Bài giảng vi sinh môi trường

PHẦN VI SINH VẬT ĐẠI CƯƠNG CHƯƠNG SINH THÁI VI SINH VẬT VÀ MÔI TRƯỜNG 1.1 Vi sinh vật tự nhiên vai trò chúng môi trường 1.1.1 Khái niệm, lịch sử phát triển vi sinh vật học Vi sinh vật học (Microbiology) Là khoa học nghiên cứu thể sống hiển vi siêu hiển vi, cấu tạo tế bào quy luật hoạt động chúng, sử dụng vi sinh vật nhằm phục vụ lợi ích người giữ vững hệ sinh thái Trái Đất Vi sinh vật (Microorganisms) Là tên gọi chung để tất loại sinh vật nhỏ bé, nhìn rõ kính hiển vi quang học kính hiển vi điện tử Vi sinh vật giới sinh vật vô nhỏ bé mà ta quan sát thấy mắt thường Nó phân bố khắp nơi, đất, nước, không khí, thực phẩm Nó có mặt độ sâu tăm tối đại dương Bào tử tung bay tầng cao bầu khí quyển, chu du theo đám mây Nó sống kính, da, giấy, thiết bị kim loại Vi sinh vật bao gồm nhiều nhóm khác nhau: Virus Archaea (Cổ khuẩn hay gọi vi khuẩn cổ) Vi khuẩn (Bacteria) Xạ khuẩn (Actinomycetes) Vi nấm (Microfungi) Vi tảo (Microalgae) Giữa nhóm mối liên hệ chặt chẽ mặt hình thái hay phân loại, người ta gộp chúng lại chúng có số phương pháp nuôi dưỡng, nghiên cứu hoạt động sinh lý gần giống Lịch sử phát triển vi sinh vật Căn vào trình phát triển chia vi sinh vật học làm giai đoạn: Giai đoạn trước phát minh kính hiển vi Từ thời cổ xưa người biết ủ phân, trồng xen họ đậu với trồng khác, ủ men, nấu rượu,… chưa giải thích chất biện pháp Trong trình định canh người thấy tác hại bệnh Đối với bệnh “rỉ sắt” thời Aristote người ta xem tạo hóa gây Ở Hy Lạp người ta cho bị bệnh đất xấu, phân xấu, gây khí hậu không ôn hòa chủ yếu trời đất Trung Quốc vào kỷ thứ trước công nguyên “Ký thắng Chi thư” ghi: muốn cho ây tốt phải dùng phân tằm, phân tằm dung phân tằm lẫn tạp Trong sách ghi nhận trồng xen họ đậu với loại trồng khác Trong tài liệu “Giáp cốt” Trung Quốc cách 4000 năm thấy đề cập đến kỹ thuật nấu rượu Người ta nhận thấy trình lên men rượu có tham gia mốc vàng, vi sinh vật ứng dụng vào sản xuất, phục vụ sống từ lâu Nhưng người ta chưa hiểu chất vi sinh vật, đến kính hiển vi quang học đời, hiểu biết vi sinh vật phát triển, mở trước mắt nhân loại giới mới, giới vi sinh vật vô nhỏ bé vô phong phú Giai đoạn sau phát minh kính hiển vi (Phát vi sinh vật) Leewenhoek người phát vi sinh vật nhờ phát minh kính hiển vi, ông thương nhân buôn vải, muốn tìm hiểu cấu trúc sợi vải ông chế tạo thấu kính lắp ráp chúng thành kính hiển vi có độ phóng đại 160 lần, ông quan sát nước ao tù, nước ngâm chất hữu cơ, bựa răng,… Leewenhoek nhận thấy đâu có sinh vật nhỏ bé Rất ngạc nhiên trước tượng quan sát ông viết “Tôi thấy bựa miệng có tất nhiều sinh vất tý hon hoạt động, chúng nhiều so với vương quốc Hà Lan hợp nhất” Phát minh Leewenhoek củng cố quan niệm khả tự hình thành vi sinh vật Thời gian người ta cho sinh vật quan sát vật vô sinh, thịt, cá sinh dòi sau người ta cho đời thuyết tự sinh (hay thuyết ngẫu sinh) Giai đoạn vi sinh vật học thực nghiệm với pasteur Đến kỷ XIX với phát triển chủ nghĩa tư bản, ngành khoa học kỹ thuật nói chung vi sinh vật học nói riêng, phát triển mạnh mẽ, nhiều nhà khoa học quan sát nghiên cứu số vi sinh vật gây bệnh sáng tạo số phương pháp để nghiên cứu vi sinh vật Đóng góp cho phát triển vi sinh vật giai đoạn phải kể đến nhà bác học người Pháp Pasteur (1822 – 1895) Với công trình nghiên cứu ông đánh đổ học thuyết tự sinh, nhờ chế tạo bình cổ ngỗng Ông chứng minh thuyết tự sinh không thí nghiệm sau: TN1: Dùng bình chứa nước thịt đun sôi, để nguội sau thời gian nước thịt đục, quan sát thấy có vi sinh vật TN2: Tiến hành thí nghiệm thứ sau ông bịt kín miệng bình lại, để thời gian nước thịt không bị vẩn đục Lúc người phản đối, họ nói không khí nên vi sinh vật không phát triển Chưa thuyết phục họ ông làm thí nghiệm TN3: Ông uốn cổ bình giống hình cổ ngỗng kéo dài cho thong với không khí, sau đun sôi để