Khố Luận Tốt nghiệp GVHD: PGS.TS. Hồng Hưng
Vi khuẩn ký sinh (paracitic bacteria) là vi khuẩn sống bám vào vật chủ, thức ăn của
nĩ là thức ăn đã được vật chủ đồng hĩa, chúng thường sống trong đường ruột của người và động vật, và đi vào nước thải theo phân và nước tiểu.
Vi khuẩn hoại sinh (saprophytic bacteria) dùng chất hữu cơ khơng hoạt động làm
thức ăn, nĩ phân hủy cặn hữu cơ làm chất dinh dưỡng để sống và sinh sản, và thải ra các chất gồm cặn hữu cơ cĩ cấu tạo đơn giản và cặn vơ cơ. Bằng quá trình hoạt động như vậy, vi khuẩn hoại sinh đĩng vai trị cực kỳ quan trọng trong việc làm sạch nước thải. Nếu khơng cĩ hoạt động sống và sinh sản của vi khuẩn, q trình phân hủy sẽ khơng xảy ra. Cĩ rất nhiều lồi vi khuẩn hoại sinh, mỗi lồi đĩng một vai trị đặc biệt trong mỗi cơng đoạn của q trình phân hủy hồn tồn cặn hữu cơ cĩ trong nước thải, và mỗi lồi sẽ tự chết khi hồn thành quy trình sống và sinh sản ở giai đoạn đĩ.
Tất cả các vi khuẩn ký sinh và hoại sinh cần cĩ thức ăn và oxy để đồng hĩa. Một số lồi trong số vi khuẩn này chỉ cĩ thể hơ hấp bằng oxy hịa tan trong nước gọi là vi khuẩn hiếu khắ, và quá trình phân hủy chất hữu cơ của chúng gọi là quá trình hiếu khắ hay quá trình oxy hĩa. Một số lồi khác trong số các vi khuẩn này khơng thể tồn tại được khi cĩ oxy hịa tan trong nước mà lấy oxy cần cho sự đồng hĩa từ các hợp chất hữu cơ và vơ cơ cĩ chứa oxy trong quá trình phân hủy chúng. Những vi khuẩn này gọi là vi khuẩn yếm khắ và quá trình phân hủy gọi là quá trình yếm khắ (kỵ khắ), quá trình này tạo ra mùi khĩ chịu.
Cịn một số lồi vi khuẩn hiếu khắ trong quá trình phân hủy chất hữu cơ, nếu thiếu hồn tồn oxy hịa tan, chúng cĩ thể tự điều chỉnh để thắch nghi với mơi trường gọi là vi khuẩn hiếu khắ lưỡng nghi. Ngược lại, cũng tồn tại một số lồi vi khuẩn yếm khắ, khi cĩ oxy hịa tan trong nước chúng khơng bị chết mà lại làm quen được với mơi trường hiếu khắ gọi là vi khuẩn yếm khắ lưỡng nghi. Sự tự điều chỉnh để thắch nghi với mơi trường cĩ sự thay đổi của oxy hịa tan của vi khuẩn hoại sinh là rất quan trọng trong quy trình phân hủy chất hữu cơ của nước thải trong các cơng trình xử lý.
Nhiệt độ nước thải cĩ ảnh hưởng rất lớn đến quá trình hoạt động và sinh sản của vi khuẩn, phần lớn vi khuẩn hoại sinh hoạt động cĩ hiệu quả cao và phát triển mạnh mẽ ở
Khố Luận Tốt nghiệp GVHD: PGS.TS. Hồng Hưng
nhiệt độ từ 20 Ờ 40oC. Một số lồi vi khuẩn trong quá trình xử lý cặn phát triển ở nhiệt độ 50 Ờ 60oC. Khi duy trì các điều kiện mơi trường: thức ăn, nhiệt độ, pH, oxy, độ ẩm thắch hợp để vi khuẩn phát triển thì hiệu quả xử lý sinh học trong cơng trình sẽ đạt hiệu quả cao nhất.
hình 3.8 Pseudomonas (hydratcacbon, phản nitrat hĩa)
Hình 3.10 Bacillus
(Phân hủy hidratcacbon, protein)
Hình 3.9 Desulfovibrio (khử sulfat, khử nitrat)
Hình 3.11 Nitrosomonas (Nitrit hĩa)
Khố Luận Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS. Hồng Hưng
Hình 3.12 Microthrix parvicella Hình 3.13 Zoogloea
Tuy nhiên, khơng phải tất cả các vi khuẩn đều cĩ lợi cho q trình sinh hĩa, một vài trong số chúng là lồi gây hại. Cĩ hai loại vi khuẩn cĩ hại cĩ thể phát triển trong hệ
thống hiếu/thiếu khắ. Một là các dạng vi khuẩn dạng sợi (filamentous) là các dạng
phân tử trung gian, thường kết với nhau thành lưới nhẹ nổi lên mặt nước và gây cản trở quá trình lắng đọng trầm tắch; làm cho lớp bùn đáy khơng cĩ hiệu quả, sinh khối sẽ khơng gắn kết lại và theo các dịng chảy sạch đã qua xử lý ra ngồi. Một dạng vi khuẩn cĩ hại khác tồn tại trong lượng bọt dư thừa trong các bể phản ứng sinh hĩa, phát sinh từ các hệ thống thơng giĩ để tuần hồn oxy trong hệ thống. Các tổ chức cĩ hại thơng thường trong hệ thống kỵ khắ là các vi khuẩn khử sulfat.
