CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.3. Vai trò của VSV trong xử lý nước thải
Sử dụng VSV xử lý nước thải là phương pháp lợi dụng khả năng loại bỏ chất ô nhiễm của những sinh vật đơn bào có kích thước vơ cùng nhỏ và chỉ quan sát được bằng kính hiển vi. VSV đóng vai trị quan trọng trong hệ thống xử lý nước thải, chúng là thành phần khơng thể thiếu trong việc chuyển hóa khơng ngừng và phát triển liên tục bằng cách chuyển hóa chất hữu cơ trong nước thải.
1.3.1. Tảo
Tảo trong nước thải (trong đó có cả vi khuẩn lam mà trước đây gọi là tảo lam) được xếp vào nhóm thực vật nổi của nước. Chúng sống chủ yếu nhờ quang hợp, chúng xử dụng CO2 cùng với N và P để cấu thành tế bào dưới tác dụng của
năng lượng ánh sáng mặt trời, đồng thời cũng thải ra oxy. Trong nước thải rất giàu N, P nên nước thải là mơi trường thích hợp cho tảo tăng sinh khối. Mặt khác, việc tăng nhanh sinh khối của tảo cũng là nguồn ô nhiễm thứ cấp của nước thải khi tảo chết đi. Khi phát triển tảo và thực vật thủy sinh làm cho nước tăng độ hiếu khí [56].
1.3.2. Động vật nguyên sinh
Động vật ngun sinh thuộc nhóm sinh vật trơi nổi trong nước và là nhân tố chỉ thị cho nước, vì nếu có sự xuất hiện của chúng chứng tỏ q trình xử lí đạt hiệu quả và trong nước khơng có độc tính. Thức ăn của những động vật nguyên sinh trong nước thải là các vụn hữu cơ, các loại tảo hay vi khuẩn [57].
1.3.3. Hệ VSV của nước thải
Các VSV là những sinh vật nhỏ bé, đơn bào, tồn tại với số lượng rất lớn trong tự nhiên. Trong nước thải, VSV xâm nhập vào thông qua nhiều đường khác nhau: từ phân, nước tiểu, rác thải sinh hoạt, rác thải bệnh viện, khơng khí, đất, gió bụi.v.v... [58].
Hệ VSV trong nước thải bao gồm nhiều loại: vi khuẩn, nấm men, nấm mốc, xoắn thể, xạ khuẩn, virut, thực khuẩn thể, nhưng chủ yếu và chiếm số lượng nhiều nhất là vi khuẩn. Vi khuẩn đóng vai trị cực kì quan trọng trong q trình phân hủy chất hữu cơ làm sạch nước thải. Theo phương thức dinh dưỡng vi khuẩn được chia thành hai nhóm chính:
- Vi khuẩn dị dưỡng: là những vi khuẩn sử dụng chất hữu cơ làm nguồn cacbon dinh dưỡng, và làm nguồn năng lượng để hoạt động sống, xây dựng tế bào, phát triển.
+ Các nhóm VSV phân giải tinh bột
Nhiều nhóm vi sinh vật có khả năng sinh amilaza như vi khuẩn, nấm mốc và nấm men.
Các vi khuẩn gram dương đặc biệt là Bacillus thường tạo ra nhiều (β-amilaza hơn các vi khuẩn gram âm (Forgarty & Kelly, 1990). Ngoài (β-amilaza ra, vi khuẩn còn tạo ra β- amilaza (β- amilaza trước đây chỉ thấy ở thực vật). Ví dụ (β -amilaza từ
B. polymyxa, khi thủy phân tinh bột có thể tạo ra 92÷94% maltoza. Đây là (β- amilaza đầu tiên được phát hiện ở vi khuẩn. Hoạt tính của nó gần giống như (- amilaza của thực vật. Sau này, người ta tìm thấy (amilaza ở một số vi khuẩn khác như Acetobacter,
Khả năng sinh amilaza của nấm mốc là mạnh nhất trong các nhóm vi sinh vật. Các giống nấm mốc điển hình có khả năng phân giải tinh bột mạnh đó là:
Aspergillus (A. niger, A. awamori, A. oryzae). Rhizopus (R. delemar, R. niveus..).
+ Các nhóm VSV phân giải xenluloza
Năm 1785, lần đầu tiên L. Popov đã phát hiện ra rằng các vi khuẩn kỵ khí tham gia vào quá trình lên men xenluloza. Thế kỷ 19 các nhà khoa học đã phân lập đợc một số vi sinh vật kị khí có khả năng phân giải xenluloza từ phân và dạ cỏ của động vật nhai lại. Năm 1902, V.L. Omelianski đã thuần khiết và mô tả 2 giống vi khuẩn phân giải xenluloza và nêu ra 2 kiểu lên men xenluloza: Lên men hydro do loài Bacillus cellulosae hydrogenicus và lên men metan - Bacillus cellulosae
metanicus. Chúng là vi khuẩn ưa ấm với nhiệt độ sinh trưởng tối ưu từ 30÷35oC (Gusterov, 1970). Đầu thế kỷ 20, ngồi những nhóm vi khuẩn kỵ khí, người ta phân lập được các nhóm vi khuẩn hiếu khí ưa ấm, ưa nhiệt có khả năng phân giải xenluloza. Hơn nữa, trong mơi trường có độ ẩm cao hơn thường khả năng phân giải xenluloza và hemixenluloza của các nhóm vi khuẩn cũng tăng lên.
