Trong nước thải cĩ rất nhiều loại vi sinh vật khác nhau: vi khuẩn, nấm men, nấm mốc, xoắn thể, xạ khuẩn, virus, thực khuẩn thể… nhưng chủ yếu là vi khuẩn.
Đặc biệt nước thải sinh hoạt và nước thải các xí nghiệp chế biến thực phẩm, thủy sản rất giàu các chất hữu cơ, vì vậy số lượng vi sinh vật trong nước thải là rất lớn. Trong số này chủ yếu là vi khuẩn, chúng đĩng vai trị phân hủy các chất hữu cơ, cùng với các chất khống khác dùng làm vật liệu xây dựng tế bào đồng thời làm sạch thời nước thải.
IV.1.2.1 Vi sinh vật của quá trình phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện hiếu khí
Các phản ứng xảy ra trong quá trình này do các vi sinh vật hoại sinh hiếu khí hoạt động cần cĩ oxi của khơng khí để phân hủy các chất hữu cơ nhiễm bẩn vào trong nước thải.
Theo Eckenfelder W.W và Conon D.J (1961) quá trình phân huỷ hiếu khí nước thải gồm 3 giai đoạn biểu thị bằng các phản ứng:
Oxi hĩa các chất hữu cơ:
CxHyOz + O2 CO2 + H2O + ∆H
Các hợp chất hydratcacbon bị phân huỷ hiếu khí chủ yếu theo phương trình này.
Tổng hợp xây dựng tế bào
CxHyOz + O2 Tế bào VSV + CO2 + H2O + C5H7NO2 - ∆H
Đây là phương trình sơ giản tĩm tắt quá trình sinh tổng hợp tạo thành tế bào vi sinh vật.
Tự oxi hĩa chất liệu tế bào (tự phân huỷ)
C5H7NO2 + 5O2 5CO2 + 2H2O + NH3 ± ∆H
Trong 3 loại phản ứng ∆H là năng lượng được sinh ra hay hấp thu vào. Các chỉ số x, y, z tuỳ thuộc dạng chất hữu cơ chứa carbon bị oxi hĩa. Đối với các hợp chất hữu cơ chứa N và S cũng cĩ thể được theo các phương trình trên.
Vi khuẩn:
enzyme enzyme
Vi khuẩn, đặc biệt là vi khuẩn gram âm, là thành phần chủ yếu của bơng bùn hoạt tính.
Hơn ba trăm lồi vi khuẩn phát triển trong bùn hoạt tính nhưng chỉ một phần khá nhỏ trong số chúng là cĩ thể được phát hiện khi nuơi cấy trên đĩa thạch:
Zooglea, Pseudomonas, Alcaligenes, Bacilus, Achromobacter, Corynebaterium, Comomonas, Brevibacterium, Acinetobacterium.
Bơng bùn hoạt tính cũng cĩ những vi khuẩn tự dưỡng như vi khuẩn nitrat hĩa và vi khuẩn quang dưỡng như vi khuẩn tím khơng sulfur (Rhodospirillaceae được phát hiện ở nồng độ 105 tế bào cho mỗi ml)
Vi khuẩn tím và xanh sunfua cũng được tìm thấy ở nồng độ thấp hơn nhiều. Vi khuẩn quang dưỡng cĩ lẽ chỉ cĩ vai trị nhỏ trong việc loại bỏ BOD của bùn hoạt tính.
+ Zooglea là những vi khuẩn tạo ra ngoại polysaccharide tạo nên những nhánh hình ngĩn tay và được tìm thấy trong nước thải và những mơi trường giàu chất hữu cơ. Chúng được phân lập bằng cách sử dụng mơi trường làm giàu chứa m – butanol, tinh bột hay m – toluen làm nguồn cacbon. Chúng được tìm thấy trong những giai đoạn khác nhau của xử lý nước thải nhưng chúng chỉ chiếm từ 0.1% đến 1% tổng số vi khuẩn trong hỗn dịch.
Hình IV.1: Vi khuẩn Zooglea hình ngĩn tay
Ơxy hĩa các chất hữu cơ để chuyển hĩa chất dinh dưỡng. Chúng tạo thành polysachrides và những chất polymer khác giúp cho việc tạo bơng của sinh khối vi sinh vật
Các lồi vi khuẩn dạng sợi đĩng vai trị quan trọng trong việc hình thành bơng bùn. Chúng là xương sống của hệ bùn hoạt tính. Tuy vậy vi khuẩn dạng sợi cũng là nguyên nhân gây ra một số sự cố thường gặp ở bùn hoạt tính như bùn khối.
Một số loại sinh vật sợi là loại cĩ bao (ví dụ Sphaerotilus) và vi khuẩn trượt (ví dụ Beggiatoa, Vitreoscilla) chịu trách nhiệm cho việc bung bùn. Khi nồng độ oxy trong bơng bị giới hạn, số lượng vi khuẩn hiếu khí giảm khi kích thước bơng gia tăng (Hannel 1988).
Phần bên trong của bơng bùn tương đối lớn làm thuận lợi cho những vi khuẩn kị khí nghiêm ngặt như những vi khuẩn tạo metan. Người ta giải thích rằng sự hiện diện của vi sinh vật tạo metan là do sự tạo thành của những hốc kỵ khí trong bơng bùn hoặc là do sự dung nạp của một số vi sinh vật tạo metan đối với oxy (Wu và cộng sự, 1987). Do đĩ bùn hoạt tính cĩ thể là một vật liệu mầm tiện lợi và cĩ hiệu quả cho bể phản ứng kỵ khí.
+ Pseudomonas: Phân hủy hiđratcacbon, protein, phản ứng nitrat hĩa.
Hình IV.2: Các lồi vi khuẩn Pseudomonas
Hình IV.3 : Các lồi vi khuẩn Bacillus
Bảng IV.1: Một số vi khuẩn trong bùn hoạt tính và chức năng của chúng (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Vi khu nẩ Ch c n ngứ ă
Pseudomonas Phân hủy hiđratcacbon, protein, phản nitrat hĩa
Arthrobacter Phân hủy hiđratcacbon
Bacillus Phân hủy hiđratcacbon, protein, …
Cytophaga Phân hủy các polyme
Zooglea Tạo thành chất nhầy (polysacarit), hình thành chất
keo tụ
Nitrosomonas Nitrit hĩa
Nitrobacter Nitrat hĩa
Flavobacterium Phân hủy protein
Nitrococcus denitrificans Phản nitrat hĩa (khử nitrat thành N2)
Thiobacillus denitrificans Phản nitrat hĩa
Acinetobacter Phản nitrat hĩa
Desulfovibrio Khử sulfat, khử nitrat
Nấm:
Bùn họat tính khơng thuận lợi cho sự phát triển của nấm (nấm mọc nhiều ở điều kiện pH thấp, độc chất và chất thải thiếu nitơ): Geotrichum Candidum,
Candida, Trichoderma Penicillium, Cepholosporium và Alternaria.
Hình IV.4: Nấm Geotrichum Candidum
Hiện tượng bung bùn do sự tăng sinh nhiều của Geotrichum Candidum đặc biệt thuận lợi ở pH thấp trong nước thải acid.
pH thấp hơn 6 cĩ thể tạo điều kiện thích hợp cho nấm phát triển và tạo bùn sợi. Sự tăng trưởng vượt mức của nấm trong bể bùn họat tính sau 30 ngày tạo ra pH 4 – 5.
Hình IV.5: Một vài hình ảnh về nấm Aspergill và Saccharomyces Tảo:
Q trình bùn hoạt tính thường khơng ưu tiên cho sự phát triển của tảo, dù cĩ thể thấy xuất hiện khá thường các loại tảo dạng sợi trong bơng bùn ví dụ như các sợi tảo lam. Tảo cĩ thể phát triển mạnh dưới những điều kiện như pH thấp, độc chất, và chất thải thiếu nguồn nitơ.
Hình IV.6: Sợi tảo lam Trùng biến hình (trùng chân giả):
Đặc điểm: Hình dạng rất phong phú, đa dạng, kích thước từ 10 đến 200 µm và di chuyển bằng chân giả. Một số lồi cĩ vỏ cứng, trên cĩ các vân như hoa văn nên
NẤM
Saccharomyc
es cerevisiae
Aspergil lus niger
người ta gọi là trùng biến hình cĩ vỏ, ví dụ như Arcella, thường gặp trong bùn hoạt tính.
