6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
1.6.4. Cơ chế xử lý qua màng
Oxi và thức ăn được khuếch tán qua màng sinh học đến khi các tế bào phía sâu bên trong không tiếp xúc được với oxi và thức ăn trực tiếp được nữa. Sau một thời gian nhất định sẽ có sự phân tầng các lớp: lớp ngoài cùng tiếp xúc trực tiếp với oxi là lớp hiếu khí, lớp ở giữa tiếp xúc ít với oxi là lớp thiếu
khí (anoxic), lớp trong cùng không có khả năng tiếp xúc với oxi hòa tan là lớp kị khí. Lớp kị khí phân hủy các hợp chất hữu cơ thành H2S và amoni, các axit hữu cơ, những sản phẩm này lại được lớp hiếu khí phân hủy thành HNO3, H2SO4, CO2 và H2O. Khi chất nền (cơ chất) không khuếch tán nữa thì các vi sinh vật bị chết, tự tiêu đi và bong ra theo dòng thủy lực, để lại khoảng trống mới để vi sinh vật thâm nhập và phát triển [9]. Trong quá trình sinh trưởng này, lớp màng vi sinh vật cũng hấp phụ các chất rắn, do đó nước thải cũng được làm sạch và giảm độ đục. Nếu nồng độ các chất hữu cơ trong nước thải thấp thì các vi sinh vật này có thể phân hủy NO3-, PO43- .
1.7. Các giai đoạn sinh trƣởng và phát triển của vi sinh vật
Sự sinh trưởng của vi sinh vật bao gồm sự tăng kích thước, số lượng tế bào (sinh sản), phát triển tăng khối lượng của quần thể vi sinh vật (tăng sinh khối). Tất cả những biến đổi về hình thái, sinh lý diễn ra trong tế bào được tổng hợp thành khái niệm “phát triển”. Sinh sản cũng là kết quả của phát triển [2], [22].
Vi sinh vật sinh sản chủ yếu bằng cách phân đôi tế bào. Thời gian phân cắt này thường gọi là thời gian sinh sản hoặc thời gian thế hệ. Chúng không thể sinh sản vô tận được vì quá trình sinh sản phụ thuộc vào môi trường. Khi trong môi trường, các chất dinh dưỡng bị cạn kiệt, pH và nhiệt độ thay đổi ra ngoài các giá trị tối ưu thì sinh sản sẽ bị ngừng lại.
Trong môi trường, đặc biệt là môi trường lỏng, như nước thải chẳng hạn, xét quá trình sinh trưởng không phải riêng một tế bào vi sinh vật riêng biệt mà xét cả một nhóm tế bào hoặc một quần thể vi sinh vật. Sự sinh trưởng của một quần thể vi sinh vật trong môi trường theo quy luật được trình bày ở hình vẽ sau:
Hình 1.2. Quá trình sinh trƣởng của vi sinh vật
Quá trình sinh trưởng của vi khuẩn được chia thành 5 giai đoạn [8], [13]:
(1) Giai đoạn làm quen (hay tiềm phát):
Vi khuẩn vào môi trường chưa sinh sản ngay và cần một thời gian làm quen với môi trường, cần cảm ứng sinh tổng hợp các enzim thích hợp với cơ chất.
X = X0
X: mật độ tế bào; X0: mật độ tế bào ở thời điểm t=0 Tốc độ sinh trưởng bằng 0 dX= 0
dt (2) Giai đoạn phát triển theo hàm mũ:
Các tế bào vi khuẩn sinh sản bằng cách phân đôi tế bào đạt mức độ cao nhất theo tỉ lệ tái tạo tế bào. Tốc độ sinh sản tính theo phần trăm là không đổi, giai đoạn này được đánh giá bởi thời gian sinh trưởng tg (thời gian để tăng gấp đôi số lượng vi khuẩn tối thiểu). Ở giai đoạn này tốc độ sinh trưởng dX/dt tăng tỉ lệ thuận với X (từ đó có được đường cong hàm số mũ).
Mật độ tế bào Xf X2 X X1 X0 Thời gian 2 1 3 4 5
Ta có phương trình sau: dX 1. =
dt X μm (μm là tỉ lệ sinh trưởng cực đại) Hay: dX= X μmdt 2 1 X ln = X μm (t2-t1)
Thời gian sinh trưởng tg được xác định với X2 = 2X1
m g μ 2 ln = t (3) Giai đoạn chậm dần:
Trong giai đoạn này, cơ chất dinh dưỡng trong môi trường đã cạn gần hết cùng với sự biến mất một hay một vài thành phần cần thiết cho sự sinh trưởng của vi khuẩn. Trong một số trường hợp, phát triển chậm dần là do môi trường tích tụ các sản phẩm ức chế được sinh ra trong quá trình chuyển hóa chất trong tế bào vi khuẩn. X tiếp tục tăng, nhưng dX/dt lại giảm.
