạng chất thải khác và ủng hộ việc tái

sử dụng đất ô nhiễm sau xử lí thì cần ưu tiên cho những phương pháp làm sạch

Thích hợp để san lấp hoặc dùng cho nông nghiệp

7 CÁC NGUYÊN TẮC CỦA KỸ THUẬT CHẤT ĐỐNG/LUỐNG [1tr 356; 360]

Là một kỹ thuật bên ngoài (ex situ)

Thử nghiệm khả năng phân huỷ sinh học bằng những phương pháp chuẩn hoá trongphòng thí nghiệm

Phân loại những vật liệu không có khả năng phân huỷ sinh học như plastic, kim loại, đá,sỏi có kích thước 40-60 mm

Hình 3.4: Xử lý đất bằng sinh học theo công nghệ Terraferm

Quá trình xử lý kết thúc khi đất có thể được sử dụng như đất sạch

Thời gian của mỗi quá trình xử lý khá là khác nhau tuỳ thuộc vào loại và nồng độ chất ônhiễm, giá trị phải đạt cũng như chất lượng đất

Sau quá trình xử lý bằng kỹ thuật chất đống, đất đã xử lí có thể dùng như đất mặt làmphong cảnh hoặc chôn lấp (không chứa đá sỏi lớn, mịn, giàu dinh dưỡng và chất mùn

Câu hỏi hiểu bài:

4 Các chất hữu cơ như compost, cành lá cây,vụn gỗ hoặc rơm có thể sử dụng trong xử lýđất ô nhiễm như là:

a Đơn thuần là vật liệu xốp

b Nguồn dinh dưỡng chủ yếu cho vi sinh vật phát triển

c Nguồn dinh dưỡng, hệ vi sinh vật và vật liệu xốp

d Bổ sung hệ vi sinh vật tự nhiên vào quá trình xử lý

Hình 3.5: So sánh dạng công nghệ đống ủ khác nhau

Hàm lượng nước thấp có thể được vận hành theo kiểu động hoặc tĩnh, công nghệ ướt thìtất cả đều ở dạng tĩnh

Đảo trộn đất theo chu trình tuỳ thuộc vào mức độ hoạt động của vi sinh, và điều chỉnh chế

độ thông khí, nước hay dinh dưỡng

Hệ thống tĩnh và khô không đưa thêm chất phụ gia vì đã được phối trộn từ giai đoạn tiền

xử lý  sử dụng dinh dưỡng nhả chậm, thêm hệ thống thổi khí để cung cấp oxy…

9 HIỆU QUẢ VÀ KINH TẾ [1 tr 364; 368]

Với kỹ thuật chất đống có thể đạt từ 80-90% tốc độ phân huỷ trong một khoảng thời gianhợp lý tuỳ theo chất ô nhiễm

Ngoài hydrocarbon, những chất ô nhiễm sau cũng có thể xử được bằng kỹ thuật chấtđống: Những hợp chất vòng thơm BTEX; Những hợp chất dạng phenol; Những hợp chất đavòng thơm, ≤ 4 vòng; Những chất nổ hữu cơ (TNT, RDX)

Hiệu quả kinh tế:

Chi phí đầu tư thấp cho việc xây dựng và kỹ thuật vận hành đơn giản, công nghệ chấtđống tất nhiên là thuộc loại công nghệ giá rẻ so với các kỹ thuật xử lý sinh học khác như bểphản ứng sinh học, rửa đất hay là thiêu đốt

Khoảng 80% số nhà máy xử lý đất bằng phương pháp sinh học ở nước Đức là thực hiệntrên cơ sở kỹ thuật chất đống: giá thành xử lý 30-35 USD/tấn Đây là giá thấp

Ưu thế an toàn với môi trường, và sức khoẻ con người, sử dụng lại đất sau xử lý…

Vì xử lý đất bằng công nghệ chất đống phù hợp với nhiều trường hợp khác nhau: từ chất

ô nhiễm đến chất lượng đất hay là điều kiện khí hậu, công nghệ này có thể được cải tiến mộtcách dễ dàng để đạt được những yêu cầu của quá trình xử lý

Công nghệ xử lý sinh học của tương lai

ÔN TẬP

CÂU HỎI TRÊN LỚP

5 Đáp án nào sau đây phù hợp với kỹ thuật xử lý sinh học kiểu lớp đất mỏng (dạng trảiđất):

1) Chiều cao có thể lên đến 40 cm, mặt bằng lớn

2) Chiều cao thông thường từ 0.8- 3.0 m, tương tự như làm phân compost

3) Xử lý phân đoạn đất nhẹ (sét và phù sa) chứa hàm lượng chất ô nhiễm cao

4) Oxy cung cấp bằng cách cào, trộn… mỗi khoảng thời gian nhất định

5) Hệ thống khô có thể vận hành không cần thổi khí

6) Oxy cung cấp qua hệ thống thông khí hoặc trao đổi khí thải

6 Đáp án nào sau đây phù hợp với kỹ thuật xử lý sinh học kiểu Đống ủ ?