Vai trị: Trùng biến hình phát triển mạnh dựa trên một số loại vật chất hữu cơ đặc thù và cĩ khả năng chịu được những mơi trường cĩ oxy hịa tan thấp. Do đĩ, một sự nở rộ các lồi trùng biến hình cĩ thể chỉ thị trong nước thải cĩ một lượng nhiều các vật chất hữu cơ dạng tinh bột (như nước thải giấy, bột giấy), men (nước thải bia) và chất gây thối (nước thải đơ thị). (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình IV.7: Trùng biến hình Arcella megastoma và Arcella vulgaris Trùng roi:
Đặc điểm: Cĩ kích thước nhỏ (5 đến 20 µm), cĩ hình oval hoặc dạng thon dài. Chúng thường di chuyển, cĩ thể di chuyển rất nhanh, khi di chuyển thường rung cơ thể. Di chuyển nhờ một hoặc nhiều roi dài.
Vai trị: Người ta thấy nhiều lồi trùng roi trong bùn hoạt tính ăn các chất hữu cơ hịa tan và sự hiện diện của chúng cĩ thể chỉ thị cho mức BOD trong nước cao.
Nhiều lồi trong số chúng thường xuất hiện ở điều kiện oxy hịa tan thấp và tải trọng cao.
Euglypha: Là lồi amip cĩ vỏ cứng. Amip cĩ cơ thể trong suốt như thạch.
Chúng di chuyển bằng cách đẩy một phần cơ thể ra phía ngồi. Euglypha ăn vi khuẩn. Amip cĩ vỏ thường cĩ trong đất, các hệ thống xử lý, và đáy dịng nước những nơi cĩ chất hữu cơ mục nát. Số lượng của chúng thường tăng cùng với tuổi bùn.
BOD: 0-50 mg/l. NH3: 0-30 mg/l.
Chất lượng dịng nước: khác nhau.
Hình IV.8: Euglypha
Trùng tiên mao (trùng cỏ, trích trùng, mao trùng): Nhĩm bơi tự do và nhĩm bị:
Đặc điểm: Cĩ dạng trịn hoặc oval, kích thước từ 20 đến 400 µm, chuyển động rất linh hoạt nhờ các hàng tiên mao trơng như lơng tơ. Đối với nhĩm bị, các tiên mao của chúng gắn vào một mặt của cơ thể giúp chúng cĩ thể bị trên bề mặt của các bơng bùn hoạt tính
Vai trị: Hai nhĩm này thường được tìm thấy trong những điều kiện bơng bùn hình thành tốt và nĩi chung là cĩ thể chỉ thị cho hoạt động của bùn hoạt tính đạt hiệu quả tốt. Trùng cỏ rất nhạy cảm và sự cĩ mặt hay vắng mặt của chúng cịn cĩ thể chỉ thị cho chất độc hại trong mơi trường.
Nhĩm cĩ cuốn
Đặc điểm: Chúng xuất hiện dưới những điều kiện gần với các nhĩm bơi tự do. Thường được nhìn thấy thân cắm vào bơng bùn, thân thẳng hoặc co rút để bắt thức ăn. Đầu cĩ hình chuơng hoặc hình hoa tulip, miệng há to ra và vươn ra mơi trường bắt mồi. Trên miệng của chúng cũng cĩ một hàng tiên mao giúp chúng bắt thức ăn. Một số lồi cĩ cuống chỉ cĩ một “chuơng” trên một thân như Vorticella spp trong khi các lồi khác cĩ thể cĩ nhiều cá thể trên cùng một thân như Epistylis spp và
Opercularia spp.
Vai trị: Trùng cỏ cĩ cuống thường xuất hiện ở tải trọng thấp (thời gian lưu bùn cao). Mỗi lồi đơn lẻ cĩ thể chỉ thị cho một khoảng thời gian lưu bùn khác nhau. Các dạng đám “chuơng” thường xuất hiện ở thời gian lưu bùn cao. Hơn thế nữa ciliated protozoa đĩng một vai trị quan trọng trong việc loại bỏ Escheriacoli từ nước thải bằng cách ăn hoặc tạo bơng cặn W.coli khử từ 91 – 99% trong quá trình hình thành bùn họat tính.