(4) Giai đoạn ổn định:
X đạt tới giá trị cực đại Xmax, sự sinh trưởng dừng lại ngay cả khi các tế bào vẫn còn hoạt động chuyển hóa nào đó.
(5) Giai đoạn suy vong (hay phản ứng oxi hóa nội sinh):
Ở giai đoạn này các chất dinh dưỡng đã hết. Mật độ tế bào giảm do các tế bào già bị chết và tỉ lệ chết cứ tăng dần lên. Tế bào vi khuẩn bị phân hủy nội sinh hoặc hô hấp nội bào bị tự phân hủy.
Các giai đoạn và các phương trình biểu diễn sự phát triển từng giai đoạn áp dụng cho cả môi trường hiếu khí và kị khí. Giá trị các thông số phụ thuộc vào các loài vi sinh vật, hàm lượng cơ chất và nhiệt độ, pH của môi trường vi sinh vật sống.
1.8. Các yếu tố ảnh hƣởng đến sự phát triển của vi sinh vật
1.8.1. Nồng độ các tạp chất hữu cơ
Nồng độ các chất hữu cơ, đặc biệt là các chất độc hại cần được hạn chế vì chúng sẽ phá hủy tế bào của các vi sinh vật, thậm chí gây chết các loài vi sinh vật. Điều này cần lưu ý khi xử lý các loại nước thải công nghiệp thường
có các chất độc hại đối với vi sinh vật.
1.8.2. Ảnh hưởng của kim loại nặng
Hầu hết các kim loại đều ảnh hưởng đến quá trình sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật. Thường khi các kim loại nặng ở dạng vết thì ảnh hưởng tốt đến sự sinh trưởng của vi sinh vật, nhưng khi ở nồng độ cao chúng có thể làm chết hoặc gây ức chế hoàn toàn vi sinh vật trong nước thải. Mức độ độc hại của các kim loại được sắp xếp theo thứ tự sau:
Sb > Ag > Cu > Hg > Co > Ni > Pb > Cr3+ > V > Cd > Zn > Fe
1.8.3. Ảnh hưởng của các anion
Các anion như CN-, F-, NO3 -
, Cr2O7 2-
cũng gây tác động xấu đến sự phát triển của các vi sinh vật. Các anion này tạo phức với các enzim do vi sinh vật tiết ra để đồng hóa các hợp chất hữu cơ. Do vậy, chúng ngăn cản quá trình lấy thức ăn của vi sinh vật làm cho vi sinh vật bị chết. Cơ chế tác động của các anion kể trên đối với vi sinh vật rất giống như tác động của các kim loại nặng
1.8.4. Một số yếu tố khác
Ngoài các yếu tố kể trên có tác động rất mạnh đến sự phát triển của vi sinh vật trong nước thải, còn có một số khác gây ảnh hưởng như:
- pH của nước thải: giá trị pH từ 6,5 – 8,5 là tối ưu cho sự phát triển của
vi sinh vật.
- Nhiệt độ: ảnh hưởng lớn đến sự phát triển của các vi sinh vật. Thường
nhiệt độ nước thải trong các công trình xử lý phải không được dưới 60C và không quá 37 0C hoặc 50 0C đối với quá trình kị khí.
1.9. Động học trong quá trình xử lý sinh học
Quá trình xử lý nước thải bằng vi sinh vật thực chất là một quá trình lên men. Trong trường hợp chung tốc độ phản ứng lên men chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố môi trường, trong đó các yếu tố chính là nhiệt độ, độ pH, nồng độ enzim, chất kìm hãm, chất hoạt hoá và nồng độ của cơ chất. Sự phụ thuộc
tốc độ phản ứng lên men vào nồng độ cơ chất S và nồng độ enzim E tuân theo phương trình Michaelis - Menten (1913) [14]:
M V.[S] v = K +[S] Trong đó: - v: tốc độ phản ứng lên men.
- V: tốc độ phản ứng lên men cực đại (mg/L.s). - [S]: nồng độ cơ chất (mg/l).
- KM: hằng số Michaelis – Menten (mol/L).
Để tính toán động học quá trình cần chú ý tới hàng loạt các chỉ số [13]:
Sinh trưởng tế bào:
Tốc độ tăng trưởng của tế bào của vi sinh vật có thể biểu diễn theo công thức sau:
rg = dX
dt = μ.X (1.1) Trong đó:
+ rg: tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật (khối lượng/đơn vị thể tích.thời gian (g/m3.s)).
