Mục tiêu của Bài giảng Vi sinh môi trường là cung cấp cho sinh viên những kiến thức, về vi sinh vật học đại cương thường gặp trong kỹ thuật môi trường, về các quá trình sinh học trong xử lý ô nhiễm. Mời các bạn cùng tham khảo!
VI SINH MƠI TRƯỜNG (ENVIRONMENTAL MICROBIOLOGY) Nguyễn Khánh Hồng Viện KHCN QLMT ĐỀ CƯƠNG CHI TIẾT Tên học phần: VI SINH MÔI TRƯỜNG Mã số học phần: 2109232014 Số tín chỉ: (3, 0, 6) Trình độ: Sinh viên năm thứ Phân bố thời gian: - Lên lớp :45 tiết - Thực tập phịng thí nghiệm : - Lý thuyết : 45 - Thực hành :0 Điều kiện tiên quyết: Học xong môn học vi sinh đại cương Mục tiêu học phần: Cung cấp cho sinh viên kiến thức, vi sinh vật học đại cương thường gặp kỹ thuật mơi trường, q trình sinh học xử lý ô nhiễm Mô tả vắn tắt nội dung học phần : Giới thiệu vi sinh vai trò vi sinh vật chu trình sinh địa hóa Các loại vi sinh vật thị, vi sinh vật gây bệnh Môn học cung cấp cho sinh viên kiến thức trình xử lý loại chất thải phương pháp sinh học Tài liệu học tập Sách giáo trình Vi sinh bản- Trường ĐHCN TP HCM Vi sinh vật môi trường – Đỗ Hồng Lan Chi, Lâm Minh Triết – NXB Đại học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh – 2005 Bài giảng Vi sinh vật môi trường Bai Giang VSDC_VSMT_DHMT [Compatibility Mode].pdf https://sites.google.com/a/hui.edu.vn/nguyenkhanhhoang/document Chương 1: Hình thái, cấu tạo Vi sinh vật 1.1 Lịch sử phát triển Vi sinh vật học 1.2 Đặc điểm chung vị trí Vi sinh vật sinh giới 1.3 Hình thái, cấu tạo tế bào nhóm Vi sinh vật nhân nguyên thủy 1.3.1 Hình thái, cấu tạo tế bào Vi khuẩn 1.3.2 Hình thái, cấu tạo tế bào Xạ khuẩn 1.4 Hình thái, cấu tạo tế bào nhóm Vi sinh vật nhân thật 1.4.1 Hình thái, cấu tạo tế bào Nấm men 1.4.2 Hình thái, cấu tạo tế bào Nấm mốc 1.4.3 Hình thái, cấu tạo tế bào Tảo Động vật nguyên sinh 1.5 Hình thái, cấu tạo Virus 1.6 Sự phân bố nhóm Vi sinh vật mơi trường Chương 2: Các trình sinh lý Vi sinh vật 2.1 Thành phần hóa học tế bào Vi sinh vật 2.2 Quá trình dinh dưỡng 2.2.1 Các kiểu dinh dưỡng vi sinh vật 2.2.2 Cơ chế hấp thụ chất dinh dưỡng vi sinh vật 2.3.Quá trình trao đổi chất lượng 2.3.1 Q trình dị hóa 2.3.2 Q trình đồng hóa 2.4 Sự sinh trưởng phát triển vi sinh vật 2.4.1 Lý thuyết phát triển vi sinh vật 2.4.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến sinh trưởng, phát triển Vi sinh vật Chương Phân giải, chuyển hóa vật chất chu trình sinh địa hóa 3.1 Chu trình C 3.1.1 Vi sinh vật phân giải hợp chất hữu chứa C 3.1.2 Vi sinh vật phân giải hydratcarbon 3.1.3 Vi sinh vật phân giải lignin 3.1.4 Chu trình C 3.2 Chu trình N 3.2.1 Vi sinh vật chuyển hóa dạng hợp chất chứa N 3.2.1 Chu trình N 3.3 Chu trình P 3.3.1 Vi sinh vật phân giải hợp chất P hữu P vơ 3.3.2 Chu trình P 3.4 Chu trình S 3.4.1 Vi sinh vật chuyển hóa hợp chất chứa S 3.4.2 Chu trình S Chương Vi sinh vật môi trường nước môi trường đất 4.1 Hệ vi sinh vật môi trường nước đất 4.1.1 Vi sinh vật nước ngầm 4.1.2 Vi sinh vật nước bề mặt 4.1.3 Vi sinh vật nước thải 4.1.4 Hệ vi sinh vật đất 4.2 Vi sinh vật có lợi mơi trường 4.2.1 Khả tự làm môi trường nhờ vi sinh vật 4.2.2 Vi sinh vật thị môi trường nước 4.3 Vi sinh vật gây bệnh môi trường nước 4.3.1 Vi khuẩn gây bệnh 4.3.2 Virus gây bệnh 4.3.3 Ký sinh trùng gây bệnh Chương Công nghệ Vi sinh vật xử lý nước thải 5.1 Phân loại thành phần nước thải 5.2 Cơ sở sinh học xử lý nước thải 5.2.1 Xử lý nước thải phương pháp sinh học 5.2.2 Vai trò vi sinh vật trình làm nước thải 5.3 Các phương pháp sinh học xử lý nước thải 5.3.1 Xử lý nước thải bể hiếu khí 5.3.2 Xử lý nước thải màng lọc sinh học 5.3.3 Xử lý nước thải hồ sinh học 5.3.4 Xử lý nước thải phương pháp lên men kỵ khí Chương Công nghệ Vi sinh vật xử lý rác thải 6.1 Phân loại thành phần rác thải 6.2 Vi sinh vật tham gia xử lý rác thải 6.3 Các phương pháp sinh học xử lý rác thải 6.3.1 Các phương pháp xử lý kỵ khí rác thải 6.3.1.1 Phương pháp ủ rác làm phân compost 6.3.1.2 Phương pháp chôn lấp 6.3.2 Các phương pháp xử lý hiếu khí rác thải 6.3.2.1 Phương pháp ủ hiếu khí 6.3.2.2 Phương pháp ủ rác không đảo trộn Chương Tinh môi trường khí phương pháp sinh học thu nhận khí sinh học 7.1 Đặc trưng khí thải 7.2 Ngun lý q trình tinh khí thải 7.3 Các phương pháp tinh khí thải 7.3.1 Phương pháp lọc sinh học 7.3.2 Phương pháp khử H2S môi trường nhờ Vi sinh vật 7.4 Phương pháp thu nhận khí sinh học Vi sinh vật học Microbiology Nghiên cứu sinh vật có kích thước nhỏ khó quan sát mắt thường Vi khuẩn (vi sinh vật) Tên thường dùng vi trùng Bao gồm: – – – – – – Vi khuẩn (bacteria); Virus (viruses); Nấm (fungi); Tảo (algae); Động vật nguyên sinh (protozoa) Sán (helminths) Gần nghiên cứu dạng Prions (Protein truyền nhiễm“infectious proteins”) Các loại Vi sinh vật vãìïí êìétéơéa Vã åâïẩè Tâực åâïẩè tâể Tảé Xạ åâïẩè Xéắè åâïẩè Nấm Kích thước vi sinh vật Vã íãèâ vật åícâ tâước từ10 nm đdếè 100 µm Vãìïí åícâ tâước nm = 10-9 m (met) Vã åâïẩè åícâ tâước ; m = 10-6 m Sằ åícâ tâước mm = 10-3 m Các kiểu tế bào vi sinh vật So sánh cấu trúc tế bào vi sinh vật Phân loại sinh vật Lịch sử trình phân lồi Linnaeus1735 Haeckel1866 Chatton1937 giới giới vực (không xử lý) Protista Prokaryota Copeland1956 siêu giới giới Monera Protista Vegetabilia Plantae Animalia Animalia Eukaryota Plantae Animalia Whittaker1969 giới Monera Woese 1977 giới Woese 1990 vực Eubacteria Bacteria Archaebacteria Archaea Protista