Hình IV.9: Escherichia coli
Vorticella là ciliate cĩ cuống. Cĩ ít nhất 12 loại được tìm thấy trong bùn hoạt
tính. Những vi sinh vật này cĩ hình oval hoặc trịn, cĩ cuống cĩ thể co rút lại, một đầu cĩ vịm lấy thức ăn và một hốc nhỏ lấy nước gần cuối lỗ lấy thức ăn. Nếu điều kiện quá trình xử lý xấu như DO thấp hay cĩ độc chất, Vorticella sẽ bỏ cuống của chúng. Do đĩ, một cụm khơng cĩ cuống chỉ thị trạng thái nghèo nàn của hệ thống bùn hoạt tính. Vorticella cĩ khi chất lượng dịng nước tốt. Một vài lồi như
V.microtoma chỉ khối lượng chất hữu cơ cao và chất lượng dịng nước giảm. Đĩ là
những vi sinh vật chỉ thị hữu ích. BOD: phụ thuộc vào mỗi lồi. NH3: khc nhau với mỗi lồi. Chất lượng dịng nước: tốt.
Hình IV.10: Một vài hình ảnh về Vorticella Convallaria
Paramecium là ciliate bơi tự do thường thấy trong bùn hoạt tính. Paramecium
loại bỏ vi khuẩn khỏi nước thải. Paramecium cĩ trong điều kiện mơi trường với chất lượng dịng nước như sau:
BOD dịng chảy: 0-30 mg/l. NH3 dịng chảy: 0-20 mg/l.
Chất lượng dịng nước: cĩ thể thay đổi.
Hình IV.11: Paramecium
P.aurelia được tìm thấy chỉ khi nước thải cĩ BOD dưới 10 mg/l. P.trichium
được tìm thấy khoảng 40% khi BOD dưới 10 mg/l, 30% khi BOD khoảng 11-20, 20% khi BOD 21-30, 10% khi BOD > 30. Vì thế P.aurelia chỉ thị chất lượng dịng nước tốt cịn P.trichium khơng phải là chất chỉ thị tốt cho dịng chảy vì nĩ được thấy trong khoảng BOD rộng.
Hình IV.12: Chilodonella uncinata là loại cilia tự do cho thấy nước thải chưa ổn định và bùn chưa đủ mạnh. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Trùng bánh xe:
Đặc điểm: Cĩ kích thước lớn hơn các lồi trên (50 đến 500 µm) và cĩ hình dạng rất phong phú. Ngồi ra, chúng cịn cĩ các loại cấu trúc phức tạp hơn nguyên sinh động vật. Hầu hết chúng đều cĩ khả năng di động và thường bám vào các bơng bùn hoạt tính nhờ các “chân” co rút.
Hình IV.13: Lecane sp.(Rotifer)
Vai trị: Trùng bánh xe cĩ mặt ở nhiều thời gian lưu bùn khác nhau, một số lồi cĩ thể chỉ thị cho thời gian lưu bùn cao.
Euchlanis là rotifer bơi được, chúng sử dụng chân và tiêm mao để di động.
Nĩi chung, Euchlanis được thấy trong bùn hoạt tính khi chất lượng dịng nước tốt. Nĩ địi hỏi cung cấp DO thường xuyên.
BOD: 0-15 mg/l. NH3: 0-10 mg/l.
Hình IV.14: Euchlanis
IV.1.2.2 Vi sinh vật của quá trình phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí
Các hệ thống yếm khí ứng dụng khả năng phân hủy chất hữu cơ (CHC) của VSV trong điều kiện khơng cĩ oxy. Cĩ nhiều nhĩm vi khuẩn khác nhau tham gia vào q trình phân hủy kỵ khí. Phản ứng chung của các q trình như sau :
Chất hữu cơ lên men yếm khí > CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S
Hỗn hợp khí sinh ra được gọi là khí sinh học hay biogas, thành phần biogas như sau:
Methane (CH4) 55¸65%
Carbon dioxide (CO2) 35¸45%
Nitrogen (N2) 0¸3% Hydrogen (H2) 0¸1% Hydrogen Sulphide (H2S) 0¸1%
Biogas (khí sinh học) cĩ giá trị nhiệt cao 4500 - 6000kcal/m3 tùy vào thành phần phần trăm methane cĩ trong biogas. (Methane cĩ trị nhiệt cao 9.000 kcal/m3).
Thủy phân – Phân hủy các chất hữu cơ cao phân tử
Các chất hữu cơ cao phân tử như protein, chất béo, carbohydrates được thủy phân thành amino acid, glucose, glycerin, acid béo (các chất hữu cơ đơn phân tử hoặc mạch ngắn).
