L ời cam đoan
2.8. Chất kết tụ sinh học và vi khuẩn kết tụ sinh học trong các hệ thống sinh
học xử lý nước thải
Theo Salehizadeh et al. (2000) kết tụ sinh học là một quá trình động lực học có
kết quả từ quá trình tổng hợp đa phân tử ngoại bào của các tế bào vi khuẩn sống. Theo Zhi-qiang et al. (2007) chất kết tụ là chất hóa học thúc đẩy quá trình kết
tụ, làm cho các chất keo và các hạt rắn lơ lửng khác trong dung dịch gom tụ lại, tạo
thành một khối lớn dần. Các chất kết tụ được sử dụng trong quá trình xử lý nước, nhằm gia tăng quá trình lắng cặn hay khả năng lọc các phần tử nhỏ. Chất kết tụ được phân loại thành ba nhóm chính như chất kết tụ vô cơ (aluminum sulfate, polyaluminum chlorid); chất kết tụ tổng hợp hữu cơ (dẫn xuất của polyacrylamid và polyethylen imin); chất kết tụ xảy ra trong tự nhiên [chitosan, sodium alginat, các chất kết tụ của vi khuẩn (chất kết tụ sinh học)].
Theo Gong et al. (2008) chất kết tụ sinh học là một loại chất kết tụ có phân tử
lớn được tiết ra từ các vi sinh vật trong suốt quá trình tăng trưởng của chúng, chất
glycoprotein, khả năng tạo kết tụ phụ thuộc vào đặc tính của chất kết tụ sinh học
(Jie et al., 2006). Tính chất hóa lý của chất kết tụ sinh học được phụ thuộc vào bản
chất di truyền của vi sinh vật (Salehizadeh et al. 2000). Lian et al., (2008) đã tìm thấy nhiều vi sinh vật sản xuất các chất kết tụ sinh học như Rhodococcus erythropolis, Paecilomyces sp., Klebsiella pneumoniae, Citrobacter sp.
Bản chất của chất kết tụ sinh học được sinh ra từ các vi sinh vật khác nhau là không giống nhau. Chẳng hạn, chất kết tụ sinh học ZS-7 sản xuất ra bởi chủng vi
khuẩn Bacillus licheniformis X14 là một glycoprotein (Li et al., 2009); chất kết tụ
sinh học MBFA9 được sản xuất từ vi khuẩn Bacillus mucilaginousus, thành phần
chính là polysaccharid (Deng et al., 2003); chất kết tụ sinh học được sinh ra từ vi
khuẩn Enterobacter cloacae WD7 có thành phần chính là một heteropolysaccharid
(Prasertsan et al., 2006),…
Một số chủng vi khuẩn có khả năng tổng hợp chất kết tụ sinh học như các
chủng thuộc giống Bacillus, tạo ra chất kết tụ sinh học từ hợp chất protein, (Abd- El-Haleem et al., 2008); chủng vi khuẩn Paecilomyces sp. I- 1 tổng hợp chất kết tụ
PF-101, chủng vi khuẩn Bacillus As-101 tổng hợp từ hợp chất polysaccharide (Takagi và Kadowaki, 1985; Salehizadeh et al., 2000); Vi khuẩn Bacillus fusiformis, Bacillus subtilis, Bacillus flexus tổng hợp chất kết tụ sinh học với thành phần chính là carbohydrate (You et al., 2008); Vi khuẩn tổng hợp chất kết tụ sinh
học T2a (Cronobacter sakazakii chủng E292 16S rDNA) được phân lập từ tỉnh
Tiền Giang cho tỷ lệ kết tụ cao (97,2%) với dung dịch kaolin, sau 5 phút để chủng T2a tạo chất kết tụ là pH = 6,0 và bổ sung Ca2+. Vi khuẩn T2a xử lý nước thải tinh
bột (nước thải cơ sở sản xuất bún) làm giảm lượng TSS và COD lần lượt là
95,85% và 66,5% sau 30 phút để lắng (Cao NgọcĐiệp và ctv., 2010).