Protista Fungi Fungi Plantae Plantae Animalia Animalia Eukarya Đặc điểm giới Giới Vi Rút • Virus vật thể có kích thước nm • Virus kí sinh nội bào bắt buộc chúng sinh sản cách xâm chiếm tế bào khác chúng thiếu máy mức tế bào để tự sinh sản – Thuật ngữ virus thường vật thể xâm nhiễm sinh vật nhân chuẩn (sinh vật đa bào hay đơn bào), – Thuật ngữ thực khuẩn thể (bacteriophage hay phage) dùng để vật thể xâm nhiễm sinh vật nhân sơ (vi khuẩn vi khuẩn cổ) • Virus mang lượng nhỏ axit nucleic (DNA RNA) bao quanh lớp áo bảo vệ (vỏ capsid) cấu tạo protein, glicoprotein Giới khởi sinh • Giới Khởi sinh bao gồm cổ khuẩn vi khuẩn với cấu trúc tế bào nhân sơ Vì lý nên giới Monera gọi Prokaryota • Phương thức dinh dưỡng đa dạng: – – – – – Hoá tự dưỡng, Hoá dị dưỡng, Quang tự dưỡng quang dị dưỡng Nhiều vi khuẩn sống kí sinh thể khác Vi khuẩn có chứa nhiều sắc tố quang hợp có diệp lục vi khuẩn lam có khả tự dưỡng quang hợp thực vật 10 Ưu, khuyết điểm cơng nghệ khí sinh học Ưu điểm Nhược điểm Sản xuất CH4 chất thải để sử dụng Có khả cháy nổ Tiêu diệt phần lớn hạt cỏ dại mầm bệnh Đòi hỏi vận hành bảo quản tốt Xử lý phân người gia súc Tạo thể tích chất thải lớn ban đầu Bảo vệ nguồn lượng địa phương (củi, dầu…) Vốn đầu tư cao Nước thải hầm ủ cịn khả gây nhiễm nguồn nước 279 Ưu, khuyết điểm cơng nghệ khí sinh học Ưu điểm Chất thải Khơng có mùi Khơng cịn hấp dẫn chuột ruồi Làm phân bón cải tạo đất Nhược điểm Vài hóa chất chất thải làm cản trở trình phân hủy Lọc CO2 H2S để dùng chạy động đốt 280 140 So sánh kỹ thuật ủ phân compost kỹ thuật lên men yếm khí biogas Điều kiện hoạt động Ủ phân compost Công nghệ biogas Nguyên liệu ủ (để đạt C/N ẩm độ thích hợp) Phân người/phân gia súc + thực vật Phân người/phân gia súc + nước + thực vật 50 – 700C Môi trường Nhiệt độ Thời gian vận hành cho – tuần (kể giai mẻ đoạn thành thục khống hóa) – tuần 281 So sánh kỹ thuật ủ phân compost kỹ thuật lên men yếm khí biogas Điều kiện hoạt động Diện tích cần thiết Cách vận hành Ủ phân compost Công nghệ biogas Lớn - Lớn loại hầm xây nổi, - Thấp loại hầm xây chìm Từ đơn giản đến phức tạp Phức tạp 282 141 So sánh chất lượng sản phẩm chất thải ủ phân compost chất thải hầm ủ biogas Sản phẩm Phân ủ compost Chất thải hầm ủ Trọng lượng riêng Giảm xuống nước bị bốc Tăng lên việc sản sinh thêm sinh khối Hàm lượng nước 40 – 50% 88 - 92% Khả tiêu diệt mầm bệnh Cao Trung bình Hàm lượng mùn hữu Nhiều Ít phân ủ compost 283 So sánh chất lượng sản phẩm chất thải ủ phân compost chất thải hầm ủ biogas Sản phẩm Vận chuyển Yêu cầu xử lý tiếp Dự trữ Phân ủ compost Chất thải hầm ủ Dễ dàng (vì dạng rắn) Cần phải làm khô Không cần Cần phải làm khô Dễ dàng, đạm Khó