thời gian nước thịt không bị đục, người ta công nhận bác bỏ thuyết tự sinh Pasteur người đề xuất thuyết mầm bệnh, thuyết miễn dịch học, sở để sản xuất vaccine phòng bệnh Ông chứng minh bênh than cừu vi khuẩn gây lan truyền từ bệnh sang lành ông tiến hành thí nghiệm tiêm phòng vaccine nhiệt than cho cừu năm 1881, ông chọn 50 cừu khỏe mạnh, tương đồng, tiêm vaccine cho 25 25 không tiêm vaccine, sau cường độc 25 không tiêm vaccine bị chết 25 tiêm vaccine sống bình thường Thời bị chó dại cắn phải chết, thương tâm trước chết người bị chó dại cắn, ông lao vào nghiên cứu vaccine phòng trị bệnh chó dại, thành công cứu bé trai thoát khỏi bệnh dại Sau thành công nhà hảo tâm xây dựng bệnh viện Pasteur Pháp, sau nhân rộng ra, thành công lớn Pasteur nhân loại Mặc dầu L Pasteur người chứng minh sở khoa học việc chế tạo vaccine thuật ngữ vaccine lại bác sĩ nông thôn người Anh Edward Jenner (1749 – 1823) đặt Giai đoạn sau Pasteur vi sinh học đại Tiếp theo sau Pasteur Koch (Robert Koch 1843 – 1910), người có công việc phát triển phương pháp nghiên cứu vi sinh vật Ông đề phương pháp chứng minh vi sinh vật nguyên nhân gây bệnh truyền nhiễm mà ngày nhà nghiên cứu bệnh học phải theo gọi quy tắc Koch Ngày 24 – – 1982, Koch công bố công trình khám phá vi trùng gây bệnh lao gọi Mycobacterium tuberculosis, bệnh nan y thời Khám phá mở đường cho việc chữa trị bệnh ngày Kế học trò Koch Petri (Juliyes Pichard Petri, 1852 – 1921) chế dụng cụ nghiên cứu vi sinh vật mà ngày dung tên ông để đặt cho dụng cụ ấy: đĩa Patri Ông nêu biện pháp nhuộm màu vi sinh vật Ivanopxki, 1892 va Benijerrinck, 1896 người phát virus giới chứng minh vi sinh vật nhỏ vi khuẩn, qua lọc sứ xốp, nguyên nhân gây bệnh khảm thuốc Ngày vi sinh vật phát triển sâu với hàng trăm nhà bác học có tên tuổi hàng chục ngàn người tham gia nghiên cứu, nghiên cứu sâu vào chất sống mức độ phân tử phân tử, sâu vào kỹ thuật cấy mô tháo lắp gen vi sinh vật ứng dụng kỹ thuật tháo lắp để chữa bệnh cho người, gia súc, trồng sâu vào để giải bệnh ung thư loài người 1.1.2 Vai trò vi sinh vật tự nhiên bảo vệ môi trường Vi sinh vật đóng vai trò vô quan trọng thiên nhiên sống người Nó biến đá mẹ thành đất trồng, làm giàu chất hữu đất, tham gia vào tất vòng tuần hoàn vật chất tự nhiên Nó khâu quan trọng chuỗi thức ăn hệ sinh thái Nó đóng vai trò định trình tự làm môi trường tự nhiên Từ xa xưa, người biết sử dụng vi sinh vật đời sống hàng ngày Các trình làm rượu, làm dấm, làm tương, muối chua thực phẩm ứng dụng đặc tính sinh học nhóm vi sinh vật Khi khoa học phát triển, biết rõ vai trò vi sinh vật, việc ứng dụng sản xuất đời sống ngày rộng rãi có hiệu lớn Ví dụ việc chế vacxin phòng bệnh, sản xuất chất kháng sinh dược phẩm quan trọng khác Đặc biệt bảo vệ môi trường, người ta sử dụng vi sinh vật làm môi trường, xử lý chất thải độc hại Sử dụng vi sinh vật việc chế tạo phân bón sinh học, thuốc bảo vệ thực vật không gây độc hại cho môi trường, bảo vệ mối cân sinh thái Trong thiên nhiên nhóm vi sinh vật có ích trên, có nhóm vi sinh vật gây hại Ví dụ nhóm vi sinh vật gây bệnh cho người, động vật thực vật, nhóm vi sinh vật gây ô nhiễm thực phẩm, ô nhiễm nguồn nước, đất không khí Nếu nắm vững sở sinh học tất trình có lợi hay có hại trên, ta đưa biện pháp khoa học để phát huy mặt có lợi hạn chế mặt gây hại vi sinh vật, đặc biệt bảo vệ môi trường - Vi sinh vật mang lại lợi ích cho người nhiều lĩnh vực công nghệ chế biến thực phẩm, dược phẩm, công nghệ sinh học môi trường.làm môi trường, xử lý chất thải độc hại tạo lên chế phẩm sinh học bảo vệ người, động thực vật, không gây độc hại với môi trường, bảo vệ môi trường sinh thái Vai trò vi sinh vật Đại đa số vi sinh vật “bạn”: - Về nông nghiệp: cố định đạm cho trồng; tuần hoàn chất dinh dưỡng đất; giúp gia súc tiêu hóa cỏ, rơm thành thịt… - Về thực phẩm: tạo thực phẩm lên men (bia, rượu, fomage, yaourt…); kéo dài thời gian bảo quản; tạo phụ gia thực phẩm… - Về công nghiệp: tạo dung môi hữu cơ, chất dinh dưỡng, vitamin, sinh khối… - Về y tế: sản xuất kháng sinh, giúp ổn định hệ vi khuẩn đường ruột - Về môi trường: phân hủy chất thải, cải thiện môi trường bị ô nhiễm thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ… - Về lượng: tạo khí methane dùng làm nhiên liệu; tạo H2 từ lượng ánh sáng nguồn lượng vô cơ, hữu dùng làm nguồn lượng tái sinh tương lai - Có vai trò thiếu Công nghệ Sinh học đại Một sô vi sinh vật “thù”: - Gây bệnh người - Gây bệnh vật nuôi - Gây bệnh trồng - Gây hư hỏng dụng cụ thiết bị… 1.2 Sinh thái vi sinh vật môi trường 1.2.1 Vi sinh vật đất vai trò chúng Đất môi trường thích hợp vi sinh vật nơi cư trú rộng rãi vi sinh vật, thành phần số lượng so với môi trường khác Sở dĩ đất nói chung đất trồng trọt nói riêng có khối lượng lớn chất hữu Đó nguồn thức ăn cho nhóm vi sinh vật dị dưỡng Các chất vô có đất nguồn dinh dưỡng cho nhóm vi sinh vật tự dưỡng Các chất dinh dưỡng không tập trung nhiều tầng đất mà phân tán xuống tầng sâu Bởi tầng đất khác nhau, phân bố vi sinh vật khác phụ thuộc vào hàm lượng chất dinh dưỡng Mức độ thoáng khí đất điều kiện ảnh hưởng đến phân bố vi sinh vật Các nhóm hiếu khí phát triển nhiều nơi có nồng độ oxy cao Những nơi yếm khí hàm lượng oxy thấp thường phân bố nhiều loại vi sinh vật kỵ khí Độ ẩm nhiệt độ đất ảnh hưởng đến phát triển vi sinh vật đât Đất vùng nhiệt đới thường có độ ẩm 70-80% nhiệt độ 20-300C Đó nhiệt độ độ ẩm thích hợp với đa số vi sinh vật Bởi gram đất thường có hàng chục triệu đến hàng tỷ tế bào vi sinh vật bao gồm nhiều nhóm khác Sự phân bố vi sinh vật đất Vi sinh vật thể nhỏ bé dễ dàng phát tán nhờ gió, nước sinh vật khác Bởi di chuyển cách dễ dàng đến nơi tự nhiên Nhất vi sinh vật có bào tử, bào tử chúng có khả sống tiềm sinh điều kiện khó khăn Khi gặp điều kiện thuận lợi, chúng lại phát triển, sinh sôi Số lượng, thành phần vi sinh vật đât thay đổi nhiều Trước hết số lượng, thành phần vi sinh vật bề mặt đất bề mặt đất độ ẩm thích hợp cho vi sinh vật phát triển, hai bề mặt đất bị mặt trời chiếu rọi nên vi sinh vật bị tiêu diệt Số lượng thành phần vi sinh vật thấy nhiều chiều sâu đất 10 – 20 cm so với bề mặt, tầng lớp độ ẩm vừa thích hợp, chất dinh dưỡng tích lũy nhiều, không bị tác dụng ảnh sáng mặt trời nên vi sinh vật phát triển nhanh, trình chuyển hóa quan trọng đất chủ yếu xảy tầng đất Số lượng thành phần vi sinh vật giảm độ sâu cảu đất 30 cm sâu – cm Số lượng thành phần vi sinh vật đất thay đổi tùy chất, nơi đất nhiều chất hữu , giàu chất mùn có độ ẩm thích hợp vi sinh vật phát triển mạnh, thí dụ đầm lầy, đồng nước trũng, ao hồ, khúc sông chết, cống rãnh, Còn nơi đất có đá, đất có cát số lượng thành phần vi sinh vật Sự phân bố vi sinh vật đất chia phân bố theo chiều sâu, phân bố theo loại đât 1.2.2 Vi sinh vật nước Nước ngầm, nước mưa tuyết Đây loại nước tự nhiên chứa vi sinh vật Những nơi không khí nhiều bụi số vi sinh vật lên tới hàng nghìn tế bào 1cc Nước mặt bao gồm nước ao hồ, sông biển Nước mặt chứa nhiều vi sinh vật Nước ao hồ: Nước gần bờ số lượng vi sinh vật nhiều chỗ cách xa bờ Sau mưa số lượng vi sinh vật tăng lên nhiều, Những ngày nắng số lượng vi sinh vật giảm Lượng vi sinh vật thay đổi theo chiều sâu ao hồ Ở hồ sâu lượng vi sinh vật nhiều mặt mà lớp nước sâu từ đến 20m Nước sông: Nước sông thay đổi nhiều thành phần vi sinh vật dòng sông chảy qua thành phố, khu công nghiệp trung tâm khu dân cư thường nhiều nơi khác Vì khúc sông phía thành phố nhiều vi sinh vật khúc sông thành phố Sau chảy sông gặp nhiều nhánh sông khác thức ăn hết dần nước tự nhiên trở lên Nước biển: Cũng chứa nhiều vi sinh vật gần bờ Sự phân bố vi sinh vật môi trường nước: Vi sinh vật có mặt khắp nơi nguồn nước Sự