Theo Li et al. (2009) đề xuất cơ chế kết tụ của chất kết tụ sinh học ZS-7 được
sinh ra từ chủng vi khuẩn Bacillus licheniformis X14 như sau: khi chất kết tụ sinh
học ZS-7 tiếp cận với các hạt rắn trong dung dịch, lực hút giữa nó với các hạt rắn
phải lớn hơn lực đẩy tĩnh điện. Lực hấp phụ có lẽ được phát ra từ các liên kết
hydro giữa các nhóm OH, NH2 và NH2CO của chất kết tụ sinh học và các nhóm H+, OH- của các hạt rắn, cũng như các liên kết hóa học giữa các nhóm COO- và các hạt huyền phù. Quá trình kết tụ là do sự giảm điện tích âm trên bề mặt các hạt rắn
khi có mặt Ca2+, cuối cùng điện tích có lẽ bị chuyển ngược từ âm sang dương. Như
vậy, các nhóm cacboxyl của acid uronic, acid pyruvic và acid acetic trong chất kết
tụ sinh học ZS-7 phản ứng với các vị trí tích điện dương của các hạt rắn trong
huyền phù kaolin. Sau khi các hạt rắn đã hấp thụ vào các mạch của chất kết tụ sinh
học. Nhiều hạt rắn hấp thụ vào một mạch phân tử dài, đồng thời được hấp thụ bởi
các mạch chất kết tụ khác, dẫn đến sự hình thành khối không gian ba chiều có khả năng lắng nhanh.
Theo Wu và Ye (2007) nhận định cơ chế kết tụ của vi khuẩn Bacillus subtilis
DYU1 tổng hợp chất kết tụ sinh học DYU500 với khả năng kết tụ cao, tùy thuộc
vào pH, cation hóa trị 2, nhiệt độ. Ảnh hưởng của các cation đến chất kết tụ sinh
học này mạnh nhất ở pH acid yếu hoặc pH trung hòa. Hoạt tính kết tụ của nó giảm
cùng với việc tăng nhiệt độ ủ và bị vô hoạt hoàn toàn ở nhiệt độ 120oC (do phá hủy
cấu trúc polyamid của DYU500). Cơ chế kết tụ của chất kết tụ sinh học DYU500 được đề xuất theo hai cơ chế như sau: (i) quá trình kết tụ là do sự giảm điện tích
trên bề mặt các hạt kaolin trong huyền phù, khi có sự hiện diện của các cation, và dẫn đến điện tích chuyển ngược từ âm sang dương. Do đó, các nhóm cacboxyl
(COO-) tích điện âm của chất kết tụ sinh học DYU500 phản ứng với các vị trí tích điện dương của các hạt kaolin trong huyền phù; (ii) các cation kích thích quá trình kết tụ, thông qua quá trình trung hòa điện tích và quá trình làm ổn định điện tích
thừa, ở nhóm cacboxyl của chất kết tụ sinh học DYU500 sau đó hình thành cầu nối
tạo liên kết với các hạt kaolin.
Theo Sheng et al. (2006) chất kết tụ sinh học (bioflocculants) là một loại chất
kết tụ được sản xuất từ vi sinh vật, chúng tác động nhanh chóng và an toàn, không
độc hại cho con người và môi trường. Một thí nghiệm khác của Sheng et al. (2006) và Lian et al. (2008) đã ứng dụng vi khuẩn kết tụ sinh học Bacillus mucilaginosus
trong xử lý nước thải sinh hoạt, nhà máy bia, chỉ số COD giảm lần lượt là 74,6% và 70,5%; chỉ số TSS giảm 93,3% và 88,4%. Quá trình kết tụ xảy ra thông qua các cơ chất polymer ngoại bào gọi là Exopolysaccharides (EPS) và cation bằng cách
tạo ra một chất nền để liên kết các thành phần khác nhau với nhau. EPS là thành phần chính của cấu trúc cụm và có thể có nguồn gốc từ hai nguồn: hoạt động của
vi sinh vật như trao đổi chất và tiêu hóa tế bào và nguồn nước thải đi vào.
Chất kết tụ sinh học do vi khuẩn sản xuất ra từ hợp chất ngoại bào polysaccharid hoặc protein hay một thành phần khác trong tế bào vi khuẩn, chúng
có khả năng kết dính các vật chất lơ lửng trong môi trường nước thành khối lớn hơn đủ để lắng xuống. Đây là cơ chế giúp trong quá trình tiền xử lý nước thải. Tuy
nhiên, vi khuẩn kết tụ sinh học vẫn chưa giải quyết triệt để các thành phần chất thải trong môi trường nước đặc biệt là những thành phần có kích thước cực nhỏ lơ
lửng, khó lắng và hiệu suất kết tụ còn phụ thuộc vào thành phần ion của các vật
chấttrong môi trường (Cao Ngọc Điệp và ctv, 2010).
Theo Malik và Kakii (2003); Kimchhayarasy et al. (2009) trong bùn hoạt tính
có nguồn gốc từ nước thải còn hiện diện phần lớn vi khuẩn có khả năng thực hiện
gom tụ các vật chất lơ lửng trong môi trường nước, đặc biệt là những vật chất lơ
lửng có kích thước cực nhỏ, khó lắng, các vật chất này vẫn được kết dính lại rồi
lắng xuống tương tự như vi khuẩn kết tụ sinh học, nhưng cơ chế gom tụ của các