31 Khử carbon dioxit(CO 2 ):
2.1.3. Sự phát triển của tế bào và động học trong quá trình xử lý sinh học
Dựa trên đặc tính sinh lý và tốc độ sinh sản của VSV, quá trình phát triển của chúng được chia thành nhiều giai đoạn như minh họa trên hình
Trong giai đoạn tiềm phát, VSV chưa thích nghi với môi trường hoặc đang biến đổi để thích nghi. Đến cuối giai đoạn này tế bào VSV mới bắt đầu sinh trưởng. Các tế bào mới tăng về kích thước nhưng chưa tăng về số lượng.
Trong giai đoạn lũy tiến, VSV phát triển với tốc độ riêng không đổi. Sau một thời gian nhất định, tổng số tế bào cũng như trọng lượng tế bào tăng lên gấp đôi. Khi dùng đồ thị lnX- I thì tốc độ sinh trưởng μ = tgα.
Hình 2.1. Đường cong sinh trưởng của tế bào và việc sử dụng dinh dưỡng [7]
AB - giai đoạn tiềm phát; BC - giai đoạn phát triển lũy tiến; CD - giai đoạn tốc độ chậm; DE - giai đoạn cân bằng; EF - giai đoạn suy tàn.
Trong giai đoạn tốc độ chậm, tốc độ giảm dần tới mức cân bằng ở cuối pha. Ở các VSV cho sản phẩm trao đổi chất thì giai đoạn này chính là giai đoạn hình thành sản phẩm như các enzim, alcol, axit hữu cơ, vitamin…
Trong giai đoạn cân bằng, số lượng tế bào sống được giữ ở mức không đổi, nghĩa là số lượng tế bào chết đi tương đương với số lượng tế bào mới sinh ra. Tính
32
chất sinh lý của tế bào bắt đầu thay đổi, cụ thể là cường độ trao đổi chất giảm đi rõ rệt.
Trong giai đoạn suy tàn, tốc độ sinh sản giảm đi rõ rệt và dần dần ngừng hẳn, dẫn đến số lượng tế bào sống giảm đi rất nhanh và bắt đầu có hiện tượng tự hủy. Nguyên nhân suy tàn chủ yếu do nguồn thức ăn trong môi trương đã cạn, sự tích lũy sản phẩm trao đổi chất có tác động ức chế và đôi khi tiêu diệt cả VSV.
Phương trình Michaelis – Menten (1913)[9] biểu diễn động học enzim (quan hệ tốc độ phản ứng với nồng độ cơ chất) đã được nhiều người bổ sung và hoàn thiện thêm. Phương trình cơ bản này vẫn được dùng rộng rãi trong lĩnh vực enzim học, kể cả trong xử lý nước thải.
Để tính toán được động học của quá trình, cần phải chú ý đến hàng loạt các chỉ số:
Sinh trưởng tế bào
Tốc độ tăng trưởng tế bào vi sinh vật có thể biểu diễn theo công thức sau:
Trong đó: rg – tốc độ tăng trưởng của vi sinh vật (khối lượng/đơn vị thể tich.thời gian (g/m3.giây))
μ – tốc độ sinh trưởng riêng.thời gian-1 (1/giây)
X – nồng độ vi sinh vật (khối lượng/đơn vị thể tích) hay nồng độ bùn hoạt tính, g/m3 = mg/l.
Vì
nên
Cơ chất sinh trưởng giới hạn
Trong nuôi cấy theo mẻ, nếu cơ chất và các chất dinh dưỡng cần thiết cho sinh trưởng chỉ có một số lượng hạn chế trong môi trường thì sẽ bị vi sinh vật sử dụng đến cạn kiệt phục vụ cho sinh trưởng.
Trong nuôi cấy liên tục, sinh trưởng sẽ bị giới hạn. Ảnh hưởng của các chất dinh dưỡng hoặc cơ chất giới hạn tới sinh trưởng của vi sinh vật trong nuôi cấy liên tục có thể tính theo công thức của Monod đề xuất trong các năm 1942 và 1949 dựa trên phương trình cơ bản về động học enzim của Michaelis – Menten:
33 Trong đó: Trong đó:
μ – tốc độ sinh trưởng riêng.thời gian-1
(1/giây)
μm – tốc độ sinh trưởng riêng cực đại.thời gian-1 (1/giây)
S – nồng độ cơ chất sinh trưởng giới hạn trong dung dịch (khối lượng/đơn vị thể tích)
KS – hằng số tương ứng với 1/2 tốc độ cực đại, thể hiện sự ảnh hưởng của cơ chất ở thời điểm đạt 1/2 tốc độ cực đại (khối lượng/đơn vị thể tích = g/m3, mg/l), xem hình 2.2.
Hình 2.2. Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất giới hạn tới tốc độ sinh trưởng riêng [7] Từ các phương trình trên ta có công thức tính tốc độ sinh trưởng:
Sinh trưởng tế bào và sử dụng cơ chất. Trong nuôi cấy theo mẻ hay nuôi cấy liên tục một phần cơ chất được dùng cho việc tạo thành tế bào mới, phần khác được oxy hóa thành sản phẩm cuối cùng là chất vô cơ hoặc hữu cơ. Số tế bào mới sinh ra lại sử dụng cơ chất tiếp tục phục vụ cho sinh trưởng, do vậy quan hệ giữa tốc độ sử dụng cơ chất và tốc độ sinh trưởng là như sau:
34 Ở đây: Ở đây:
rg – tốc độ sinh trưởng của vi khuẩn (khối lượng/đơn vị thể tich.thời gian), (g/m3.giây)
Y – hệ số sử dụng cơ chất tối đa (mg/mg): là tỷ số giữa sinh khối và khối lượng cơ chất được tiêu thụ trong một thời gian nhất định trong pha sinh trưởng logarit.
rsu – tốc độ sử dụng chất nền (g/m3.giây) Từ hai phương trình trên ta có:
Với ta sẽ có:
rsu là tốc độ sử dụng cơ chất tính cho một đơn vị khối lượng (g) làm hoạt tính trong một đơn vị thời gian.
Hô hấp nội bào (Endogenous Metabolism)
Quần thể vi khuẩn dùng trong xử lý nước thải không phải tất cả các tế bào đều có tuổi như nhau hoặc pha sinh trưởng logarit. Trong đó, một số ở giai đoạn sinh trưởng chậm dần, một số khác thì bị chết. Những dạng tế bào này sẽ bị phân hủy nội bào và sản phẩm phân hủy tham gia vào quá trình trao đổi chất của tế bào. Quá trình phân hủy nội bào (endogenous decay) được diễn tả đại thể như sau:
2C2H5O2N + 9O2 → 10CO2 + 2H2O + 2NH3 + Q
Từ phương trình này ta thấy COD cần cho oxy hóa hoàn toàn tế bào sẽ bằng nồng độ tế bào × 1,42.
Công thức tính sẽ là:
trong đó: Kd – hệ số phân hủy nội bào (1/giây) X – nồng độ tế bào (nồng độ bùn hoạt tính), (g/m3)
Như vậy, cần phải kết hợp quá trình sinh trưởng và quá trình phân hủy nội bào để tính tốc độ sinh trưởng thực tế của tế bào:
35
- tốc độ sinh trưởng thực của quần thể vi sinh vật (khối lượng/đơn vị thể tích.thời gian), (1/giây).
Tốc độ sinh trưởng riêng thực của vi sinh vật tính theo công thức của Van Uden.
và như vậy, tốc độ tăng sinh khối (bùn hoạt tính) tính theo công thức: