Sự sinh trưởng của vi sinh vật là quá trình sinh sản (tăng số lượng, kắch thước tế bào) và tăng sinh khối (tăng trọng lượng) quần thể vi sinh vật. Hiệu quả của sự dinh dưỡng (đồng thời là sự giảm BOD, COD, TOC ...) là quá trình tổng hợp các bộ phận của cơ thể tế bào và sự tăng sinh khối. Tất cả những biến đổi về hình thái, sinh lý trong cơ thể được tổng hợp thành khái niệm ỘPhát triểnỢ.
Khố Luận Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS. Hồng Hưng
Trong quá trình xử lý nước thải sự sinh trưởng cũng là sự tăng số lượng tế bào và sự thay đổi kắch thước tế bào được phản ánh qua sự tăng sinh khối của vi sinh vật. Tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật phụ thuộc vào điều kiện bên ngồi, đặc tắnh sinh lý và trạng thái tế bào. Vi sinh vật sinh sản chủ yếu bằng cách phân đơi tế bào. Thời gian để tăng gấp đơi số lượng vi sinh vật tối thiểu được gọi là thời gian sinh trưởng/ thời gian thế hệ thường là 20 phút cĩ khi đến vài ngày. Khi các chất dinh dưỡng cạn kiệt, pH và nhiệt độẦ của mơi trường thay đổi ra ngồi các trị số tối ưu thì quá trình sinh sản bị dừng lại.
Phương pháp sinh học xử lý nước thải nhân tạo trong điều kiện tĩnh, điều kiện động là
dựa vào cơ sở lý luận đã được nghiên cứu từ q trình ni cấy tĩnh hoặc nuơi cấy liên tục vi sinh vật. [8]
3.4.1 Nuơi cấy tĩnh/ nuơi cấy theo mẻ.
Đây là phương pháp mà trong suốt thời gian nuơi cấy khơng thêm chất dinh dưỡng cũng như khơng loại bỏ các sản phẩm cuối cùng của quá trình trao đổi chất. Sự sinh trưởng/ sự tăng sinh khối của vi sinh vật biểu thị bằng lượng bùn hoạt tắnh X (mg/lit) theo thời gian t được biểu diễn bằng đường cong abcdefg mơ tả trên hình 1.7 chia làm 5 vùng khác nhau.
Khố Luận Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS. Hồng Hưng
Vùng 1: Giai đoạn làm quen/ pha tiềm phát/ pha lag.
Pha lag bắt đầu từ lúc nuơi cấy đến khi vi sinh vật bắt đầu sinh trưởng. Trong pha này nồng độ bùn X= X0 (X0 là sinh khối ở thời điểm t = 0 giây). Tốc độ sinh trưởng: rg = dX/dt = 0.
Gần cuối giai đoạn này tế bào vi sinh vật mới bắt đầu sinh trưởng tức tăng về kắch thước, thể tắch và trọng lượng do tạo ra Protein, Axit Nucleic, men Proteinaza, Amilaza nhưng chưa tăng về số lượng
Vùng 2: Giai đoạn sinh sản theo cách phân đơi tế bào (theo cấp số nhân)/ giai đoạn lũy
tiến hay pha sinh trưởng logarit/ pha số mũ (Pha log).
Trong pha log chất dinh dưỡng đáp ứng đầy đủ cho vi sinh vật sinh trưởng và phát triển theo luỹ thừa. Sinh trưởng và sinh sản đạt mức độ cao nhất. Sinh khối và khối lượng tế bào tăng theo phương trình: N = N0 x 2n (n là số lần phân chia tế bào của N0 tế bào ban đầu). Tốc độ sinh trưởng tăng tỷ lệ thuận với X (từ đĩ cĩ đường cong hàm mũ) theo phương trình:
rg = dX/dt = ộ .X (3.1) Trong đĩ rg là tốc độ sinh trưởng Vi sinh vật (mg/l.s); X là nồng độ sinh khối/ nồng độ
bùn (mg/l); ộ là hằng số tốc độ sinh trưởng hay tốc độ sinh trưởng riêng Vi sinh vật(1/s). Đường cong cho thấy sinh khối của bùn cĩ xu hướng tăng theo cấp số nhân (đoạn a-b) thuộc pha tiềm phát và pha sinh trưởng logarit. Trong pha sinh trưởng logarit tốc độ phân đơi tế bào trong bùn sẽ điều hịa đạt giá trị tối đa. Phần giữa của đường cong (e-f) tốc độ sinh trưởng gần như tuyến tắnh với nồng độ sinh khối tương ứng với nồng độ chất dinh dưỡng dư thừa.