phân bố chúng hoàn toàn không đồng mà khác tùy thuộc vào đặc trưng loại môi trường Các yếu tố môi trường quan trọng định phân bố vi sinh vật hàm lượng muối, chất hữu cơ, pH, nhiệt độ ánh sáng Nguồn nhiễm vi sinh vật quan trọng nhóm chuyên sống nước ta có nhóm nhiễm từ môi trường khác vào từ đất, chất thải người động vật Vi sinh vật nước đưa từ nhiều nguồn khác nhau: Trích ly pha lỏng ứng dụng để làm nước thải chứa phenol, dầu, axit hữu cơ, ion kim loại,… Phương pháp ứng dụng nồng độ chất thải lớn 3-4 g/l, giá trị chất thu hồi bù đắp chi phí cho trình trích ly Làm nước thải phương pháp trích ly bao gồm giai đoạn: Giai đoạn thứ nhất: Trộn mạnh nước thải với chất trích ly (dung môi hữu cơ) điều kiện bề mặt tiếp xúc phát triển chất lỏng hình thành pha lỏng Một pha chất trích với chất trích pha khác nước thải với chất trích Giai đoạn thứ hai: Phân riêng hai pha lỏng nói Giai đoạn thứ ba: Tái sinh chất trích ly Để giảm nồng độ tạp chất tan thấp giới hạn cho phép cần phải chọn chất trích vận tốc cho vào nước thải 6.2.3 Phương pháp hóa học (oxy hóa, trung hòa)  Trung hòa Nước thải chứa axit vô kiềm cần trung hoà đưa pH khoảng 6.5 đến 8.5 trước thải vào nguồn nước sử dụng cho công nghệ xử lý - Trộn lẫn nước thải axit với nước thải kiềm - Bổ sung tác nhân hoá học - Lọc nước axit qua vật liệu có tác dụng trung hoà - Hấp thụ khí axit nước kiềm hấp thụ ammoniac nước axit  Oxy hóa khử Mục đích phương pháp chuyển chất ô nhiễm độc hại nước thải thành chất độc loại khỏi nước thải Quá trình tiêu tốn lượng lớn tác nhân hoá học, trình oxy hoá hoá học dùng trường hợp tạp chất gây ô nhiễm bẩn nước thải tách phương pháp khác Thường sử dụng chất oxy hoá clo khí lỏng, NaOCl, KMnO4, Ca(ClO)2, H2O2, Ozon,…  Khử trùng nước thải - Phương pháp phổ biến phương pháp Chlor hoá Chlor cho vào nước thải dạng Clorua vôi Lượng Chlor hoạt tính cần thiết cho đơn vị thể tích nước thải là: 10 g/m3 nước thải sau xử lý học, g/m3 sau xử lý sinh học hoàn toàn Chlor phải trộn với nước để đảm bảo hiệu khử trùng, thời gian tiếp xúc nước hoá chất 30 phút trước nước thải nguồn - Phương pháp Chlor hoá nước thải Clorua vôi áp dụng cho trạm nước thải có công suất 1000 m3/ngđ - Phương pháp Ozon hoá Ozon hoá tác động mạnh mẽ với chất khoáng chất hữu cơ, oxy hoá Ozon cho phép đồng thời khử màu, khử mùi, tiệt trùng nước Phương pháp Ozon hoá xử lý phenol, sản phẩm dầu mỡ, H2S, hợp chất Asen, thuốc nhuộm,… Sau trình Ozon hoá số lượng vi khuẩn bị tiêu diệt đến 99% Ngoài ra, Ozon oxy hoá hợp chất Nitơ, Photpho,… Nhược điểm phương pháp giá thành cao thường ứng dụng rộng rãi xử lý nước cấp 6.3 Các hệ thống xử lý sinh học điều kiện tự nhiên 6.3.1 Cánh đồng lọc cánh đồng tuới (nguyên lý, đặc trưng vận hành) Đó cánh đồng rộng ngăn thành nhiều ô Dưới sâu 2m có lắp hệ thống thoát nước Người ta dẫn nước thải vào ô, vi sinh vật phát triển sử dụng chất hữu có nước thải Lượng nước qua thời gian thấm dần qua lớp đất, vi sinh vật bị giữ lại dẫn đến lượng vi sinh vật giảm Người ta thấy dùng đất cát thấm tự nhiên với bề mặt dài 2m giữ lại lượng vi sinh vật 90% có nước thải Trên cánh đồng tưới nước luân phiên canh tác Phương pháp đơn giản, không cần đầu tư lớn Tuy nhiên nhược điểm cường độ trình chậm, thường thích hợp nước phát triển Phương pháp thùng lọc sinh học: Là thiết bị sinh học hình trụ có kích thước tương đối lớn, chất đầy vật liệu xốp: đá răm, cát sỏi, bề dày  m, dẫn nước thải lên phía lớp vật liệu lọc Nước thải thấm qua lớp vật liệu lọc, vi sinh vật lớp vật liệu lọc vô hóa hợp chất hữu đồng thời lớp vật liệu lọc giữ lại vi sinh vật có nước thải Trong trình người ta thường kết hợp việc thông khí cưỡng tự nhiên cho thiết bị Phương pháp thùng hiếu khí: Nguyên tắc làm đông tụ phần tử lơ lửng làm oxihoa hợp chất hữu cơ, vô tác dụng bùn hoạt động Bùn hoạt động loại bùn đặc biệt chứa