6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
1.5.3. Cơ chế phân hủy các chất hữu cơ trong nước thải
Các chất hữu cơ và chất khoáng có trong nước thải sẽ được vi sinh vật sử dụng làm nguồn thức ăn để tạo năng lượng và tăng sinh khối, do đó các chất hữu cơ sẽ bị phân hủy. Tùy thuộc vào cơ chế của quá trình phân hủy mà người ta chia phương pháp xử lý sinh học thành 2 loại: quá trình xử lý sinh học hiếu khí và quá trình xử lý sinh học kị khí.
Theo quan điểm hiện đại nhất, quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là quá trình gồm 3 giai đoạn [4], [5], [8]:
- Giai đoạn 1: khuếch tán và chuyển chất từ nước thải tới bề mặt các tế bào vi sinh vật.
- Giai đoạn 2: khuếch tán và hấp phụ các chất bẩn từ mặt ngoài tế bào qua màng bán thấm vào trong tế bào.
- Giai đoạn 3: quá trình chuyển hóa các chất đã được khuếch tán và hấp phụ ở trong tế bào vi sinh vật để ra tạo năng lượng và tổng hợp các chất mới của tế bào.
Quá trình phân hủy các chất hữu cơ bằng vi sinh vật có thể biểu diễn bằng phương trình tổng quát sau:
CxHyOz + O2 + VSV CO2 + H2O + năng lượng + sinh khối Năng lượng sinh ra được vi sinh vật sử dụng để sinh trưởng, sinh sản, trao đổi chất, vận động.
1.5.3.1. Cơ chế phân hủy các chất hữu cơ trong điều kiện hiếu khí
Theo Erkenfelder w.w và Connon DJ (1961) thì quá trình xử lý sinh học hiếu khí gồm 3 giai đoạn sau [9, 10]:
- Giai đoạn 1: oxi hóa các chất hữu cơ
Các chất đầu tiên bị oxi hóa là hidratcacbon và một số chất hữu cơ khác. Men của vi sinh vật sẽ tách hidro khỏi mắc xích và đem phối hợp với oxi của không khí để tạo thành nước. Phản ứng oxi hóa khử giữa các hợp chất hữu cơ với oxi có thể biểu diễn như sau:
CxHyOz + O2 CO2 + H2O + H
- Giai đoạn 2: Quá trình đồng hóa và xây dựng tế bào
Đường, rượu và các chất hữu cơ khác là các sản phẩm đặc trưng nhất của quá trình oxi hóa bởi vi sinh vật hiếu khí. Các chất đó khi phân hủy sẽ tạo thành CO2 và H2O, một phần tạo thành nguyên sinh chất của tế bào vi sinh.
3 2 2 2 5 7 2
Enzim
x y x
C H O NH O CO H OC H NO H
Trong đó : C5H7NO2 là nguyên sinh chất trong tế bào vi sinh vật.
- Giai đoạn 3: quá trình dị hóa
Quá trình dị hóa là quá trình phân hủy các chất có trong tế bào sống, như vậy một phần trong số các chất sống đã được tổng hợp lại tự bị oxi hóa.
5 7 2 2 Enzim 2 5 2 3
C H NO O CO H ONH H
1.5.3.2. Cơ chế phân hủy các chất hữu cơ trong điều kiện kị khí
Khi nước thải rất đậm đặc (BOD ≥ 10 – 30 g/L) thì không thể xử lý bằng phương pháp hiếu khí mà phải xử lý bằng phương pháp kị khí để làm giảm bớt hàm lượng BOD của nước [10]. Về nguyên tắc, quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ trong điều kiện kị khí gồm 2 giai đoạn chính [2]:
- Giai đoạn 1: giai đoạn thủy phân
Dưới tác dụng của men do vi sinh vật tiết ra, các chất hữu cơ trong nước thải sẽ bị thủy phân: hidratcacbon phức tạp sẽ thành đường đơn giản, protit sẽ thành peptit và các axit amin, mỡ sẽ thành glyxerin và các axit béo.