hơn, có khả đạm 284 142 Cách sử dụng chất thải hữu có cơng nghệ biogas Chế phẩm từ trồng, chất thải sinh hoạt Phân gia súc, phân người Hầm ủ biogas Chạy động Đạm chất dinh dưỡng khác Chất thải hầm ủ Nhiệt thắp sáng Nhiên liệu Phát điện Cải tạo đất Hình 4.2: Tác động q trình lên men yếm khí đến việc sử dụng chất thải hữu (khi có cơng nghệ biogas) 285 Chất thải hữu Carbohydrates, proteins, fats Thủy phân lên men Vi khuẩn tạo axit Axit hữu cơ, rượu hợp chất trung tính khác Q trình khử hydro nhóm aceton Acetat Acetogenic bacteria H2, CO2 Hydro hóa nhóm aceton Khử gốc Carboxyl Acetat VK Acetolastic CH4 +CO2 Sinh Methane từ phản ứng khử Nhóm VK sử dụng H2 CH4+CO2 Hình 4.4: Q trình sinh học phân hủy CHC điều kiện yếm khí (Brown Taga,1985 trích Chongrak, 1989) 286 143 Các nhân tố môi trường ảnh hưởng đến q trình lên men yếm khí • • • • • • • Nhiệt độ pH độ kiềm Độ mặn Chất dinh dưỡng Khối lượng nguyên liệu nạp Các chất khoáng nguyên liệu nạp Khuấy trộn 287 CÁC LOẠI HẦM Ủ • Vận hành theo mẻ • Vận hành bán liên tục • Vận hành liên tục 288 144 CÁC LOẠI HẦM Ủ Vận hành theo mẻ - Hầm ủ nạp đầy nguyên liệu lần - Cho thêm chất mồi đậy kín lại - Quá trình sinh khí diễn - Sau đó, tồn chất thải hầm ủ lấy chừa lại 10 – 20% để làm chất mồi, 289 CÁC LOẠI HẦM Ủ Vận hành theo mẻ - Nguyên liệu lại nạp đầy cho hầm ủ trình tiếp tục - Nhược điểm: lượng khí sinh hàng ngày khơng ổn định, thường cao vào lúc nạp giảm dần đến cuối chu kỳ 290 145 CÁC LOẠI HẦM Ủ Vận hành bán liên tục • Số lần nạp nguyên liệu: - lần/ngày • Lượng chất thải hầm ủ lấy với thời điểm nạp • Thể tích hầm ủ phải đủ lớn: để ủ phân chứa khí 291 CÁC LOẠI HẦM Ủ Vận hành bán liên tục • Kiểu vận hành thích hợp ta có lượng chất thải thường xun • Tổng thể tích khí sản xuất đơn vị trọng lượng chất hữu thường cao 292 146 CÁC LOẠI HẦM Ủ Vận hành liên tục • Việc nạp nguyên liệu lấy chất thải hầm ủ tiến hành liên tục • Lượng nguyên liệu nạp giữ ổn định cách cho chảy tràn vào hầm ủ dùng bơm định lượng • Phương pháp thường dùng để xử lý loại nước thải có hàm lượng chất rắn thấp 293 CÁC LOẠI HẦM Ủ Vận hành liên tục • Chất mồi: chất thải hầm ủ hay phân gia súc (trong trường hợp nguyên liệu nạp phân người hay phân gia súc) • Hầm ủ hoạt động ổn định sau 20 – 30 ngày kể từ lúc bắt đầu vận hành (phụ thuộc vào nhiệt độ, thể tích hầm ủ, nguyên liệu lượng chất mồi) 294 147 4.4.1 Hầm ủ nắp vịm cố định (Trung Quốc) Hìèâ 4.5 Hầm ủ èắê vxm cố địèâ (Tìïèá Qïốc) Hình 4.6 Hầm ủ nắp vòm cố định kiểu TG-BP 295 296 148 Hình 4.7 Hầm ủ nắp trơi (Ấn Độ) 297 Đánh giá • Hãy nêu khả nguyên lý ứng dụng vi sinh vật để xử lý nguồn chất thải rắn ngành chăn nuôi heo 149 QUÁ TRÌNH XỬ LÝ SINH HỌC CHẤT