Các loại vi sinh vật có khả năng phân giải xenluloza mạnh mẽ thường thuộc về các chi sau: Achromobacter, P. Seudomonas, Vibrio, Cellvibrio, Bacillus,
Cytophaga, Anginococcus, Micromonospora, Actinomyces, Streptomyces, Streptospotangium, Fusarium, Aspergillus.
- Vi khuẩn tự dưỡng: là những vi khuẩn có khả năng tổng hợp các chất hữu cơ từ CO2, H2O, NH4+, PO 3-... nhờ ánh sáng mặt trời hay năng lượng thải ra từ những phản ứng hóa sinh. Những vi khuẩn thuộc nhóm này bao gồm: vi khuẩn nitrat hóa, vi khuẩn sắt, vi khuẩn lưu huỳnh, vi khuẩn khử H2S.v.v...[59].
1.3.4. Quá trình tham gia của VSV trong xử lí nước thải
VSV trong nước thải nói chung là những vi khuẩn hoại sinh và dị dưỡng, sử dụng chất hữu cơ có sẵn trong nước thải để phân hủy và chuyển hóa thành vật liệu xây dựng tế bào, đồng thời loại bỏ các chất ô nhiễm. Các hợp chất hữu cơ trong nước thải sẽ được phân hủy đến sản phẩm cuối cùng là CO2 và nước hay tạo thành các loại khí khác nhau như CH4, H2S, Mercaptan, Scatol, Idol, NO2, N2O, N2.v.v. , [60]. Chất ô nhiễm trong nước thải chủ yếu là các chất hữu cơ hòa tan, chất hữu cơ ở dạng keo
và và chất hữu cơ phân tán nhỏ ở dạng lơ lửng. Những chất hữu cơ này sẽ tiếp xúc với bề mặt tế bào vi khuẩn bằng cách hấp phụ hay keo tụ sinh học, sau đó sẽ chuyển qua q trình đồng hóa và dị hóa. Như vậy quá trình làm sạch nước thải gồm 3 giai đoạn :
- Các chất hữu cơ tiếp xúc với bề mặt tế bào VSV
- Khuếch tán và hấp thụ các chất ô nhiễm của nước qua màng bán thấm vào trong tế bào VSV.
- Chuyển hóa các chất ở trong nội bào để sinh năng lượng và tổng hợp các vật liệu mới cho tế bào VSV.
Cơ chế của quá trình phân hủy các chất trong tế bào VSV diễn ra như sau: Sau khi vào trong tế bào VSV, những chất hữu cơ có mạch phân tử cịn tương đối dài sẽ được hệ enzyme thủy phân tiếp tục cắt thành những sản phẩm trung gian hay sản phẩm cuối cùng dễ sử dụng. Cụ thể, tinh bột sẽ phân cắt bởi enzyme amylase tạo thành đường; Protein sẽ bị phân cắt bởi enzyme protease tạo thành pepton, axit amin và cuối cùng là NH4+. Với chất béo thì enzyme lipase sẽ phân hủy tạo thành axit béo và glycerine. Các sản phẩm này sẽ được tế bào VSV sử dụng làm năng lượng hay làm nguyên liệu cho q trình tổng hợp tế bào.
Có hai loại q trình thủy phân hay phân hủy: phân hủy các chất hữu cơ hiếu khí nhờ các VSV hiếu khí có sự tham gia của oxy phân tử của khơng khí và phân hủy kị khí nhờ các VSV kị khí khơng có sự tham gia của oxy phân tử [59].
Những cơ chất ở đây là những chất hữu cơ hòa tan trong nước thải, thể hiện thơng qua thơng số BOD. Có thể coi BOD là nguồn cơ chất dinh dưỡng cacbon của VSV trong nước thải. Chính nhờ hoạt động sống của VSV thì các chất nhiễm bẩn trong nước thải được làm sạch và đồng thời một phần trong số đó được VSV sử dụng để tăng sinh khối nhờ chúng đồng hóa BOD, NH4+, PO43- và các ion kim loại. Trong số này BOD là nguồn thức ăn chính của các chủng VSV dị dưỡng và là mục tiêu làm sạch trước tiên. Các nguồn NH4+, PO43- và kim loại nếu thiếu trong nước thải cần phải bổ sung để cân đối dinh dưỡng cho các VSV hoạt động, và cần phải xử lí riêng nếu thừa [60].