Hình 1. 4. Cấu tạo màng vi sinh vật
Khi sử dụng các vật liệu mang để vi khuẩn bám dính lên ta có kĩ thuật vi khuẩn cố định, hay vi khuẩn bám dính. Trong kĩ thuật này vật liệu mang đóng vai trò rất quan trọng. Nó vừa là chỗ để vi khuẩn bám, vừa là phương tiện để tăng cường tiếp xúc lỏng (nước thải)/ rắn (màng vi khuẩn), và cả khí trong trường hợp phản ứng hiếu khí. Như vậy vật liệu phải có độ thông thoáng tốt (% thể tích rỗng), phải có bề mặt riêng lớn (m2/m3) để tạo tiếp xúc tốt tối đa, phải bền cơ-lí-hoá-vi sinh và có giá thành chấp nhận được. Do vi khuẩn thực hiện
quá trình xử lí được cố định trên bề mặt vật liệu dưới dạng màng mỏng nên ta còn gọi là kĩ thuật màng vi sinh, ta cũng còn gọi là kĩ thuật lọc sinh học [35]. Màng sinh học gồm 4 lớp:
+ Lớp ngoài cùng lớp là lớp hiếu khí, rất dễ thấy loại trực khuẩn Bacillus. + Lớp trung gian là các vi khuẩn tùy tiện, như Pseudomonas, Alcaligenes,
Flavobacterium, Micrococus và cả Bacillus.
+ Lớp sâu bên trong màng là kị khí, thấy có vi khuẩn kị khí khử lưu huỳnh và khử nitrat Desulfovibrio.
+ Phía dưới cùng của màng là lớp quần thể vi sinh vật với sự có mặt của động vật nguyên sinh và một số sinh vật khác. Các loài này ăn vi sinh vật và sử dụng một phần màng sinh học để làm thức ăn tạo thành các lỗ nhỏ của màng trên bề mặt chất mang. Quần thể vi sinh vật của màng sinh học có tác dụng như bùn hoạt tính.
Nhìn chung ở vùng trên cùng của vật liệu lọc có sinh khối nhiều nhất và màng lọc cũng là dày nhất, ở vùng giữa ít hơn và vùng dưới nữa là ít nhất. Màng vi sinh vật sẽ tăng dần lên và dày thêm, các tế bào bên trong màng ít tiếp xúc với cơ chất và ít nhận được oxi phải chuyển sang phân hủy kị khí [36].
Màng sinh học có thể oxi hóa được tất cả các hợp chất hữu cơ dễ phân hủy có trong nước thải. Màng này dần dần bịt các khe giữa các vật liệu lọc giữ lại các tạp chất, các thành phần sinh học có trong nước làm cho vận tốc nước qua lọc chậm dần và hệ xử lý làm việc có hiệu quả hơn. Nó hấp phụ giữ lại các vi khuẩn cũng như các tạp chất hóa học. Nó oxi hóa các chất hữu cơ có trong nước và nước được dần dần làm sạch. Nếu lớp màng quá dày ta có thể dùng nước rửa, sục nước để loại bỏ màng và nước sẽ chảy nhanh hơn, hiệu quả của hệ lọc có giảm nhưng dần dần lại được hồi phục. Vận tốc lọc tốt nhất là vào khoảng 11000 m3/0,4 ha. ngày. Hiệu quả của hệ lọc chậm có thể giữ được tới
99% vi khuẩn có trong nước. Cơ chế hoạt động có thể chia thành các giai đoạn như sau:
Quá trình tiêu thụ cơ chất làm sạch nước
Lớp màng vi sinh vật phát triển trên bề mặt vật liệu đệm tiêu thụ cơ chất như chất hữu cơ, oxi, nguyên tố vết…từ nước thải tiếp xúc với màng cho hoạt động của mình. Quá trình tiêu thụ cơ chất như sau: Đầu tiên cơ chất từ chất lỏng tiếp xúc với bề mặt màng sau đó chuyển vận vào màng sinh học theo cơ chế khuếch tán phân tử. Trong màng sinh học diễn ra quá trình tiêu thụ cơ chất và quá trình trao đổi chất của vi sinh vật trong màng. Đối với những loại cơ chất ở chất rắn dạng lơ lủng có phân tử khối lớn không thể khuếch tán vào màng được chúng sẽ phân hủy thành dạng phân tử khối nhỏ hơn tại bề mặt màng sau đó mới tiếp tục quá trình vận chuyển và tiêu thụ trong màng sinh học giống như trên. Sản phẩm cuối cùng của quá trình trao đổi được vận chuyển ra khỏi màng vào trong chất lỏng. Qúa trình vận chuyển được mô tả bởi công thức sau:
Chất hữu cơ + oxi + vi lượng → sinh khối của vi sinh vật + sản phẩm cuối
Khi một trong những thành phần cần thiết cho vi sinh vật tiêu thụ bị thiếu, những phản ứng sinh học sẽ xảy ra không đều. Nếu một trong những cơ chất bị hết ở một trong những chiều sâu nào đó của màng vi sinh vật, tại đó những phản ứng sinh học có liên quan đến cơ chất này sẽ không xảy ra và cơ chất này được gọi là cơ chất quá trình. Các nguyên tố vết như nito, photpho, và kim loại vi lượng nếu không có đủ trong nước thải theo tỉ lệ phản ứng sinh học sẽ trở thành yếu tố giới hạn trong màng sinh học.
Quá trình sinh trưởng, phát triển và suy thoái của màng vi sinh vật
Quy luật chung trong sự phát triển của màng vi sinh vật bởi quá trình tiêu thụ cơ chất có trong nước thải và làm sạch nước thải như sau: Quá trình vi sinh vật phát triển bám dính trên bề mặt đệm được chia làm 3 giai đoạn
Giai đoạn thứ nhất, khi màng vi sinh vật còn mỏng và chưa bao phủ hết bề mặt rắn. Trong điều kiện này tất cả vi sinh vật phát triển như nhau, cùng điều kiện, sự phát triển giống như quá trình vi sinh vật lơ lửng.
Giai đoạn thứ hai độ dày màng trở lên lớn hơn bề dày hiệu quả. Trong giai đoạn thứ hai tốc độ phát triển là hằng số, bởi vì bề dày lớp màng hiệu quả không thay đổi bất chấp sự thay đổi của toàn bộ lớp màng, và tổng lượng vi sinh đang phát triển cung không thay đổi trong trong suốt quá trình này. Lượng cơ chất tiêu thụ chỉ dùng để duy trì sự trao đổi chất của vi sinh vật, và không có sự gia tăng của sinh khối.
Trong giai đoạn thứ ba bề dày của lớp màng trở nên ổn định, khi đó tốc độ phát triển màng cân bằng với tốc độ suy giảm bởi sự phân hủy nội bào, phân hủy theo dây chuyền thực phẩm hoặc bị rửa trôi bởi lực cắt dòng chảy. Trong quá trình phát triển của màng vi sinh vật phát triển cả về số lượng và chủng loại [35].