Giáo trình -Vi hóa sinh kỹ thuật môi trường -Chương 2 ppt

Giáo trình -Vi hóa sinh kỹ thuật môi trường -Chương 2 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG CHƯƠNG 2 VI SINH VẬT TRONG NƯỚC THẢI 1. LÝ THUYẾT XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC Với việc phân tích và kiểm soát môi trường thích hợp, hầu hết các loại nước thải đều có thể được xử lý bằng phương pháp sinh học. Mục đích của xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là keo tụ và tách các loại keo không lắng và ổn định (phân hủy) các chất hữu cơ nhờ hoạt động của vi sinh vật hiếu khí ho ặc kỵ khí. Sản phẩm cuối cùng của quá trình phân hủy sinh học thường là các chất khí (CO 2 , N 2 , CH 4 , H 2 S), các chất vô cơ ( NH 4 + , PO 4 3- ) và tế bào mới. Các quá trình sinh học chính sử dụng trong xử lý nước thải gồm 5 nhóm chính: quá trình hiếu khí, quá trình thiếu khí, quá trình kỵ khí, thiếu khí và kỵ khí kết hợp và quá trình hồ sinh vật. Mỗi quá trình riêng biệt còn có thể phân chia thành chi tiết hơn, phụ thuộc vào việc xử lý được thực hiện trong hệ thống tăng trưởng lơ lửng (suspended - growth system), hệ thống tăng trưởng dính bám (attached – growth system), hoặc hệ thống kết hợp. Phương pháp sinh học có ư u điểm là rẻ tiền và có khả năng tận dụng các sản phẩm phụ làm phân bón (bùn hoạt tính) hoặc tái sinh năng lượng (khí methane). Vi sinh vật học cơ sở là phương tiện cho kĩ sư môi trường, để họ thiết kế, xây dựng và quản lí nước thải bằng phương pháp sinh học. Điều quan trọng đối với kĩ sư môi trường là phải hiểu rằng tất cả các hệ sinh vật đều dựa trên nguyên tắc chung. Nhưng sự khác nhau giữa chúng là môi trường và thành phần môi trường. Những vi sinh vật có thể liên tục chuyển hóa các chất hữu cơ trong nước thải bằng cách duy nhất là tổng hợp thành tế bào (nguyên sinh chất) mới. Chúng có thể hấp thụ một lượng lớn các chất hữu cơ qua bề mặt tế bào của chúng. Nhưng sau khi hấp thụ, nếu các chất hữu cơ không được đồng hóa thành tế bào chất thì tốc độ hấp thụ sẽ giảm tới 0. Một lượng nhất định các chất hữu cơ hấp thụ được giành cho việc kiến tạo tế bào. Một lượng khác các chất hữu cơ lại được oxy hóa để sinh năng lượng cần thiết cho việc tổng hợp. Mối quan hệ giữa việc chuyển hóa chất hữu cơ và tổ ng hợp tế bào cùng với việc tiêu thụ oxy (tạo năng lượng) theo Mackiney Ross E được biểu thị như sau: F = K 1 S+K 2 O s (2-1) Với F: lượng chất hữu cơ được chuyển hóa, mg/l theo BOD toàn phần S: lượng sinh khối tổng hợp được, mg/l chất hữu cơ volantin (chất khô không tro) O s : tiêu thụ oxy cho tổng hợp, mg/l oxy hòa tan tự do K 1 : 1,43 K 2 : 1,0 Hai hằng số được dùng để chuyển đơn vị đo lường thành mg/l oxy. Phương trình (2-1) có thể áp dụng cho hệ hiếu khí, còn hệ yếm khí thì khác. Ở hệ yếm khí thì không Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 6 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG có oxy tự do, chỉ có oxy hóa gián tiếp. Đó cũng là oxy hóa nhưng đó là oxy hóa yếm khí, bằng cách sử dụng chất hữu cơ có liên quan với lượng oxy hóa. 1.1. Xử lý