Tạo nên các acid. (Quá trình 1 và 2 gọi chung là lên men acid)
Các chất hữu cơ như đường, acid amin, acid béo được phân hủy để tạo thành các acid hữu cơ như acetic, propionic, formic, lactic, butyric…, các alcohol và ketons như ethanol, methanol, glycerol, aceton, acetat, CO2, H2. Sản phẩm chính của q trình này là Acetic acid, H2, CO2.
Tạo methane (lên men methane): Vi khuẩn lấy năng lượng từ phản ứng tạo CH4 để trao đổi chất và gia tăng sinh khối. Trong quá trình này khơng cĩ sự hiện diện của oxy. Và cần nhiệt độ cao cho phản ứng xảy ra.
Các nhĩm VSV tham gia q trình xử lý kỵ khí
● Nhĩm 1: VK thủy phân – Hydrolytic bacteria (chiếm hơn 50% tổng số VSV)
Nhĩm này phân hủy các phân tử hữu cơ phức tạp (protein, cellulose, lignin, lipids) thành những đơn phân tử hịa tan như acid amin, glucose, acid béo và glycerol. Những đơn phân tử này là cơ chất cho VK nhĩm 2. Quá trình thủy phân được xúc tác bởi các enzyme ngoại bào như cellulase, protease, lipase. Quá trình
Giai đoạn I Giai đoạn II Giai đoạn III
thủy phân diễn ra tương đối chậm và cĩ thể giới hạn khả năng phân hủy kỵ khí của một số chất thải cĩ nguồn gốc cellulose, cĩ chứa lignin.
Hình IV.15: Vi khuẩn The hydrolytic bacteria
● Nhĩm 2: VK lên men acid – Fermentative acidogenic bacteria.
VK ở nhĩm này sẽ chuyển đường, acid amin, acid béo để tạo thành acid hữu cơ như acetic, propionic, formic, lactic, butyric, susscinic. Các alcohol và ketons như ethanol, methanol, glycerol, acetol, acetat, … Acetic là sản phẩm chính của quá trình lên men carbonhydrate. Các sản phẩm được tạo thành rất khác nhau tùy theo loại vi khuẩn và các điều kiện nuơi cấy (nhiệt độ, pH, thế oxy hĩa khử). (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Vi khuẩn: Clostridium spp., Peptococcus anaerobus., Bifidobacterium spp.,
Desulphovibrio spp., Corynebacterium spp., Lactobacillus, Actonomyces, Staphylococcus và Escherichia coli.
Nấm: penicillium, Furasium, Mucor… Protozoa: thảo trùng và trích trùng…
Nhĩm này gồm các VK như Syntrobacter wolinii, Syntrophomonas wolfei chuyển hĩa các acid béo và alcohol thành acid acetic, H2, CO2, cho nhĩm VK methane sử dụng tiếp theo. Nhĩm này địi hỏi thế hydro thấp để chuyển hĩa các acid béo, do đĩ cần giám sát nồng độ hydro. Dưới áp suất riêng phần của hydro.
● Nhĩm 4: VK metan - Methanogens
VK metan chia thành 3 nhĩm phụ.
- VK metan hydrogenotrophic: Ngồi tạo khí metan, nhĩm này cịn giúp duy trì áp suất riêng phần thấp cần thiết để chuyển hĩa acid bay hơi và alcol thành acid acetic.
CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O - VK metan acetotrophic: CH3COOH → CH4 + CO2 Nhĩm này cịn được gọi là vi khuẩn phân giải acetat.
- Methylotrophic methanogens:
3CH3OH + 6H+ → 3CH4 + 3H2O
4(CH3)3 – N + 6H2O → 9CH4 + 3CO2 + 4NH3
Nhĩm vi khuẩn metan rất phong phú về số lượng lồi, hình dạng (hình cầu, hình que, hình phẩy, …), kiểu sinh sản, ngồi ra một số lồi cịn cĩ khả năng di động bằng đuơi và lơng roi cho phép chúng di chuyển trong mơi trường vì vậy chúng dễ dàng tiếp xúc với cơ chất nâng cao hiệu quả xử lý trong bể xử lý.
Hình IV.16: Một số dạng đuôi và lông roi ở vi khuẩn metan
Nhóm VK metan bao gồm cả gram âm và gram dương, tăng trưởng chậm.
Methanobacterium Methanobacillus Methanococus Methanosarcina
Tùùy theo nhóm vi khuẩn metan mà chúng sử dụng những cơ chất khác