1) Chiều cao có thể lên đến 40 cm, mặt bằng lớn

2) Chiều cao thông thường từ 0.8- 3.0 m, tương tự như làm phân compost

3) Xử lý phân đoạn đất nhẹ (sét và phù sa) chứa hàm lượng chất ô nhiễm cao

4) Oxy cung cấp bằng cách cào, trộn… mỗi khoảng thời gian nhất định

5) Hệ thống khô có thể vận hành không cần thổi khí

6) Oxy cung cấp qua hệ thống thông khí hoặc trao đổi khí thải

1) Chiều cao có thể lên đến 40 cm, mặt bằng lớn

2) Chiều cao thông thường từ 0.8- 3.0 m, tương tự như làm phân compost

3) Xử lý phân đoạn đất nhẹ (sét và phù sa) chứa hàm lượng chất ô nhiễm cao

4) Oxy cung cấp bằng cách cào, trộn… mỗi khoảng thời gian nhất định

5) Hệ thống khô có thể vận hành không cần thổi khí

6) Oxy cung cấp qua hệ thống thông khí hoặc trao đổi khí thải

8 So với các quá trình trải đất hay đống ủ, thì bể phản ứng sinh học:

1) Có thể kiểm soát dễ dàng hơn

2) Khó kiểm soát hơn đống ủ

3) Thời gian xử lý ngắn hơn

Là một kỹ thuật bên ngoài (ex situ)

Thử nghiệm khả năng phân huỷ sinh học bằng những phương pháp chuẩn hoá trongphòng thí nghiệm

Phân loại những vật liệu không có khả năng phân huỷ sinh học như plastic, kim loại, đá,sỏi có kích thước 40-60 mm

Quá trình xử lý kết thúc khi đất có thể được sử dụng như đất sạch

Thời gian của mỗi quá trình xử lý khá là khác nhau tuỳ thuộc vào loại và nồng độ chất ônhiễm, giá trị phải đạt cũng như chất lượng đất

BÀI TẬP TỔNG HỢP

10 Anh (chị) hãy thiết kế quy trình xử lý đất ô nhiễm dầu máy?

11 Anh (chị) hãy trình bày các nhóm vi sinh vật và các phương pháp có thể xử lý đất ô

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

 Mục đích – Yêu cầu

Sau khi học xong chương này sinh viên nắm được:

- Kỹ thuật xử lý đất và nước bị ô nhiễm tại chỗ

- Các kỹ thuật xử lý điển hình: Xử lý ô nhiễm cho đất không bão hòa (Bioventing); Xử lý ônhiễm ở vùng đất bão hòa; Thủy lực xoay vòng; Kỹ thuật sục khí (Biosparging) và Chiết hútchân không (Bioslurping)…

 Số tiết lên lớp: 7 tiết

 Bảng phân chia thời lượng

 Trọng tâm bài giảng

- Giới thiệu công nghệ sinh học xử lý ô nhiễm tại chỗ đất và nước ngầm ô nhiễm

- Phương pháp thực hiện xử lý ô nhiễm:

+ Điều tra khảo sát

+ Các kỹ thuật xử lý

NỘI DUNG BÀI GIẢNG

1 GIỚI THIỆU [1 tr 399; 402]

Các công nghệ sinh học:

•Bên ngoài (ex situ) xử lý tại nơi ô nhiễm (on-site) hoặc nơi khác để xử lý (off-site)

•Tại chỗ (in situ) giữ các điều kiện tự nhiên trong quá trình xử lý

Mục tiêu: khoáng hóa các chất ô nhiễm bằng các vi sinh vật để tạo các sản phẩm không

gây hại

Các vi sinh vật cần các cơ chất bổ sung cho sự phát triển và phân hủy sinh học, cácnguyên tố bổ sung: cacbon, nitơ và photpho; các nguyên tố đa lượng và vi lượng khác…

Bên cạnh quá trình khoáng hóa, các quá trình sinh hóa có thể làm giảm độc tính của chất

ô nhiễm

Hình 4.1: Hai phương thức kích hoạt và tăng cường vi sinh

Câu hỏi hiểu bài:

1 Bên cạnh quá trình khoáng hóa, các quá trình …… có thể làm giảm độc tính của chất ônhiễm

a Sinh học

b Hóa lý

c Sinh hóa

d Hóa học

2 Các yếu tố ảnh của công nghệ Kích hoạt sinh học(biostimulation)là:

(1) Thêm dinh dưỡng

(2) Tạo điều kiện môi trường thuận lợi: nhiệt độ, độ ẩm, pH…

(3) Thêm vi sinh vật: nuôi cấy trong phòng thí nghiệm và tự nhiên

(4) Đáp ứng nhu cầu oxy và chất cho nhận điện tử

3 Yếu tố chính của công nghệ Tăng cường sinh học(bioaugmentation)là:

(1) Thêm dinh dưỡng

(2) Tạo điều kiện môi trường thuận lợi: nhiệt độ, độ ẩm, pH…

(3) Thêm vi sinh vật: nuôi cấy trong phòng thí nghiệm và tự nhiên

(4) Đáp ứng nhu cầu oxy và chất cho nhận điện tử

Chọn đáp án đúng:

a 1 và 2