hiếu khí Những hệ hiếu khí để xử lý nước thải bao gồm: bùn hoạt tính (aeroten), lọc sinh vật, hồ sinh vật hay hồ oxy hóa, cánh đồng tưới. Phương trình cơ bản được biểu thị trực tiếp theo oxy hòa tan, chừng nào hệ được duy trì trong điều ki ện hiếu khí. Vì yêu cầu một năng lượng nhất định để tạo ra một lượng sinh khối nhất định, nên ta có thể biểu thị mối quan hệ giữa tổng hợp và năng lượng bằng phương trình: O s = 0,7S (2-2) Thay giá trị này vào phương trình (2-1) ta được phương trình biểu thị mối quan hệ giữa lượng chất hữu cơ đã bị khử và lượng chất được tổng hợp: F = 2,13S (2-3) Vấn đề còn lại là xác định chính xác lượng sinh khối được tổng hợp. Đây không phải là do trực tiếp lượng tăng sinh khối mà tổng lượng tăng sinh khối hoạt tính cộng với lượng sinh khối ho ạt tính bị giảm do trao đổi nội bào. S = ∆M a + K 3 M a t (2-4) Với Ma: sinh khối hoạt tính của vi sinh vật, mg/l chất khô volatin (chất khô không tro) t: thời, h K3: 0,006 Thay vào (2-3) ta có: F = 2,13 ∆M a + 0,012M a t (2-5) Đây là phương trình cơ bản được dùng để thiết kế các hệ xử lý nước thải trong điều kiện hiếu khí. Cần nhớ rằng đây không phải là phương trình duy nhất được sử dụng trực tiếp, mà còn phải kết hợp với các phương trình khác để giải bài toán. Quan trọng hơn về phương diện thiết kế là tốc độ phản ứng. Có hai mô hình về tốc độ trong hệ sinh học: Tốc độ tăng và tốc độ giảm. Tốc độ tăng (của phản ứng) diễn ra trong suốt khoảng thời gian của pha sinh trưởng lorarit. Trong khi đó, tốc độ giảm của phản ứng diễn ra ở cả pha sinh trưởng chậm dần lẫn pha oxy hóa nội bào. • Quá trình phân hủy háo khí chất thải hữu cơ: Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 7 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG COHNS + O 2 + VSV hiếu khí → CO 2 + NH 3 + sản phẩm khác + năng lượng Pha sinh trưởng logarit. Nhiều kĩ sư vệ sinh đã cố sử dụng pha sinh trưởng Log để ổn định - xử lý nước thải nhưng vô ích. Trong suốt pha sinh trưởng Log, tốc độ tổng hợp và do đó tốc độ oxy hóa là lớn nhất. Điều đó có nghĩa đơn giản là: đa số các loại nước thải có thể xử lý trong thời gian ngắn. Như ng tiếc rằng, những vi sinh vật có hai đặc điểm sinh hóa ngăn cản việc sử dụng pha Log trong việc xử lý nước thải. Để duy trì pha sinh trưởng Log, phải đảm bảo tỷ lệ giữa thức ăn và vi sinh vật (F:M) luôn luôn lớn hơn 2. Với nước thải sinh hoạt, lượng thực phẩm không cao, do vậy chỉ có lúc bắt đầu xử lý trong hệ sinh học thì F:M mới cao. Ở mức tỷ lệ th ức ăn cao như vậy, vi sinh vật không thể tạo bông, mà sẽ tản mạn trong nước thải. Nước ra khỏi pha sinh trưởng Log vẫn còn chứa nhiều chất hữu cơ chưa được chuyển hóa và nhiều vi khuẩn tản mạn. Chỉ có một số trạm xử lý nước thải công nghiệp có thể sử dụng pha sinh trưởng Log mà thôi. Pha sinh trưởng chậm dần. Pha sinh trưởng chậm dần bắt đầ u khi pha sinh trưởng log kết thúc, khi nồng độ chất hữu cơ trở thành yếu tố giới hạn trong việc sinh trưởng của những tế bào mới. Tốc độ trao đổi chất trong pha sinh trưởng chậm dần không thể xác định được, bởi vì không thể