THẢI KHÍ Một số ứng dụng vi sinh xử lý môi trường 150 • Câu 19 Để thu nhận chất môi trường phục vụ nhu cầu tế bào vi sinh vật, có phương thức vận chuyển chất vào tế bào vi sinh vật? Hãy kể tên phương cách vận chuyển chất • Câu 20 Trong phương cách vận chuyển chất vào tế bào vi sinh vật, phương cách tổn hao lượng nhất? • Câu 21 Trong phương cách vận chuyển chất vào tế bào vi sinh vật, phương cách tổn hao lượng nhiều nhất? • Câu 22 Hãy nêu định nghĩa chất thay oxy? • Câu 23 Hãy nêu định nghĩa vi sinh vật Quang Dị dưỡng? • Câu 24 Hãy nêu định nghĩa vi sinh vật Hóa Dị dưỡng? • Câu Trong môi trường nuôi cấy lỏng, số lượng vi sinh vật không thay đổi giai đoạn nào? • Câu Trong mơi trường ni cấy lỏng, Số lượng vi sinh vật tăng theo cấp số mũ giai đoạn nào? • Câu Trong mơi trường nuôi cấy lỏng, số lượng vi sinh vật giảm giai đoạn nào? • Câu Trong mơi trường ni cấy lỏng, nguồn chất cịn nhiều vi sinh vật tồn pha nào? • Câu Trong môi trường nuôi cấy lỏng, nguồn chất cạn kiệt vi sinh vật tồn pha nào? • Câu Trong mơi trường nuôi cấy lỏng, thời điểm chuyển giống vi sinh vật vào mơi trường vi sinh vật tồn pha nào? 151 • Câu 25 Hãy trình bày chu trình địa hóa Ni tơ tự nhiên • Câu 26 Hãy trình bày chu trình địa hóa Phospho tự nhiên • Câu 27 Hãy trình bày chu trình địa hóa lưu huỳnh tự nhiên • Câu 28 Hãy trình bày q trình khống hóa Ni tơ tự nhiên • Câu 29 Hãy trình bày q trình Nitrate hóa ni tơ tự nhiên • Câu 30 Hãy trình bày q trình Phản Nitrate hóa Ni tơ tự nhiên • Câu 31 Hãy trình bày trình cố định đạm vi sinh vật tự nhiên • Câu 32 Q trình Amon hóa xảy điều kiện nào? • Câu 33 Q trình Nitrate hóa xảy điều kiện nào? • Câu 34 Q trình Phản Nitrate hóa xảy điều kiện nào? • Câu 35 Q trình oxy hóa Amoni Nitrite điều kiện kị khí có tên viết tắt gì? • Câu 36 Quá trình khử sulphat vi khuẩn Sulphat Reduce Bacteria xảy điều kiện nào? • Câu 37 Q trình oxi hóa lưu huỳnh vi khuẩn Sulfide Oxidizing Bacteria xảy điều kiện nào? • Câu 38 Phospho vi sinh vật sử dụng q trình thành phần nào? 152 • Câu 39 Sản phẩm cuối trình Ammonification gì? • Câu 40 Sản phẩn cuối trình Nitrification gì? • Câu 41 Sản phẩn cuối q trình DeNitrification gì? • Câu 42 Hãy kể tên 03 vi khuẩn gây bệnh thường gắp nước thải sinh hoạt • Câu 49 Hãy nêu tên thử nghiệm để xác định vi sinh vật thị nước thải • Câu 50 Vi sinh vật chọn làm vi sinh vật thị cho q trình nhiễm phân q khứ? • Câu 51 Chỉ tiêu vi sinh vật kị khí thị cho q trình nhiễm phân người • Câu 52 Hãy kể tên kỹ thuật sử dụng để phát vi sinh vật thị • Câu 53 Tỉ số CF/CS nói lên điều tiêu vi sinh vật thị • Câu 54 Hãy biện luận kết giá trị tỉ số CF/CS >4 • Câu 55 Hãy biện luận kết giá trị tỉ số CF/CS