+ μ: hằng số tốc độ sinh trưởng riêng (thời gian-1
(1/giây)).
+ X: nồng độ vi sinh vật (khối lượng/đơn vị thể tích (g/m3 hoặc mg/L)).
Cơ chất sinh trưởng 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 dựa trên phương trình cơ bản của động học enzim của Michaelis – Menten. Phương trình này đã chấp nhận giả thiết: tốc độ sử dụng cơ chất và tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật bị giới hạn bởi tốc độ phản ứng enzim, bao gồm cả sự thiếu các chất cần thiết. Phương trình này có dạng:
μ = μm s
S
K +S (1.2)
Trong đó:
- μ: hằng số tốc độ sinh trưởng riêng (thời gian-1).
- μm: hằng số tốc độ sinh trưởng riêng cực đại (thời gian-1).
- S: nồng độ cơ chất sinh trưởng giới hạn trong dung dịch (khối lượng/đơn vị thể tích).
- Ks: hằng số tương ứng với ½ tốc độ cực đại, thể hiện sự ảnh hưởng của cơ chất ở thời điểm đạt ½ tốc độ cực đại (khối lượng/đơn vị thể tích).
Từ (1.1) và (1.2) ta có công thức tính tốc độ sinh trưởng: rg = μm
S X.S K +S
Sinh trưởng tế bào và sử dụng cơ chất:
Nếu như tất cả dinh dưỡng đều chuyển thành sinh khối thì tốc độ sử dụng dinh dưỡng bằng tốc độ sản sinh sinh khối. Nhưng vì sự dị hóa còn chuyển hóa một phần dinh dưỡng thành các sản phẩm phụ khác nên tốc độ sử dụng dinh dưỡng sẽ lớn hơn tốc độ sản sinh sinh khối. Quan hệ giữa tốc độ sử dụng cơ chất và tốc độ sinh trưởng là như sau:
rg = -Y.rsu (1.3) Trong đó:
- rg: tốc độ sinh trưởng của vi khuẩn.
- Y: hệ số sử dụng cơ chất tối đa (mg/L) (là tỉ 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 cơ chất (g/m3.giây). Từ (1.2), (1.3) ta có: rsu = - μm X.S Y(K +S)
Ảnh hưởng của trao đổi chất nội sinh (hô hấp nội bào)
Quần thể vi sinh vật dùng trong xử lý nước thải không phải tất cả đều có tuổi thọ như nhau hoặc ở 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 được diễn tả đại thể như sau:
2C2H5O2N + 9O2 10CO2 + 2H2O + 2NH3 Tốc độ phân hủy nội bào (rd) được tính theo công thức:
rd = - Kd.X Trong đó:
- Kd: tốc độ phân hủy nội bào (thời gian-1)
- X: nồng độ tế bào (nồng độ bùn hoạt tính) (g/m3)
Như vậy, cần kết hợp quá trình sinh trưởng và quá trình phân hủy nội bào để tính tốc độ sinh trưởng thực của tế bào:
rg’ = μm S X.S K +S - Kd.X = -Y.rsu - Kd.X (rg ’
: tốc độ sinh trưởng thực của quần thể vi sinh vật).
Tốc độ sinh trưởng riêng thực của vi sinh vật tính theo công thức của Van Uden: μ' = μm d s S - K K +S
Ảnh hưởng của nhiệt độ
Nhiệt độ có ảnh hưởng lớn đến quá trình xử lý sinh học. Nhiệt độ ảnh hưởng đến hoạt tính xúc tác của enzim, khả năng hòa tan các khí vào chất lỏng, khả năng lắng của chất rắn sinh học…
Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng của quá trình sinh học thường được thể hiện bằng công thức sau:
rT = r20θ(T-20) Trong đó:
- rT: tốc độ phản ứng ở T 0C - r20: tốc độ phản ứng ở 20 0C
- θ: hệ số hoạt động do nhiệt độ (thường lấy bằng 1,047)
- Nồng độ các muối vô cơ: cần khống chế sao cho không vượt quá 10 g/L.
1.10. Những thông số cơ bản đánh giá chất lƣợng nƣớc
1.10.1. Độ pH
Độ pH là một trong những chỉ tiêu xác định đối với nước cấp và nước thải. Chỉ số này cho thấy cần thiết phải trung hòa hay không và tính toán lượng hóa chất cần thiết trong quá trình xử lý đông tụ, khử khuẩn…
Sự thay đổi pH làm thay đổi các thành phần hòa tan hoặc keo tụ, làm tăng, giảm vận tốc của các phản ứng sinh hóa xảy ra trong nước [1], [13].
1.10.2. Hàm lượng các chất rắn
Các chất rắn có trong nước như các chất vô cơ ở dạng muối hòa tan hoặc không tan và các chất hữu cơ như xác các vi sinh vật, tảo, động vật nguyên sinh, động thực vật phù du…, các chất hữu cơ tổng hợp như phân bón, các chất thải công nghiệp.
Chất rắn trong nước làm trở ngại cho việc sử dụng và lưu chuyển nước, làm giảm chất lượng nước sinh hoạt và sản xuất, gây trở ngại cho việc nuôi trồng thủy sản [2],13].
1.10.3. Màu sắc
Nước có thể có màu, đặc biệt là nước thải thường có màu nâu đen hoặc đỏ nâu. Nguyên nhân xuất hiện màu do các chất hữu cơ trong xác động vật, thực vật phân rã tạo thành, hoặc nước có sắt và mangan ở dạng keo hoặc hòa tan. Đối với nước thải công nghiệp, tùy thuộc vào bản chất từng loại nước khác nhau cho màu sắc khác nhau: dệt nhuộm, luyện kim, xi măng…
1.10.4. Độ đục
Độ đục của nước do các hạt lơ lửng, các chất hữu cơ phân hủy hoặc do giới thủy sinh gây ra. Độ đục làm giảm khả năng truyền ánh sáng trong nước, ảnh hưởng đến khả năng quang hợp của các sinh vật tự dưỡng trong nước, gây giảm thẩm mỹ và làm giảm chất lượng của nước khi sử dụng. Vi sinh vật có thể bị hấp phụ bởi các hạt rắn lơ lửng sẽ gây khó khăn khi khử khuẩn.
Độ đục được đo bằng phương pháp so sánh với một thang độ đục chuẩn.
1.10.5. Oxi hòa tan (DO – Dissolve oxigen)
DO là hàm lượng oxi hòa tan trong nước rất cần thiết cho các vi sinh vật sống và phát triển. Thông thường oxi rất ít tan trong nước, độ tan của oxi trong nước là 8 mg/L ở 200
C.
Mức oxi hòa tan trong nước tự nhiên và nước thải phụ thuộc vào mức độ ô nhiễm chất hữu cơ, các hoạt động của giới thủy sinh, các hoạt động sinh hóa, hóa học và vật lý của nước. Trong môi trường nước bị ô nhiễm nặng, oxi được dùng nhiều cho các quá trình hóa sinh và xuất hiện hiện tượng thiếu oxi trầm trọng. Chỉ số oxi hòa tan (DO) là một trong những chỉ tiêu quan trọng đánh giá sự ô nhiễm của nước và giúp ta đề ra các biện pháp xử lý thích hợp.
1.10.6. Chỉ số COD (nhu cầu oxi hóa học – chemical oxigen Demand)
Chỉ số này được sử dụng rộng rãi để đặc trưng cho hàm lượng chất hữu cơ của nước thải và sự ô nhiễm của nước tự nhiên.
COD là lượng oxi cần thiết cho quá trình oxi hóa toàn bộ các chất hữu cơ có trong mẫu nước thành CO2 và nước.
Để xác định COD người ta thường sử dụng một chất oxi hóa mạnh trong
môi trường axit. Chất oxi hóa thường dùng là kali đicromat (K2Cr2O7). Chất hữu cơ + K2Cr2O7 + H+ 2Cr3+ + 2K+ + CO2 + H2O
1.10.7. Chỉ số BOD (nhu cầu oxi sinh hóa – Biochemical oxigen Demand)
Là lượng oxi cần thiết để oxi hóa các chất hữu cơ có trong nước bằng vi Ag2SO4, t0
sinh vật. Quá trình này được gọi là quá trình oxi hóa sinh học. Quá trình này được tóm tắt như sau:
Chất hữu cơ + O2 CO2 + H2O Vi sinh vật tế bào mới (tăng sinh khối)
Quá trình này đòi hỏi thời gian dài ngày, vì phải phụ thuộc vào bản chất của chất hữu cơ, các chủng loại vi sinh vật, nhiệt độ nguồn nước, các chất có độc tính ở trong nước. Bình thường 70% nhu cầu oxi được sử dụng trong 5 ngày đầu, 20% trong 5 ngày tiếp theo và 99% ở ngày thứ 20 và 100% ở ngày thứ 21.
Để xác định BOD5 người ta lấy một lượng nhất định mẫu vào chai sẫm màu, pha loãng bằng một thể tích dung dịch pha loãng (nước cất có bổ sung một vài nguyên tố dinh dưỡng N, P, K… bão hòa oxi) theo tỉ lệ tính toán sẵn