ổn định và liên tục biến đổi khi nồng độ chất hữu cơ giảm. Pha sinh trưởng chậm dần sẽ ngừng lại khi tỷ l ệ F:M giảm xuống tới 0. Đa số các hệ xử lý sinh học được vận hành giữa pha sinh trưởng chậm dần và pha hô hấp nội bào, sao cho tỷ lệ F:M ở thời điểm kết thúc vừa đủ để xác định nồng độ chất hữu cơ còn lại đảm bảo cho sinh khối ở trạng thái hoạt tính. Cần nhấn mạnh rằng tất cả các chất hữu cơ chủ yếu đã được ổn định, nghĩa là đã bị khử từ dạng tan và biến thành tế bào chất ở thời điểm kết thúc pha sinh trưởng chậm. Pha hô hấp nội bào. Sự sinh trưởng không dừng lại ở pha hô hấp nội bào, nhưng tốc độ phân hủy tế bào tăng lên và làm cho sinh khối hoạt tính giảm đi. Một lượng rất nhỏ được tổng hợ p ở pha nội bào nhờ kết quả chuyển hóa chất hữu cơ, nhưng với tốc độ rất chậm. Tốc độ phản ứng trong pha hô hấp nội bào đã được xác định một cách chính xác. Những số liệu thu được chứng tỏ rằng sinh khối hoạt tính bị phân hủy ở tốc độ 0,6%/giờ. Sinh khối hoạt tính (M a ) bị phân hủy thành hai hợp phần: một phần bị oxy hóa, một phần là chất trơ. Phần bị oxy hóa với tốc độ 0,5% trong 1 giờ. Trong khi đó phần trơ bị phân hủy với tốc độ 0.1% /giờ. Chuyển đổi thành phần sinh khối bị oxy hóa thành lượng oxy tiêu thụ ta sẽ được tốc độ tiêu thụ oxy là 0.7% trong 1giờ. O e = 0,007 M a t (2-6) Xác định oxy tiêu thụ ở pha hô hấp nội bào là phương pháp duy nhất cho phép xác định sinh khối hoạt tính trong bùn sinh học. Chẳng hạn có thể xác định sinh khối hoạt tính M a sinh khối không hoạt tính Mi của một sinh khối bất kỳ: Sinh khối tổng cộng = Ma + Mi (2-7) Bình thường việc xác định chất khô không tro (VS) của sinh khối vi sinh vật lơ lửng được tiến hành bằng cách xác định tổng lượng chất hữu cơ trong sinh khối. Từ lượng oxy tiêu thụ trong pha nội bào có thể tính được Ma rồi sau đó tính Mi. Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 8 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Hình 2. 1 Các đường cong tiêu thụ oxy xác định bằng phương pháp Warburg 1.2. Xử lý kỵ khí Quá trình phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ là quá trình sinh hóa phức tạp tạo ra hàng trăm sản phẩm trung gian và phản ứng trung gian. Tuy nhiên, phương trình phản ứng sinh hóa trong điều kiện kỵ khí có thể biểu diễn đơn giản như sau: Vi sinh vật Chất hữu cơ CH 4 + CO 2 + H 2 + NH 3 + H 2 S + Tế bào mới Một cách tổng quát, quá trình phân hủy kỵ khí xảy ra theo 4 giai đoạn (Hình 2.1): • Giai đoạn 1: Thủy phân, cắt mạch các hợp chất cao phân tử • Giai đoạn 2: Acid hóa • Giai đoạn 3: Acetate hóa • Giai đoạn 4: Methane hóa Các chất thải hữu cơ chứa các chất hữu cơ cao phân tử như proteins, chất béo, carbohydrates, celluloses, lignin,… Trong giai đoạn thủy phân, sẽ được cắt mạch tạo thành những phân tử đơn giản hơn, dễ phân hủy hơn. Các phản ứng thủy phân sẽ chuyển hóa protein thành amino acids, carbohydrate thành đường đơn, và chất béo thành acid béo. Trong giai đoạn acid hóa, các chất hữu cơ đơn giản lại được tiếp tục chuyển hóa thành acetic acid, H 2 và CO. Các acid béo dễ bay hơi chủ yếu