nhiều vi sinh vật có khả vô hóa mạnh mẽ hợp chất hữu Đặc điểm: gam bùn chứa hàng nghìn tỷ tế bào vi sinh vật Thùng hiếu khí bể chứa lớn người ta cho chảy vào bể nước thải lượng bùn hoạt động xác định, để xúc tiến trình hiếu khí người ta thường thổi không khí liên tục vào bể chứa Do hoạt động vi sinh vật nước thải làm sau khoảng 4h Quá trình vô hóa gần hoàn toàn Phương pháp thùng yếm khí: Nguyên lý hoạt động: Làm nước nhờ vi sinh vật yếm khí Đó thiết bị đặc biệt dung tích khoảng 600 m3 Người ta đem chất cặn bã hữu thu sau trình lắng nước thải vào thùng Những bã hữu phức tạp: protit, lipit, xenluloza, pectin gluxit trình lên men thối tạo thành hỗn hợp khí gồm 66% metan; 18,4% CO2; 7,7% H2 7,6% N2 Đây loại khí thắp có giá trị công nghiệp để làm nguyên liệu 6.3.1 Hồ sinh học (hồ kỵ khí, hiếu khí hồ hỗn hợp) Cơ sở khoa học: Phương pháp dựa vào khả tự làm nước chủ yếu vi sinh vật thủy sinh khác có sẵn nước thải Các chất ô nhiễm bị phân hủy thành chất khí nước Như trình làm trình hiếu khí mà có trình yếm khí trình tùy tiện Hồ ổn định hiếu khí Là loại ao cỡ 0,3 – 0,5m thiết kế cho ánh sáng mặt trời thâm nhập vào lớp nước nhiều làm phát triển tảo hoạt động quang hợp để tạo oxy Điều kiện không khí đảm bảo từ mặt đến đáy ao Dạng đơn giản ao hồ ổn định ưa khí hồ lớn, nông đất Chúng sử dụng để xử lý nước thải trình tự nhiên bao gồm việc sử dụng tảo vi khuẩn Hồ ổn định hiếu khí chứa vi khuẩn tảo thể lơ lửng điều kiện ưa khí ngự trị suốt chiều sâu hồ Có hai loại hồ ưa khí chính: Một loại mục tiêu sản xuất tảo mức độ tối đa, hồ thường bị giới hạn độ sâu khoảng 15 – 45 cm Loại thứ hai mục tiêu sản xuất oxy mức tối đa độ sâu hồ thường đạt tới 1,5 m Lượng oxy cung cấp cho nước hồ chủ yếu nguồn sản phẩm trình quang hợp khuếch tán từ không khí Ngoài nâng cao lượng oxy nước sục khí Hồ ổn định kỵ khí Là loại ao sâu không cần oxy hòa tan cho hoạt động vi sinh vật Ở loại vi sinh kị khí vi sinh tùy nghi dùng oxy từ hợp chất nitrat, sunphat để oxy hóa chất hữu thành metan CO2 Như ao có khả tiếp nhận khối lượng lớn chất hữu không cần trình quang hợp tảo Hồ kỵ khí thường dùng để xử lý nước thải có độ ô nhiễm hữu cao chứa hàm lượng chất rắn lớn Điển hình hồ sâu đất có ống dẫn vào hợp lý Để bảo toàn nhiệt trì điều kiện kỵ khí, hồ kỵ khí xây dựng với chiều sâu m Thông thường hồ điều kiện kỵ khí suốt chiều sâu chúng trừ lớp nhỏ bề mặt Sự ổn định chất hữu xảy kết hợp trình kết tủa chuyển hóa kỵ khí CO2 CH4 Các sản phẩm cuối thể khí khác, axit hữu mô tế bào Hồ ổn định tùy nghi Loại ao hồ thường sử dụng nhiều Ao hồ ổn định chất thải tùy nghi loại ao hoạt động theo hai trình hiếu khí kỵ khí Ao thường sâu từ đến m, thích nghi cho việc phát triển tảo vi sinh tùy nghi Ban ngày có ánh sáng trình xảy ao hiếu khí, ban đêm lớp đáy ao trình kỵ khí Có vùng hồ tùy nghi: Vùng bề mặt: Trong vi khuẩn ưa khí tảo tồn mối quan hệ cộng sinh Vùng đáy: Trong cac chất rắn tích tụ bị phân hủy vi khuẩn kỵ khí Vùng trung gian: Vừa có phần ưa khí, phần kỵ khí, việc phân hủy chất thải hữu tiến hành vi khuẩn tùy tiện 6.4 Hệ thống xử lý sinh học nhân tạo hiếu khí 6.4.1 Nguyên lý trình xử lý sinh học hiếu khí (cơ chế tác nhân) Để thiết kế vận hành bể xử lý sinh học có hiệu phải nắm vững kiến thức sinh học có liên quan đến trình xử lý Trong bể xử lý sinh học vi khuẩn đóng vai trò quan trọng hàng đầu chịu trách nhiệm phân hủy thành phần hữu nước thải Trong bể bùn hoạt tính phần chất thải hữu vi khuẩn hiếu khí hiếu khí không bắt buộc sử dụng để lấy lượng để tổng hợp chất hữu lại thành tế bào vi khuẩn Vi khuẩn bể bùn hoạt tính thuộc giống Pseudomonas, Zoogloea, Achromobacter, Flavobacterium, Nocardia, Bdellovibrio, Mycobacterium hai loại vi khuẩn nitrát hóa Nitrosomonas Nitrobacter Ngoài có cácloại hình sợi Sphaerotilus, Beggiatoa, Thiothrix, Lecicothrix Geotrichum Ngoài vi