- Giai đoạn 2: giai đoạn tạo khí
Sản phẩm của quá trình thủy phân sẽ tiếp tục bị phân giải và tạo sản phẩm cuối cùng là hỗn hợp các loại khí (chủ yếu là CO2 và CH4), ngoài ra còn có một ít muối khoáng.
Tốc độ và mức độ thủy phân kị khí các chất hữu cơ tùy thuộc vào bản chất hóa học của chúng.
Theo Erkenfelder w.w các quá trình lên men kị khí được chia thành 3 giai đoạn [2]:
- Giai đoạn 1: giai đoạn lên men axit
Những hidratcacbon rất dễ bị phân hủy sinh hóa thành axit béo với trọng lượng phân tử thấp. Khi đó pH của môi trường giảm xuống đến 5 hoặc thấp hơn nữa và có kèm theo mùi hôi.
- Giai đoạn 2: giai đoạn chấm dứt lên men axit
Các axit hữu cơ và các hợp chất tan chứa nitơ tiếp tục bị phân hủy và tạo thành các amon, amin, các khí CO2, CH4,H2S… pH môi trường tăng dần lên. Mùi hôi của hỗn hợp lên men rất khó chịu do thành phần H2S, indol (do E.Coli trong môi trường có pepton sinh ra indol), scaton và mecaptan.
Dưới tác dụng của các loại men, bùn có màu đen, nhớt và tạo bọt rồi nổi lên thành màng.
- Giai đoạn 3: giai đoạn lên men kiềm hay lên men metan
Các sản phẩm trung gian chủ yếu là xenlulozo, axit béo, các hợp chất chứa nitơ tiếp tục bị phân hủy và tạo thành khí CO2 và CH4, pH của môi trường tiếp tục tăng lên và chuyển sang môi trường kiềm. Lúc này amoniac tác dụng với CO2 tạo ra muối cacbonat và tạo cho môi trường có tính đệm rất cao, nên pH của dung dịch ít bị thay đổi.
1.6. Xử lý nƣớc thải bằng phƣơng pháp màng sinh học
1.6.1. Khái niệm về màng sinh học
Màng sinh học là tập hợp các loài vi sinh vật có hoạt tính oxi hóa các chất hữu cơ có trong nước thải khi tiếp xúc với màng. Màng thường có độ dày từ 1-3cm hoặc có thể dày hơn [2].
1.6.2. Đặc điểm màng sinh học
Trong số các vi sinh vật phát triển trên lớp màng sinh học sẽ có những loài sinh ra các polysacarit có tính chất như là các chất dẻo (gọi là polime sinh học) tạo thành màng (màng sinh học). Màng sinh học được dày lên dần do sinh khối hay vi sinh vật bám dính trên các chất mang.
Màng này có khả năng oxi hóa các chất hữu cơ có trong nước khi chảy qua hoặc tiếp xúc, ngoài ra màng này có khả năng hấp phụ các chất bẩn lơ lửng hoặc trứng giun sán.
Màng sinh học được tạo thành chủ yếu là các vi khuẩn hiếu khí, song cũng có các loài vi khuẩn kị khí và tùy tiện. Ở ngoài cùng lớp màng là lớp hiếu khí, rất dễ thấy các loại trực khuẩn Bacillus. Lớp trung gian là các vi khuẩn tùy tiện như Pseudomonas, Alcaligenes, Flavobacterium, Microcosus. Lớp sâu bên trong màng là các vi khuẩn kị khí khử lưu huỳnh và khử nitrat Desulofovibuo. Với đặc điểm như vậy, màng sinh học có thể oxi hóa được tất
cả các chất hữu cơ dễ bị phân hủy có trong nước thải [2], [13], [39].
Màng sinh học được dùng trong các phin lọc sinh học hiếu khí hoặc đĩa quay sinh học.