là acetic acid, propionic và lactic acid. Bên cạnh đó, CO 2 và H 2 , methanol, các rượu đơn giản khác cũng được hình thành trong quá trình cắt mạch cacbohydrat. Vi sinh vật chuyển hóa methane chỉ có thể phân hủy một số loại cơ chất nhất định như CO 2 + H 2 , formate, acetate, methanol, methylamines và CO. Các phương trình phản ứng xảy ra như sau: 4H 2 + CO 2 CH 4 + 2H 2 O 4HCOOH CH 4 + 3CO 2 + 2H 2 O CH 3 COOH CH 4 + CO 2 Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 9 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG 4CH 3 OH 3CH 4 + CO 2 + 2H 2 O 4(CH 3 ) 3 N + H 2 O 9CH 4 + 3CO 2 + 6H 2 O + 4NH 3 24% CHC cao phân tử Acid hữu cơ Acetic acid CH 4 H 2 76% 20% 52% 4% 72% 28% Quá trình nethane hoá Quá trình acctate hoá và khử hydro Quá trình thủy phân Hình 2. 2 Quá trình phân hủy kỵ khí Tùy theo trạng thái của bùn, có thể chia quá trình xử lý kỵ khí thành: - Quá trình xử lý kỵ khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng như quá trình tiếp xúc kỵ khí (Anaerobic Contact Process), quá trình xử lý bằng lớp bùn kỵ khí với dòng nước đi từ dưới lên (Upflow Anearobic Sludge Blanket – UASB): - Quá trình xử lý kỵ khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng bám dính như quá trình lọc kỵ khí (Anaerobic Filter Process). Các phương trình cơ bản của trao đổi yếm khí và trao đổ i hiếu khí khác nhau rất ít. Trong cả hai hệ, lượng chất hữu cơ cần thiết để hình thành tế bào chất đều như nhau. Các mô hình trao đổi chất có nhiều cấu trúc cơ bản giống nhau, năng lượng đòi hỏi để tạo ra một đơn vị tế bào chất cũng phải như nhau ở cả hai hệ. Chỉ có sự khác nhau giữa hai hệ là cơ chế tạo năng lượng và n ăng lượng sản ra trên một đơn vị chất hữu cơ đã chuyển hóa. Có thể thấy rằng, sự trao đổi yếm khí không hiệu quả trong việc sản sinh tế bào chất, nhưng việc sản sinh tế bào chất không phải là mục đích của hệ xử lý nước thải bằng phương pháp sinh hóa. Hệ xử lý nước thải bằng phuơng pháp sinh hóa yếm khí điển hình là tổng cộ ng của việc tạo axit và tạo mêtan. Khi mêtan có mức tan 0,17mg /l thì việc trao đổi yếm khí coi như được hoàn thành, dòng nước ra sẽ chứa ít chất hữu cơ và tạo ra lượng bùn ít nhất. Đó chính là ưu việt của biện pháp xử lý yếm khí nước thải. 2. ĐỘNG HỌC CÁC QUẦN THỂ SINH VẬT TRONG CÁC CÔNG TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI Trong thiên nhiên cũng như trong các công trình làm sạch nước thải thường tồn tại hỗn hợp các loài vi sinh vật. Loài này có th ể cạnh tranh với loài khác vì thức ăn. Có hai kiểu cạnh tranh là: các loài cùng tranh nhau một loại thức ăn và loài này dùng loài khác làm thức ăn. Cạnh tranh vì thức ăn là yếu tố quan trọng trong động học quần thể. Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 10 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG 2.1. Cùng tranh nhau một loại thức ăn Trong cùng điều kiện môi trường như nhau, nếu loại vi sinh vật nào theo đặc tính trao đổi chất của mình, có khả năng đồng hóa được nhiều thức ăn nhất, thì loài đó chiếm vai trò chủ đạo trong môi trường. Nếu hai loài vi khuẩn cùng trong một môi trường dinh dưỡng và cùng có thể sử dụng được dung dịch dinh dưỡng thì chúng cùng sinh trưởng. Nếu một trong hai loài vi khuẩn không thể sử dụng hoàn toàn ch ất dinh dưỡng thì loài đó không thể tồn tại lâu được vì thiếu khả năng tạo năng lượng. Khi hai loài vi khuẩn đều có thể đồng hóa một loại thức ăn với tốc độ như nhau. Nhưng nếu trong hai loài vi khuẩn đó, loài này lớn hơn loài kia, thì số lượng mỗi loài sẽ tùy thuộc khối lượng tế bào chất. Chẳng hạn, loài vi khuẩn A có khối lượng gấp hai lần loài vi khuẩn B, thì số lượng vi khuẩn B sẽ tạo ra gấp đôi số lượng vi khuẩn A, nhưng tổng khối lượng của mỗi loài đều bằng nhau. Thông thường, loài vi khuẩn lớn không thể đồng hóa chất hữu cơ với tốc độ như loài vi khuẩn nhỏ hơn. Nguyên nhân là do tổng diện tích bề mặt tiếp xúc của loài vi khuẩn lớn sẽ nhỏ hơn. Đa số vi khuẩn có kích thước như nhau và cùng sống lâu trong môi tr ường không quen thuộc. Pseudomonas hầu như có thể đồng hóa được mọi chất hữu cơ và sống lâu ở mọi môi trường. Vì vậy loài này là loài đầu tiên có trách nhiệm phân hủy chất hữu cơ trong công trình vệ sinh. Loài Alcaligenes và Flavobacterium cũng quan trọng gần như Pseudomonas vì chúng có thể đồng hóa trước tiên là protein. Ở nơi nào có protein thì ở đó có Alcaligenes và Flavobacterium. Đối với nấm, tảo, động vật nguyên sinh Protozoa cũng di ễn ra sự cạnh tranh tương tự vì thức ăn. Chúng đều có kiểu trao đổi chất với chất dinh dưỡng tan, nhưng kích thước của chúng khác nhau nên tốc độ trao đổi chất khác nhau. Vi khuẩn nhỏ nhất nên có tốc độ trao đổi chất lớn nhất. Sau đó là nấm đến Protozoa. Ở dung dịch chất hữu cơ đậm đặc, với điều kiện hiếu khí, tất cả vi sinh vậ t đều phát triển nhưng vi khuẩn đóng vai trò chủ đạo. Ở dung dịch yếu của chất hữu cơ thì Protozoa không thể làm gì được để sống. 2.2. Loài này ăn loài khác Một trong những kiểu cạnh tranh quan trọng là cạnh tranh giữa thực vật và động vật. Thực vật sử dụng thức ăn dạng tan, trong khi đó động vật lại dùng thức ăn dạng rắn không tan. Thực v ật là thức ăn cho động vật. Với nghĩa thực thì động vật và thực vật không cạnh tranh nhau vì thức ăn, mà chúng chỉ có liên quan tới sự cạnh tranh mà thôi. 2.3. Mối quan hệ mật độ cá thể giữa các quần thể vi sinh vật Điều kiện môi trường và các yếu tố ngoại cảnh: như đã nói ở trên, ảnh hưởng rất nhiều đối với quần thể vi sinh vật. Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 11 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Vi khuẩn chủ đạo thứ cấp Trong hỗn hợp các quần thể vi khuẩn, loại nào sử dụng được cơ chất thì sẽ sinh trưởng nhanh. Khi cơ chất đã bị khử thì vi sinh vật cũng chết và tạo chất nhầy, giải phóng nhiều hợp chất của tế bào ra môi trường – dung dịch. Các hợp phần của tế bào chủ yếu là protein. Kết quả là Flavobacterium và Alcaligenes có khả n ăng sinh trưởng và phát triển. Khi đó ta gọi những loài này là chủ đạo thứ cấp hai bậc hai. Khái niệm này rất quan trọng khi xử lý nước thải công nghiệp, đòi hỏi phải có những vi sinh vật chủ đạo bậc một với chuyên môn cao! Thời gian tiếp xúc quá lâu có thể làm giảm hiệu suất do quần thề vi sinh vật bậc một quá ít. Hình 2. 3 Đồ thị về các loài vi khuẩn chủ đạo sơ cấp và thứ cấp Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 12 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Động học quần thể Protozoa Hình 2. 4 Sự sinh trưởng tương đối của các loài vi sinh vật khi xử lý nước thải chứa chất hữu cơ Ghi chú: số lượng các loài vi sinh vật không trong cùng tỷ lệ. Tính chủ đạo của Protozoa đi kèm rất mật thiết với tính chủ đạo của vi khuẩn. Vì rất dễ nhìn dưới kính hiển vi cho nên Protozoa là những loài chỉ thị quí giá đối với chu trình sinh học và trong việc xử lý nước thải. Mastigophora, Flagellates không bao giờ phát hiện được nhiều ở nước thải, trừ nước rất bẩn và mới nhiễm bẩn. Loài Phytoflagellates phải cạnh tranh với vi khuẩn để giành lấy cơ chất tan, và chúng thường bị thất bại. Loài Zooflagellates thường có ưu thế hơn Phytoflallates lại kém hơn so với loài Ciliates bơi tự do trong việc bắt vi khuẩn. Chừng nào vi khuẩn còn nhiều thì Ciliates bơi tự do cũng sẽ nhiều. Khi quần thể vi khuẩn giảm, thì Ciliates bơi tự do lại phải nhường chỗ cho loài Ciliates có tiêm mao. Ciliates có tiêm mao đớp những hạt lơ lững và nuốt qua ống rất nhanh. Chúng yêu cầu năng lượng rất ít nên có thể sống lâu hơn ở nơi ít quần thể vi khuẩn. Khi môi trường đã được ổn định thì ciliates có tiêm mao cũng không sống nổi vì không đủ năng lượng nữa và phả i nhường chỗ cho Rotifers và những động vật bậc cao hơn. Những loài này có thể sử dụng các chất là những xác chết của vi khuẩn hoặc các hạt lơ lửng hữu cơ khác. Mối quan hệ giữa vi khuẩn và tảo Mối quan hệ giữa tảo và vi khuẩn rất khắng khít và là quan hệ hỗ sinh. Hai loài này không thể cạnh tranh với nhau vì thức ăn, nhưng hoạt động của chúng tùy thuộc lẫn nhau. Vi khuẩn đồng hóa chất hữu cơ trong điều kiện hiếu khí để thành CO 2 và nước. Tảo sử dụng CO 2 và giải phóng oxy. Kiểm tra phân tích các hiện tượng sinh hóa cho thấy: vi khuẩn đồng hóa các chất hữu cơ phức tạp với sự có mặt của oxy để thành tế bào mới CO 2 , amon, và các chất vô cơ để chuyển thành tế bào mới và giải phóng oxy. Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 13 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Hình 2. 5 Mối quan hệ hỗ sinh giữa tảo và vi khuẩn Nuôi cấy đặc biệt Trong xử lý nước thải công nghiệp, nhiều khi phải nuôi cấy các loài đặc biệt và thuần khiết. Tuy nhiên rất khó hiện thực hóa ý niệm này. Hỗn hợp các loài vi sinh vật luôn đạt kết quả khả quan hơn là một loài thuần khiết. Do vậy người ta thường chỉ bổ sung các loài thuần khiết đặc biệt vào hỗn hợp các quần th ể vi sinh vật để thay đổi loài chủ đạo mà thôi. Đương nhiên tính chủ đạo của vi sinh vật này tùy thuộc môi trường và người ta phải cho thêm một khối lượng lớn vi sinh vật thuần khiết trong một khoảng thời gian ngắn. 3. XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG CÁC QUÁ TRÌNH TỰ NHIÊN 3.1. Cánh đồng tưới, cánh đồng lọc Sau khi lắng ở bể đợt một, nước thải được xả ra cánh đồng. Ở đó diễn ra quá trình oxy hóa sinh hóa các chất hữu cơ trong điều kiện hiếu khí. Ở nơi nào tạo thành điều kiện yếm khí thì ở đó quá trình oxy hóa bị cản trở. Ở đây quá trình oxy hóa sinh hóa chất hữu cơ trong nước thải diễn ra được là nhờ các loại vi sinh vật, sinh vật. Những quần thể sinh vật đất cũng gồm: vi khuẩn, nấm, tảo, các loài động vật hạ đẳng và động vật không xương. Nh ững cơ thể sống này trong quá trình hoạt động sẽ thực hiện quá trình tự làm sạch đất sau khi tưới nước thải. Tỷ lệ và số lượng giữa các loài khác nhau nhưng nói chung, kích thước càng nhỏ thì số lượng sinh vật sống trong cùng một dung tích đất sẽ càng nhiều. Trong đất nhiều nhất là vi khuẩn, rồi thứ tự là nấm, tảo và động vật hạ đẳng. Sở dĩ như vậy là vì mỗ i loài sinh vật đất đều có nhiều nhu cầu khác nhau. Khả năng thỏa mãn tất cả những nhu cầu đó sẽ càng cao nếu hạng mục nhu cầu của sinh vật càng ít. Mặt khác, thời gian trưởng thành ở sinh vật lớn hơn sẽ lâu hơn so với sinh vật nhỏ. Như thế khả năng di truyền cho thế hệ sau của sinh vật lớn cũng sẽ ít hơn. Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 14 [...]... gO2/m2 năm (Bảng 1-4) Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 25 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Bảng 2 5 Lượng sản phẩm sơ cấp trong các hố (theo Vinberg 1960) Lượng sản phẩm sơ cấp gO2/m2 Loại hố Trung bình Ngày max năm Ligotrophe 10 – 20 0.5 – 0 Mezotrophe 30 – 20 0 0–7 Loại bể Eutrophe Eutotrophe cao Lượng sản phẩm sơ cấp gO2/m2 Trung bình Ngày max năm 70 – 20 0 5 – 7.5 400 7.5 – 10.0 Chuyển hóa. .. loài cá ăn cỏ - tức là loài thuộc mức dinh dưỡng thứ 2 thì sinh khối cuối cùng sẽ nhiều hơn đáng kể Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 27 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Hình 2 10 Chu trình sinh hoá tự nhiên trong sông hồ 5 .2 Vai trò của các loài thuỷ sinh vật trong quá trình tự làm sạch nguồn nước Vai trò của các loài thuỷ sinh vật trong quá trình phân huỷ chất bẩn hữu cơ trong nguồn nước có... trình tự làm sạch Quá trình tự làm sạch của nguồn nước có thể chia thành 2 giai đoạn: • Quá trình xáo trộn – pha loãng giữa các dòng chất bẩn với khối lượng nguồn nước Đó là quá trình vật lý thuần túy Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 23 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG • Quá trình tự làm sạch với nghĩa riêng của nó Đó là quá trình khoáng hóa các chất bẩn hữu cơ - hay rộng hơn, đó là quá trình. .. trình bùn hoạt tính của nước thải sinh hoạt Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 22 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Hệ số Đơn vị k d-1 mg/LBOD5 mg/LCOD mgVSS/mgBOD5 d-1 Ks Y kd Giá trị Khoảng giá trị Giá trị trung bình 2 -10 5 25 -100 60 15 -70 40 0,4 – 0,8 0,6 0, 025 – 0,075 0,06 Bảng 2 4 Hệ số động học đối với quá trình phân hủy kỵ khí các loại cơ chất Hệ số Bùn sinh hoạt Acid béo Carbonhydrate... sau: Với rr=r20Ф(T -20 ) (1-14) rr: tốc độ phản ứng ở T0C r20: tốc độ phản ứng ở 20 0C Ф: hệ số hoạt hóa nhiệt (nhiệt hoạt