Từ những năm đầu của thế kỷ 20, các nghiên cứu về sự hình thành của sunfua trong HTTN đã chỉ ra rằng quá trình chuyển hóa từ sunfat và phân hủy các CHC có chứa lưu huỳnh để hình thành sunfua là quá trình sinh học diễn ra trong điều kiện môi trường yếm khí do hoạt động của các VSV [23, 39, 88, 99, 140].
H2S trong HTTN được hình thành chủ yếu là do VSV khử sunfat (SRB) tham gia vào quá trình khử CHC cùng với sunfat hoặc khử các CHC khác có chứa lưu huỳnh. Quá trình này diễn ra trong điều kiện yếm khí, và chủ yếu là do cho hoạt động của nhóm VSV thuộc chi Desulfovibrio và Desulfobulbus [113, 153].
Các nghiên cứu khác cũng chỉ ra rằng, H2S là kết quả của quá trình khử sinh học do VSV thuộc nhóm SRB thông qua cả hai quá trình: đồng hóa và dị hóa. Quá
35
trình đồng hóa sunfat là do quá trình khử các CHC có chứa các axit amin như cystein, methionin và cystin do vi khuẩn phân giải protein (Clostridia, Vellionella) sinh ra khí H2S và methyl mercaptan. Tuy nhiên, phần lớn các H2S được sinh ra bởi vi khuẩn SRB thông qua quá trình khử dị hóa sunfat [52].
Các vi khuẩn thuộc nhóm SRB có phân bố loài tương đối rộng bao gồm cả
Desulfovibrio, Desulfotomaculum, Desulfobulus, Desulfomonas, Desulfobacter, Desulfococcus, Desulfonema, Desulfosarcina Desulfobacterium, và
Thermodesulfobacterium. Các chi phổ biến nhất của nhóm VSV này là chi Desulfotomaculum, và Desulfovibrio [76, 133, 143].
Phản ứng khử sunfat do các VSV thuộc nhóm SRB có thể biểu diễn tóm tắt theo các phương trình 1.15 và 1.16 [52, 70]:
SO42- + CHC Æ S2- + H2O + CO2 (1.15)
S2- + 2 H+ Æ H2S (1.16)
Nguồn: Evans và nnk, 1997; Hvitved-Jacobsen, 2002 [52, 70]. Trong điều kiện không có mặt của ô xy và nitrat, các vi khuẩn kỵ khí sử dụng sunfat là chất nhận electron. Nguồn cacbon ưa thích cho VSV nhóm SRB là các hợp CHC có khối lượng phân tử thấp như các axít hữu cơ (lactic, pyruvic, formic và maleic), axit béo (axetic), và cồn (etanol, propanol, metanol và butanol). Hầu như tất cả các hợp chất này là sản phẩm lên men từ quá trình phân hủy kỵ khí cacbonhydrat, protein và lipid [52].
Phần lớn SRB thuộc nhóm VSV kỵ khí, tuy nhiên một số chủng có mặt trong điều kiện hiếu khí [55]. Một số chủng loại SRB có thể tồn tại trong quá trình xử lý nước thải hiếu khí (bùn hoạt tính, màng lọc sinh học nhỏ giọt), những vi khuẩn này có thể được coi là thuộc nhóm vi hiếu khí (microaerophil) và có thể chịu đựng được sự tồn tại ở một mức nhất định nào đó của ô xy trong môi trường [89, 93].
Quá trình sinh học sinh ra khí H2S thường không bị giới hạn bởi hàm lượng sunfat. Trong một số trường hợp các CHC cho electron và thiosunfat hoặc sunfit có mặt, VSV nhóm SRB đầu tiên có thể phân hủy các hợp chất này thành sunfat và sau
36
đó khử các CHC cùng với sunfat mới được hình thành. Các phản ứng phân hủy của thiosunfit và sunfit được mô tả trong các phương trình 1.17 và 1.18 [52, 70, 142]:
S2O32- + H2O Æ SO42- + HS- + H+ (1.17) 4SO32- + H+ Æ SO42- + HS- (1.18)
Nguồn: Evans và nnk, 1997; Hvitved-Jacobsen, 2002; Wang, 1981 [52,70,142]. Quá trình khử sunfat thường được xem là quá trình phổ biến sinh ra sunfua trong nước thải. Tuy nhiên, quá trình này không phải là nguồn duy nhất hình thành sunfua trong nước thải. Các CHC, đặc biệt là các protein, có chứa lưu huỳnh, có thể bị phân hủy và giải phóng ra sunfua do hoạt động của các VSV. Tanner (1917) và Myers (1919) cũng đã công bố các hợp CHC là protein có chứa lưu huỳnh (ví dụ như cystein) có thể bị phân hủy do hoạt động của các VSV thuộc nhóm SRB và sản phẩm là sunfua [99, 140].