1.6.2.1. Bể lọc sinh học (biofilter)
Ở đây vi sinh vật được sinh trưởng gắn kết trên các vật liệu lọc tạo thành màng lọc. Các hạt vật liệu gắn kết vi sinh vật được nạp trên cột lọc tạo thành pha tĩnh. Còn nước thải và không khí được đưa vào dưới dạng pha động.
Các hạt vật liệu này thường là các hạt đá, sỏi hoặc là các hạt chất dẻo, có diện tích bề mặt, độ xốp lớn để vi sinh vật có thể gắn kết lên.
* Nguyên lý của quá trình:
Khi các tạp chất hữu cơ có trong nước thải đi qua hệ thống, chúng sẽ tiếp xúc với lớp màng sinh học và sẽ bị hấp phụ vào màng sinh học (dày khoảng 0,1 – 0,2 mm), tại đây chúng sẽ bị phân hủy sinh học hiếu khí. Do đó lớp màng sinh học sẽ ngày càng dày lên, càng đi sâu vào phía trong của màng sinh học oxi càng giảm đi nên phía sát bề mặt vật liệu lọc trở thành môi trường kị khí. Khi lớp màng sinh học dày lên thì lớp ngoài có thể sẽ bị rửa trôi theo dòng nước, khi đó lớp màng mới sẽ hình thành trên vật liệu lọc và quá trình lại tiếp tục.
Như vậy, trong quá trình xử lý ngoài nước đã xử lý đi ra còn có thể kéo theo các bùn sinh học (bùn hoạt tính) nên cần lọc qua một bể lọc thứ cấp để tách loại các loại tạp chất kéo theo này.
Phương pháp lọc sinh học được chia thành nhiều loại:
- Lọc sinh học có lớp vật liệu không ngập trong nước (lọc nhỏ giọt). - Lọc sinh học với lớp vật liệu ngập trong nước.
- Lọc sinh học với lớp vật liệu là các hạt cố định.
Hệ thống này gồm một loạt đĩa tròn lắp trên cùng một trục cách nhau một khoảng nhỏ. Khi trục quay, một phần đĩa ngập trong máng chứa nước thải, phần còn lại tiếp xúc với không khí. Các vi sinh vật bám trên các đĩa quay tạo thành màng sinh học. Khi đĩa quay đã tạo cho màng sinh học có khả năng thay đổi liên tục trạng thái tiếp xúc: tiếp xúc với các tập chất hữu cơ khi chuyển động trong nước thải và sau đó lại tiếp xúc với oxi không khí khi ra khỏi nước thải. Đĩa quay được nhờ motor hoặc sức gió. Nhờ quay liên tục mà màng sinh học vừa tiếp xúc được với không khí, vừa tiếp xúc được với chất hữu cơ trong nước thải, vì vậy chất hữu cơ phân hủy nhanh.
1.6.3. Quá trình tạo màng sinh học
Hệ thống xử lý nước thải bằng màng sinh học dựa trên quá trình oxi hóa của các vi sinh vật có trong nước thải có khả năng chuyển hóa chất hữu cơ trong nước thành thức ăn của chúng. Để thực hiện việc trên cần tạo môi trường thuận lợi cho các vi sinh vật phát triển, trên thực tế người ta dùng các vật liệu như: than, đá, nhựa, xốp… Các vật liệu này có tác dụng như các giá đỡ giúp các vi sinh vật bám vào và tạo ra lớp màng trên vật liệu lọc. Ngoài ra, các vật liệu này còn có tác dụng lọc cơ học. Người ta tạo màng vi sinh vật trên vật liệu bằng cách lấy phần nước thải có hàm lượng vi sinh lớn rồi sau đó tưới lên vật liệu. Quá trình này được diễn ra liên tục, sau một thời gian nhất định (khoảng 18 đến 24 giờ) các vi sinh vật sẽ phát triển và bám vào vật liệu tạo thành màng lọc sinh học. Khoảng 72 giờ thì màng vi sinh vật có độ dày nhất định [2] .
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