động) T: nhiệt độ, oC Bảng 2 2 Hệ số nhiệt hoạt động đối với các quá trình xử lý sinh học Quá trình Bùn hoạt tính Hồ oxy hóa Bể lọc hiếu khí Giá trị Ф Khoảng giá trị 1,00 - 1,08 1,04 -1,10 1, 02 - 1,08 Giá trị trung bình 1,04 1,08 1,035 Bảng 2 3 Hệ số động học đối với quá trình bùn hoạt... phép vi sinh vật thực hiện quá trình trao đổi hiếu khí Bảng 2 7 Lượng màng sinh vật và số vi khuẩn hoại sinh ở các chiều cao khác nhau trong bể lọc khi xử lý nước thải nhà máy sữa Theo chiều cao bể lọc Bề mặt 1m cách bề mặt 2m cách bề mặt Sinh khối màng sinh vật kg/m3 VL lọc 13 ,2 15,3 7,73 Bậc 1 Số vi khuẩn Trong 1g sinh khối màng lọc (triệu) Trong 1m3 VL lọc (tỷ) 1670 20 0 900 22 000 3060 6960 Sinh khối... giữa sinh khối của tế bào hình thành và sinh khối cơ chất tiêu thụ, việc đó được thực hiện trong suốt giai đoạn tăng trưởng logarith) rsu : tốc độ sử dụng cơ chất, (sinh khối/ đơn vị thể tích x thời gian) Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 20 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Hiệu quả phụ thuộc vào các yếu tố: (1) Trạng thái oxy hóa của nguồn carbon và những nguyên tố vi lượng (2) Độ polimer hóa. .. TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG S: năng lượng tích lũy khi tăng sinh khối T: năng lượng tiêu hao trong quá trình trao đổi chất C: năng lượng của phần thức ăn chưa hấp thụ được Hiệu suất sử dụng thức ăn được đặc trưng bằng các hệ số không thứ nguyên: K1= S/A K2= S/ (A-C) = S/ (S+T) Với K1: hệ số sử dụng thức ăn tiêu thụ cho sinh trưởng K2: hệ số sử dụng phần thức ăn đã hấp thụ tiêu thụ cho sinh trưởng... Nguyễn Trần Thiện Khánh 24 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Tổng sản phẩm sơ cấp trong nước nguồn Theo phương thức dinh dưỡng, tất cả các cơ thể sống trên trái đất được chia thành hai loại: sinh vật sản xuất và sinh vật tiêu thụ Sinh vật sản xuất là những loại tự dưỡng, tạo chất hữu cơ bằng cách cố định CO Sinh vật tiêu thụ là những loại dị dưỡng, chỉ sử dụng chất hữu cơ có sẵn Sinh vật sản xuất bao... quá trình sinh trưởng phát triển, các vi sinh vật tiêu thụ càng nhiều oxy Kết quả nồng độ oxy trong nước giảm, thậm chí bị tiêu thụ hoàn toàn, làm thay đổi thế năng oxy hoá khử của môi trường, các phản ứng khử diễn ra chủ yếu: khử nitrat, khử sulphat, hình thành các chất sulphua và ngày càng tạo điều kiện yếm khí trong môi trường (Hình 2. 11) Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 29 TLGD VI HÓA SINH KỸ . Giáo trình -Vi hóa sinh kỹ thuật môi trường -Chương 2 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG CHƯƠNG 2 VI SINH VẬT TRONG NƯỚC THẢI 1. LÝ THUYẾT XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH. 4H 2 + CO 2 CH 4 + 2H 2 O 4HCOOH CH 4 + 3CO 2 + 2H 2 O CH 3 COOH CH 4 + CO 2 Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 9 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG 4CH 3 OH 3CH 4 + CO 2 . + 2H 2 O 4(CH 3 ) 3 N + H 2 O 9CH 4 + 3CO 2 + 6H 2 O + 4NH 3 24 % CHC cao phân tử Acid hữu cơ Acetic acid CH 4 H 2 76% 20 % 52% 4% 72% 28 % Quá trình nethane hoá Quá trình