Pomeroy và Bowlus (1946) đã nghiên cứu trong NTSH, lượng sunfua hình thành vượt quá khả năng tối đa có thể hình thành sunfua do quá trình khử sunfat với hàm lượng có thể đạt được là 7,6 ppm. Lượng sunfua hình thành thêm vượt quá khả năng có thể hình thành do quá trình khử sunfat có thể đạt tới khoảng 46,6 % so với tổng lượng sunfua được hình thành, và được cho là do kết quả của quá trình phân hủy của các hợp CHC chứa lưu huỳnh có trong nước thải [125].
Sunfua được hình thành trong quá trình khử một số CHC có chứa lưu huỳnh như các a xít amin (cystein, cystin, methionine, taurin). Quá trình thủy phân của cystein được mô tả đơn giản hóa như trong phương trình 1.19 [57, 70]:
SHCH2CH2NH2COOH + H2O Æ CH3COCOOH + NH3 + H2S (1.19)
Cystein A xít Pyruvic
Nguồn: Gostenlow và nnk, 2001; Hvitved - Jacobsen, 2002 [57, 70]. Các nghiên cứu về sự hình thành sunfua trong HTTN thải thường cho rằng lớp bùn được hình thành trong các đường ống cống là môi trường thích hợp để hình thành sunfua do các hoạt động của VSV [52, 70, 142]. Tuy nhiên, diện tích lớp bùn
37
!
này có ảnh hưởng quan trọng hơn so với chiều dầy của lớp bùn. Holder (1994) nghiên cứu về ảnh hưởng của lớp bùn tới sự hình thành sunfua trong HTTN thải ở
Melbourne đã chỉ ra rằng lớp bùn (đóng vai trò như lớp màng sinh học) có thể hình thành với chiều dầy là 0,1 mm trong thời gian 1 tuần. Sự hình thành sunfua trong lớp bùn này có quan hệ tuyến tính với chiều dầy của lớp bùn tới khi lớp bùn đạt đến chiều dầy là 400 µm (0,4 mm), nhưng khi chiều dày lớp bùn tiếp tục tăng thì lượng sunfua sinh ra không tăng thêm, mà ổn định ở khoảng 6 gS/m2/ngày (Hình 1.9) [66].
Hình 1.9. Quan hệ tỷ lệ sunfua hình thành với chiều dầy lớp bùn
Nguồn: Holder, 1994 [66]. Trong điều kiện đất ngập nước thì quá trình hình thành sunfua không chỉ xảy ra ở lớp bùn trầm tích mà còn có thể xẩy ra ngay cả trong các tầng nước. Jorgensen (1979) nghiên cứu về chu trình sunfua trong hồ Solar (Hồ Solar ở Sinai, Ai Cập, có
độ sâu trung bình 5 m, tầng bùn trung bình 1 m) đã công bố có sự phân tầng của hồ, trong đó ởđộ sâu từ 3,5 m trở xuống thì hàm hượng ô xy suy giảm và điều kiện khử
chiếm ưu thế, khi đó H2S tăng nhanh và đạt tới 1 mmol/L ởđáy hồ. Ở tầng nước từ độ sâu 3,5 m đến 3,82 m, hàm lượng H2S tăng cao hơn so với các tầng bên dưới. Sự
khác biệt này là do lượng H2S hình thành không chỉ hình thành từ lớp trầm tích bùn mà còn có thểđược hình thành ngay trong các tầng nước khi điều kiện môi trường ở
38