Vùng 3: Giai đoạn sinh trưởng chậm dần/ pha sinh trưởng chậm dần.
Trong giai đoạn này (f- c) chất dinh dưỡng trong mơi trường đã giảm sút và bắt đầu cạn kiệt cùng với sự biến mất của một hay vài thành phần cần thiết cho sự sinh trưởng hoặc do mơi trường tắch tụ các sản phẩm ức chế vi sinh vật được sinh ra trong quá trình chuyển hố chất trong tế bào ở pha log. Sự sinh sản của vi sinh vật dần đạt tới tiệm
Khố Luận Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS. Hồng Hưng
cận tùy thuộc vào sự giảm nồng độ chất dinh dưỡng. X tiếp tục tăng nhưng tốc độ sinh trưởng giảm dần dần khi chuyển dần dần từ pha sinh trưởng sang pha ổn định và đạt mức cân bằng ở cuối pha.
Vùng 4: Giai đoạn sinh trưởng ổn định/ pha ổn định.
Chất dinh dưỡng trong pha này cĩ nồng độ thấp, nhiều sản phẩm của quá trình trao đổi chất được tắch luỹ. X đạt tối đa, số lượng tế bào đạt cân bằng. Sự sinh trưởng dừng lại, cường độ trao đổi chất giảm đi rõ rệt (c- d).
Vùng 5: Giai đoạn suy tàn/ pha suy vong/ pha oxi hố nội bào.
Phần đường cong (d-g) biểu thị sự giảm sinh khối bùn bởi quá trình tự oxy hĩa diễn ra. Trong pha này số lượng tế bào cĩ khả năng sống giảm theo luỹ thừa, các tế bào bị chết và tỷ lệ chết cứ tăng dần lên mà nguyên nhân là chất dinh dưỡng đã quá nghèo hoặc đã hết, sự tắch luỹ sản phẩm trao đổi chất cĩ tác động ức chế và đơi khi tiêu diệt cả vi sinh vật. Các tắnh chất lý, hố mơi trường thay đổi khơng cĩ lợi cho tế bào, các tế bào Ộbị già và bị chếtỢ một cách tự nhiên...
Quá trình ni cấy tĩnh vi sinh vật được ứng dụng trong cơng nghệ xử lý nước thải ở điều kiện tĩnh và hoạt hố bùn. Đường cong sinh trưởng của vi sinh vật (bùn) theo thời gian đều đúng cho cả 2 mơi trường hiếu khắ và kỵ khắ. Giá trị các thơng số của quá trình phụ thuộc vào các lồi vi sinh vật, hàm lượng cơ chất, nhiệt độ và độ pH mơi trường mà vi sinh vật sống trong đĩ.
3.4.2 Ni cấy liên tục/ dịng liên tục.
Ngược với nuơi cấy tĩnh, nuơi cấy liên tục là phương pháp mà trong suốt thời gian nuơi cấy liên tục cho thêm các chất dinh dưỡng mới vào và tiến hành loại bỏ các sản phẩm cuối cùng của quá trình trao đổi chất ra khỏi mơi trường ni cấy. Do đĩ vi sinh vật luơn luơn ở trong điều kiện ổn định về chất dinh dưỡng cũng như sản phẩm trao đổi chất và tốc độ sinh sản phụ thuộc tốc độ cung cấp chất dinh dưỡng. Quá trình nuơi cấy liên tục, tốc độ sinh trưởng rg được biểu thị bằng phương trình:
Khố Luận Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS. Hồng Hưng
Trong đĩ X là nồng độ sinh khối ban đầu/ nồng độ bùn (mg/l); ộ là hằng số tốc độ sinh trưởng (1/s). Hệ số pha lỗng D = F/V; F là tốc độ cung cấp dinh dưỡng cho mơi trường (ml/h); V là thể tắch mơi trường (ml).
Từ (1.2) thấy rằng khi ộ > D thì dX/ dt > 0, mật độ vi sinh vật tăng. Khi ộ < D thì dX/ dt < 0, mật độ vi sinh vật giảm. Khi ộ = D thì dX/dt = 0, mật độ vi sinh vật ở trạng thái cân bằng động học khơng tăng khơng giảm theo thời gian.
Q trình ni cấy liên tục vi sinh vật được ứng dụng trong cơng nghệ xử lý nước thải ở điều kiện động.