Ảnh hưởng của nhiệt độ
Quá trình kỵ khí xảy ra trong điều kiện nhiệt độ khác nhau tùy thuộc vào những đặc trưng sinh lý của vi khuẩn kỵ khí. Thông thường các vi khuẩn được phân chia theo nhiệt độ tăng trưởng tối ưu thành ba loại:
- Ưa lạnh (psychrophilic) < 20oC; - Ưa ấm (mesophilic) < 20 -40oC; - Ưa nóng (thermophilic) > 45oC.
Các vi khuẩn ưa nóng lại được phân loại thành các nhóm như sau: - Chịu nhiệt (thermo-tolerant) : 40 – 500C;
- Hiếu nhiệt (thermophilic) : 50 – 700C;
- Cực hiếu nhiệt (extrem thermophilic) : 70 – 900C; - Siêu hiếu nhiệt (hyperthermophilic) : > 900C.
Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với quá trình phân hủy kỵ khí được ghi nhận và nghiên cứu từ lâu. Tuy nhiên họ vi khuẩn kỵ khí có thể bao gồm các chủng có
33
khoảng nhiệt độ hoạt động tối ưu rất khác nhau.
Ảnh hưởng của nhiệt độ với công đoạn phân hủy kỵ khí được ghi nhận và nghiên cứu từ lâu qua các công trình của Lawrence và Mc Carty (1969) và Harremoes (1983). Công thức được thừa nhận rộng rãi hơn cả do Pavlostathis và Giraldo – Gomes (1991) tổng kết và đề xuất có dạng như sau:
kmax = k1exp a1 (T – xt ) – k2exp a2(T – xt) Trong đó :
kmax : Tốc độ tiêu thụ cơ chất cực đại (gCOD/gVSS.ngày)
k1 : Hằng số hoạt tính phụ thuộc vào nhiệt độ (gCOD/gVSS.ngày) k2 : Hằng số phân hủy phụ thuộc vào nhiệt độ (gCOD/gVSS.ngày) T : Nhiệt độ 0C
xt : Hệ số điều chỉnh nhiệt độ (k)
a1 : Hằng số năng lượng cho quá trình sinh tổng hợp (k-1) a2 : Hằng số năng lượng cho quá trình phân hủy (k-1) Các hệ số được xác định qua thực nghiệm [16].
Ảnh hưởng của pH
Tùy thuộc vào khoảng pH tối ưu cho sinh trưởng, các vi sinh vật được phân làm ba loại:
- Ưa axit (acidophiles) : pH 0 ÷ 5,5; - Trung tính (neutrophiles) : pH 5,5 ÷ 8; - Ưa bazo (alkalophiles) : pH 8,5 ÷ 11,5.
34
pH tương đối rộng, nhưng biến thiên pH đột ngột có thể gây tổn thương cho màng plasma hoặc ức chế hoạt động của các enzyme và các proteins có chức năng vận chuyển qua màng. Các vi khuẩn có thể chết nếu pH nội bào giảm thấp dưới mức 5. Ngoài ra, những biến thiên pH trong môi trường bên ngoài làm thay đổi mức ion hóa của các chất dinh dưỡng và các vi khuẩn sẽ có thể thiếu các chất này.
Nói chung phần lớn các vi khuẩn kỵ khí hoạt động hiệu quả nhất trong khoảng pH trung tính. Tuy nhiên, trong trường hợp pH thay đổi, các tế bào vi khuẩn có khả năng thích nghi và tự bảo vệ thông qua các cơ chế khác nhau chẳng hạn sử dụng hệ thống vận chuyển potassium/proton hay sodium/proton, hoặc tổng hợp một số loại protein đặc biệt có khả năng chịu shock acid.
Phần lớn các methanoges phát triển tốt hơn trong khoảng pH xung quanh 7. Tuy nhiên một số loài MB vẫn hoạt động tốt ở những pH thấp hơn nhiều, trong khoảng 4,5 ÷ 6 như một loạt các thí nghiệm với các loại cơ chất khác nhau chẳng hạn nước thải chứa các hợp chất metanolic, nước thải nhuộm, nước thải chứa TNT [12].