khuẩn vi sinh vật khác đóng vai trò quan trọng bể bùn hoạt tính Ví dụ nguyên sinh động vật Rotifer ăn vi khuẩn làm cho nước thải đầu mặt vi sinh Khi bể xử lý xây dựng xong đưa vào vận hành vi khuẩn có sẵn nước thải bắt đầu phát triển theo chu kỳ phát triển vi khuẩn mẻ cấy vi khuẩn Trong thời gian đầu, để sớm đưa hệ thống xử lý vào hoạt động ổn định dùng bùn bể xử lý hoạt động gần cho thêm vào bể hình thức cấy thêm vi khuẩn cho bể xử lý Chu kỳ phát triển vi khuẩn bể xử lý bao gồm giai đoạn: Giai đoạn chậm (lag-phase): xảy bể bắt đầu đưa vào hoạt động bùn bể khác cấy thêm vào bể Đây giai đoạn để vi khuẩn thích nghi với môi trường bắt đầu trình phân bào Giai đoạn tăng trưởng (log-growth phase): giai đoạn tế bào vi khuẩn tiến hành phân bào tăng nhanh số lượng Tốc độ phân bào phụ thuộc vào thời gian cần thiết cho lần phân bào lượng thức ăn môi trường Giai đoạn cân (stationary phase): lúc mật độ vi khuẩn giữ số lượng ổn định Nguyên nhân giai đoạn (a) chất dinh dưỡngcần thiết cho trình tăng trưởng vi khuẩn bị sử dụng hết, (b) số lượng vi khuẩn sinh với số lượng vi khuẩn chết Giai đoạn chết (log-death phase): giai đoạn số lượng vi khuẩn chết nhiều số lượng vi khuẩn sinh ra, mật độ vi khuẩn bể giảm nhanh Giai đoạn loài có kích thườc khả kiến đặc điểm môi trường 6.4.2 Các dạng xử lý hiếu khí 6.4.2.1 Xử lý bùn hoạt tính (dạng lơ lửng) Trong nước thải, sau thời gian làm quen, tế bào vi khuẩn bắt đầu tăng trưởng, sinh sản phát triển Nước thải có hạt lơ lửng khó lắng Các tế bào vi khuẩn dính vào hạt lơ lửng phát triển thành hạt cặn có hoạt tính phân hủy chất hữu nhiễm bẩn nước thể BOD Các hạt thổi khí khuấy đảo lơ lửng nước dần lớn lên hấp phụ nhiều hạt chất rắn lơ lửng nhỏ, tế bào vi sinh vật, nguyên sinh động vật chất độc Những hạt ngừng thổi khí chất hữu làm chất cho vi sinh vật nước cạn kiệt chúng lắng xuống đáy bể hồ thành bùn Bùn gọi bùn hoạt tính Bùn hoạt tính tập hợp vi sinh vật khác nhau, chủ yếu vi khuẩn, kết lại thành dạng hạt với trung tâm hạt chất rắn lơ lửng nước Các có màu vàng nâu dễ lắng có kích thước từ đến 150 µm Những gồm vi sinh vật sống cặn rắn (khoảng 30 đến 40 % thành phần cấu tạo bông, hiếu khí thổi khí khuấy đảo đầy đủ thời gian ngắn số khoảng 30%, thời gian dài khoảng 35% kéo dài tới vài ngày tới 40%) Những vi sinh vật sống chủ yếu vi khuẩn, nấm men, nấm mốc, xạ khuẩn, động vật nguyên sinh, giun, Bùn hoạt tính lắng xuống “bùn già” hoạt tính giảm Nếu hoạt hóa (trong môi trường thích hợp có sục khí đầy đủ) sinh trưởng trở lại hoạt tính phục hồi Số lượng vi khuẩn bùn hoạt tính dao động khoảng 108 đến 1012 mg chất khô Phần lớn chúng Pseudomonas, Achomobacter, Alcaligenes, Bacillus, Micrococus, Flavobacterium, Các vi khuẩn tham gia trình chuyển hóa NH3 thành N2 thấy có mặt bùn như: Nitromonas, Acinetobacter, Hyphomicrobium, 6.4.2.2 Xử lý lọc sinh học Màng sinh học tập hợp vi sinh vật chứa chủ yếu hệ vi sinh vật hiếu khí, kỵ khí tùy tiện phát triển gắn với chất mang (gọi sinh trưởng bám kết hay sinh trưởng bám dính) Đầu tiên chất hữu bị phân hủy bới vi sinh vật hiếu khí, sau thấm sâu vào màng nước hết oxi hòa tan chuyển sang phân hủy vi sinh vật kỵ khí Khi chất dinh dưỡng cạn kiệt vi sinh vật màng sinh học chuyển sang hô hấp nội bào khả kết dính giảm dần bị vỡ theo lớp lọc gọi tróc màng Sau màng lại xuất Màu màng sinh học thay đổi theo thành phần nước thải (từ màu vàng xám đến màu tối) Màng mỏng từ 50 – 150 µm, loại màng có hiệu oxi hóa cao, chiều dày màng yếm khí nhỏ, loại màng có khả tái sinh ổn định Màng dày: 700 µm loại màng có vùng yếm khí lớn, hiệu oxy hóa chất hữu giảm, loại màng dễ bị rửa trôi vận tốc dòng vào lớn Màng sinh học có độ dày tối ưu 100 µm, loại có khả tái sinh tốt Khi muốn tạo màng sinh học cần cố định 24h với tỷ lệ C : N : P = 100 : : Yêu cầu vật liệu làm đệm: Diện tích riêng lớn, từ 