Ảnh hưởng của độc tính H2S
Lưu huỳnh (S) là một nguyên tố cần thiết cho vi sinh vật như là nguồn bổ sung sulfur. Tuy nhiên ở nồng độ cao, các dẫn xuất lưu huỳnh có khả năng gây độc tính đối với các vi sinh vật.
Trong môi trường nước, H2S và S2- tồn tại trong một cân bằng có phương trình sau đây:
H2S HS-
+ H+ H2S S2-
+ H+
Sự phân bố H2S giữa hai pha khí – lỏng phụ thuộc vào nhiệt độ, và tại 300C có phương trình như sau:
35
[H2S] khí =0,4325[H2S] lỏng
Nhiễm độc sulfide là hiện tượng khi các phân tử H2S tự do có thể thấm qua màng tế bào làm ảnh hưởng tới pH nội bào và làm biến tính protein bởi sự hình thành các liên kết sulfid trong tế bào [16].
Ảnh hưởng của NH3 và NH4+
Trong môi trường nước, ammonia có thể tồn tại dưới dạng ion ammonium (NH4+) hoặc dưới dạng khí ammoniac hòa tan (NH3), phụ thuộc vào giá trị pH theo phương trình cân bằng hóa học sau:
NH4+ NH3 + H+
Như vậy việc xác định độc tính hay ức chế của ammonia đối với các vi sinh vật cần phải dựa trên tổng hàm lượng NH4-N, cần phải tính đến hàm lượng từng thành phần các ion ammonia NH4+ cũng như NH3 tự do. Điều này rất quan trọng vì không những NH3 tự do có độc tính cao đối với các vi sinh vật mà ngay cả NH4+ cũng có khả năng gây ức chế đối với sự phát triển của các chủng MB. Mặc dù vậy, bùn kỵ khí vẫn có khả năng sinh metan sau một thời gian thích nghi với hàm lượng NH3 [14].
Ảnh hưởng của hàm lượng Ca2+
Bản thân Ca là một nguyên tố cần thiết cho sự sinh trưởng và phát triển của các vi khuẩn, kể cả hiếu khí và kỵ khí. Tuy nhiên trong trường hợp nước thải có hàm lượng Ca cao có hiện tượng các muối CaCO3 hay Ca3(PO4)2 kết tủa, trên cơ sở các phương trình cân bằng hóa học sau:
o Cân bằng Cacbonat
H2CO3 H+
+ HCO3-
HCO3- H+
36 o Cân bằng phosphat H3PO4 H+ + H2PO4- H2PO4- H+ + HPO42- HPO42- H+ + PO43-
Sự tạo thành các kết tủa của muối canxi trong hệ thống có thể gây ra nhiều vấn đề cho hệ thống kỵ khí như đóng cặn đường ống, làm mất tính đệm của môi trường, giảm hiệu quả do bùn bị rửa trôi, làm mất hoạt tính methane hóa đặc thù của sinh khối kỵ khí, mất không gian thiết bị do kết tủa vô cơ chiếm chỗ [5;10].
Với hàm lượng Ca trên 500 mg/l, mặc dù sự có mặt của muối PO43- có thể sẽ tạo thành Ca5(PO4)3OH hoặc CaHPO4, nhờ đó giảm lượng CaCO3 hình thành.
Ảnh hưởng của kim loại nặng
Bảng 1.10: Nồng độ một số kim loại gây ức chế vi khuẩn MB [16]
Kim loại Nồng độ ức chế 50% ( mg/l) Cơ chất
Cr3+ 350 C2 Cr4+ ~30 C2 Cu2+ 200 C2 : C3 : C4 Ni2+ 200 C2 Zn2+ ~90 C2 Pb2+ ~300 C2 Cd2+ 80 C2
Với nồng độ vi lượng, từ khoảng 0,01 – 0,5 mg/l, một số kim loại như Ni, Co, Fe, Mo… giúp cho các vi khuẩn kỵ khí nói chung và MB nói riêng phát triển tốt. Tuy nhiên với những hàm lượng cao hơn, các kim loại nặng có thể ức chế các MB.
37