80 – 220 m2/m3 Có độ bền cơ, hóa, lý cao; nhẹ để sử dụng độ cao vách lọc từ – 10 m Dễ bám dính vi sinh vật, vật liệu rẻ tiền Ưu điểm: Rút ngắn thời gian xử lý diện tích tiếp xúc cao dẫn đến oxi hóa nhanh, hiệu Có thể xử lý hiệu loại nước có hàm lượng nito cao, trình lọc sinh học vừa xảy trình nitrat hóa lớp màng hiếu khí trình nitrat hóa lớp màng yếm khí Nhược điểm: Không khí khỏi hệ thống lọc sinh học thường có mùi hôi thối xung quanh hệ thống lọc sinh học có nhiều ruồi muỗi Nước thải trước vào bể lọc sinh học cần xử lý để tránh gây tượng tắc nghẽn khe hở vật liệu lọc Màng lọc sinh học tạo thành từ hàng triệu đến hàng tỷ tế bào vi khuẩn, vi sinh vật khác có động vật nguyên sinh, thành phần loài số lượng loài màng lọc tương đối đồng Mỗi màng lọc có quần thể riêng khác số lượng chất lượng Ở lớp màng lớp hiếu khí, dễ thấy loại trực khuẩn Bacillus, lớp trung gian vi khuẩn tùy tiện Pseudomonas, Alcaligenes, Flavobacterium, Micrococcus, Bacillus Lớp sâu bên màng kỵ khí, có vi khuẩn kỵ khí khử lưu huỳnh khử nitrat Desulfovibrio 6.4 Công nghệ xử lý yếm khí nước thải CHƯƠNG KỸ THUẬT XỬ LÝ SINH HỌC CHẤT THẢI RẮN 7.1 Khái niệm, nguồn gốc đặc trưng chất thải rắn xử lý sinh học Chất thải rắn sinh hoạt tất chất thải hoạt động sống người thải trình sống sinh hoạt Chất thải rắn sinh hoạt tạo thành từ khu dân cư, quan, trường học, trung tâm dịch vụ thương mại Đặc trưng hàm lượng chất hữu cao (>50%), độ ẩm thay đổi theo mùa, hệ vi sinh vật phức tạp bao gồm (nấm mốc, xạ khuẩn, vi khuẩn có lợi có hại) Thành phần hữu rác thải: Gồm hydrat cacbon, protein, lipit hydrat cacbon chiếm tỷ lệ cao Các hydratcacbon phức tạp khó phân hủy gồm: Xenluloza: Chiếm 50 % gỗ, thân cây, rơm, rạ, Là polime mạch thẳng gồm 10 – 12 nghìn D-glucopyranoza với liên kết β1,4-glucozit Có cấu trúc bền vững, không tan nước không bị tiêu hóa đường tiêu hóa người Có thể phân hủy enzyme xenllulaza thành đường đơn Sản phẩm lên men xenlluloza axit hữu như: axit suzcinic, axetic, formic, lactic, ethanol Hemicelluloses: Có nhiều loại đường khác nhau, phân tử nhỏ xenlluloza, liên kết β-1,4glucozit, β-1,3-glucozit, β-1,6-glucozit Bị phân giải kiềm axit loãng Lignin: Cấu tạo từ trans-p-cumarylic, trans-conerylic trans-xynapylic Bị phân giải phần axit sunfuro, natribisunfit Bị phân hủy nấm bền vững điều kiện yếm khí, phân hủy mạnh mẽ điều kiện hiếu khí Tinh bột: Có nhiều bột ngũ cốc, câu tạo enzyme α-amylaza, β-amylaza, γamylaza thành đường đơn giản Pectin: Hợp chất polymer gốc D-galacturonic thành phần thịt Phân hủy enzyme pectinaza Protein: Polimer gốc axit amin có thành phần động vật thực vật Phân hủy proteaza thành axit amin Các axit amin chuyển hóa nhờ phản ứng khử amin hay khử cacboxyl hay hai Chitin: Có thành phần vỏ tôm, vi khuẩn, côn trùng, Phân hủy enzyme chitinaza Lipit: Là este phức tạp glyxerin axit béo có nhiều thể sinh vật Phân hủy chậm enzyme lipaza 7.2 Các phương pháp sinh học xử lý chất thải rắn giàu chất hữu 7.2.1 Các phương pháp yếm khí chất thải rắn Nguyên lý tác nhân phân giải Phương pháp ủ rác sản xuất phân bón hữu dùng cho chất thải hữu với tác nhân vi sinh vật, tùy theo công nghệ mà vi sinh vật hiếu khí hay khị khí chiếm ưu Giai đoạn thủy phân: Phân cắt hợp chất hữu phân tử lượng lớn thành hợp chất có phân tử lượng nhỏ tinh bột hay xenluloza thành đường đơn Giai đoạn oxyhoa: Với hợp chất không chứa N, oxy hóa hoàn toàn thành CO2 H2O không hoàn toàn thành axit hữu Với hợp chất chứa N, oxi hóa lâu amon hóa, nitrat hóa Với thành phần vô khác S thành SO42-, P thành PO43-, Tác nhân sinh học có sẵn đống rác: Vi khuẩn: Achromobacter, Bacillus, Vibrio, Pseudomonas, Xạ khuẩn: Actinomyces, Micromonospora, Nấm mốc: Aspergillus, Penicillium, Trichoderma, Rhizopus, Bổ sung vi sinh vật có hoạt tính phân giải chất hữu mạnh làm cho trình phân hủy nhanh triệt để Các chế phẩm sinh học: Micromix, Pennax, EM hỗn hợp vi sinh vật nhằm rút ngắn thời gian phân hủy khử mùi hôi, nâng cao hiệu suất phân hủy Phương pháp chôn rác: Thường sử dụng vi sinh vật yếm khí Rác thải sau phân loại phần hữu đem chôn lấp xuống đất sâu khoảng 30 – 40 cm để tránh ruồi, muỗi, côn trùng tạo điều kiện yếm khí cho vi sinh vật phát triển: chủ yếu xenlulo, hemixenlulo, pectin, poly saccharit nhờ vi sinh vật yếm khí chuyển thành chất hữu đơn giản lượng Quá trình yếu tố quan trọng tạo lên chất mùn cung cấp thức ăn hữu cho trồng Phương pháp lên men thiết bị chứa Dựa sở phương pháp có kiểm soát chặt chẽ lượng khí nước thải sinh trình lên men Bổ sung thêm vi sinh vật tuyển chọn để trình lên men xảy nhanh hơn, dễ kiểm soát ô nhiễm Phương pháp lên men lò quay: Rác phân loại đập nhỏ đưa vào lò quay nghiêng với độ ẩm 50% Trong quay rác đảo trộn không cần thổi khí Rác sau lên men ủ chín 20 – 30 ngày Phương pháp ủ dây chuyền có thổi khí cưỡng bức: Rác thu gom phân loại qua nhiều công đoạn thủ công nhặt tay, sàng quay để loại rác có kích thước lớn, băng tải từ để tách kim loại Bề ủ hiếu khí có lắp rãnh dẫn khí, có nhiệt kế tự động nhiệt độ cao quạt bật thổi khí vào để làm giảm nhiệt độ Đống rác cao – m, thể tích bể 150 m3, nhiệt độ 50 – 550C Thời gian ủ rút xuống từ 21 ngày đến ủ chín: phân hủy thành phần khác rác tạo thành phân bón hữu Phân hữu phân loại theo chất lượng có loại 1, 2, Có bổ sung N, P, K thành phần chưa đạt yêu cầu 7.2.2 Các phương pháp xử lý hiếu khí chất thải rắn Trong rác thải chứa nhiều vi sinh vật cặn bã hữu Độ ẩm 60 – 70% thích hợp cho vi sinh vật phát triển Phương pháp ủ rác thành đống không đảo trộn có thổi khí cưỡng Rác chất thành đống cao – 2,5 m, phía có lắp đặt hệ thống phân phối khí Quá trình diễn nhanh hơn, nhiệt độ ổn định ô nhiễm Phương pháp ủ rác có đảo trộn: Trong phương pháp người ta tạo điều kiện thuận lợi cho vi sinh vật hiếu khí hoạt động Cung cấp oxy cho chúng cách đảo trộn thổi khí vào khối ủ Sau rác thải phân hủy toàn phần ủ yếm khí Phương pháp so với phương pháp nhanh hơn, sau thời gian – tháng thu phân hữu Phương pháp kết hợp trình hiếu khí yếm khí: Giai đoạn đầu rác chất thành đống lớn vi sinh vật hiếu khí hoạt động cách tự có kết hợp đảo trộn thông khí cưỡng thời gian từ – 10 ngày Trong thời gian nhiệt độ khối rác tăng lên Đến giai đoạn sau người ta đắp bùn lên đống rác để tạo điều kiện cho vi khuẩn yếm khí tiếp tục phân giải chất hữu Bằng phương pháp giữ độ ẩm cho đống ủ thích hợp với phát triển vi sinh vật tránh không bị tiêu hao nguồn thức ăn nito thời gian  tháng thu phân hữu Các yếu tố ảnh hưởng: Kích thước nguyên liệu: nguyên liệu ngắn trình phân hủy diễn nhanh Có thể dùng máy cắt Độ thông khí nhằm cung cấp oxy cho vi sinh vật tản nhiệt đống ủ cách đảo trộn hay thổi khí nén Độ ẩm thấp vi sinh vật không phát triển được, độ ẩm cao nguyên liệu ướt khó tiếp xúc với oxi tạo vùng yếm khí làm cho vi sinh vật hiếu khí không phát triển không oxy hóa chất thải Độ ẩm trung bình khoảng 50 – 65% pH giai đoạn đầu trình ủ 5,5 – Giai đoạn thủy phân – 5,5 Giai đoạn phân hủy là: 7,5 – 8,5 Tỷ lệ C/N = 30/1 Nếu C/N > 30 trình phân hủy lâu cần phải bổ sung vật liệu giàu N phân chuồng, rễ họ đậu ... nghệ sinh học môi trường. làm môi trường, xử lý chất thải độc hại tạo lên chế phẩm sinh học bảo vệ người, động thực vật, không gây độc hại với môi trường, bảo vệ môi trường sinh thái Vai trò vi sinh. .. Sinh thái vi sinh vật môi trường 1.2.1 Vi sinh vật đất vai trò chúng Đất môi trường thích hợp vi sinh vật nơi cư trú rộng rãi vi sinh vật, thành phần số lượng so với môi trường khác Sở dĩ đất... tự làm nguồn nước hệ sinh thái bị ảnh hưởng 1.2.3 Vi sinh vật không khí Trong không khí có vi sinh vật, thân môi trường thuận lợi cho vi sinh vật sinh trưởng phát triển Vi sinh vật bám hạt bụi