3.3.2.2 Eukarya (Sinh vật nhân thực) * Protozoa (động vật nguyên sinh) * Protozoa (động vật nguyên sinh)
Động vật nguyên sinh là một tổ chức lớn nằm trong nhĩm eukaryotic, với hơn 50.000 lồi đã được biết đến. Thật ra, động vật nguyên sinh là các sinh vật đơn bào nhưng cấu trúc tế bào phức tạp hơn, lớn hơn các vi khuẩn. Kắch thước các động vật nguyên sinh thay đổi trong khoảng từ 4 Ờ 500mm. Chúng cĩ thể tồn tại như những sinh vật độc lập.
Các nhĩm động vật nguyên sinh chắnh được phân chia dựa vào phương thức vận
Khố Luận Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS. Hồng Hưng
nhiều roi Ờ flagella, vắ dụ như Giardia lamblia. Dạng thứ hai là Ciliophora, cĩ roi ngắn hơn hay cịn gọi là lơng mao Ờ cilia, vắ dụ như Stalked. Dạng thứ ba là
Sarcodina, cĩ kiểu chuyển động như amip Ờ amoeba (lướt đi trong nước, hình dạng của
chúng thay đổi theo các động tác di chuyển này).
Các động vật nguyên sinh ăn các chất hữu cơ để sống, và thức ăn ưa thắch của chúng là các vi khuẩn. Các yếu tố như: chất độc, pH, nhiệt độ đều ảnh hưởng đến tốc độ tăng trưởng của chúng.
Khố Luận Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS. Hồng Hưng
Hình 3.15 Amoeba
Hình 3.16 Peritrichia (chủng cĩ mao) Hình 3.17 Carchesium Polypinum
Khố Luận Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS. Hồng Hưng
Hình 3.18 Vorticella Convallaria Hình 3.19 Holotrichate (chủng cĩ mao)
* Tảo (Algae)
Tảo là sinh vật sống trong mơi trường nước, chủ yếu là ở tầng mặt để cĩ thể sử dụng năng lượng mặt trời trong quang hợp (do chứa diệp lục tố chlorophyll). Chúng cĩ nhiều hình dạng và kắch thước khác nhau. Mặc dù chúng khơng phải là sinh vật gây hại, nhưng chúng cĩ thể gây ra một số vấn đề trong quá trình xử lý nước thải. Tảo phát triển làm cho nước cĩ màu sắc, thực chất là màu sắc của tảo.
Ớ Tảo xanh Aphanizomenon blosaquae, Anabaena microcistic ... làm cho nước cĩ
màu xanh lam.
Ớ Tảo Oscilatoria rubecens làm cho nước ngả màu hồng.
Ớ Khuê tảo (Melosira, Navicula) làm cho nước cĩ màu vàng nâu. Chrisophit
làm cho nước cĩ màu vàng nhạt.
Khố Luận Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS. Hồng Hưng
* Nấm
Là một loại vi sinh, phần lớn là dạng lơng tơ hồn tồn khác với các dạng của vi khuẩn. Nĩi chung, vi sinh dạng nấm cĩ kắch thước lớn hơn vi khuẩn và khơng cĩ vai trị trong giai đoạn phân hủy ban đầu các chất hữu cơ trong quá trình xử lý nước thải. Mặc dù nấm cĩ thể sử dụng các vật chất hữu cơ tan trong mối quan hệ cạnh tranh với các vi khuẩn, nhưng chúng dường như khơng cạnh tranh tốt trong quá trình sinh trưởng lơ lửng ở điều kiện bám dắnh, trong mơi trường bình thường, và vì vậy khơng tạo thành sự cân đối trong hệ thống vi trùng học. Nĩi cách khác, khi cung cấp khơng đủ oxy và nito, hoặc khi pH quá thấp, nấm cĩ thể sản sinh nhanh, gây ra các vấn đề ảnh hưởng tương tự như các vi khuẩn dạng sợi.
Hình 3.20 Sphearotilus natans
* Virus
Virus là một dạng đặc biệt chưa cĩ cấu trúc cơ thể cho nên chưa được kể đến trong số 200.000 lồi vi sinh vật nĩi trên. Số virus đã được đặt tên là khoảng 4.000 lồi. Virus là một dạng sống khá đơn giản, với cấu tạo chung là cĩ một nhân ở giữa mang vật chất di
Khố Luận Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS. Hồng Hưng
truyền và bao quanh là lớp vỏ protein. Chúng sinh trưởng bằng cách tấn cơng vào tế bào của các vật chủ (động vật, thực vật, vi khuẩn, Ầ) và sinh sơi nảy nở trong tế bào các vật chủ này. Virus cĩ nhiều dạng: dạng que mảnh dài, dạng trịn đối xứng khơng đều, và dạng đa diện. Sự hiện diện của virus trong nước thải sẽ cĩ ảnh hưởng khơng tốt cho quá trình xử lý.
Khố Luận Tốt Nghiệp GVHD: PGS.TS. Hồng Hưng
3.3.2.3 Archaea (cổ khuẩn)
Cổ khuẩn là nhĩm vi sinh vật cĩ nguồn gốc cổ xưa. Khác với vi khuẩn, lipid của màng tế bào Archaea chứa liên kết ether giữa acid béo và glycerol, trong đĩ 2 loại lipid chắnh là glycerol diether và diglycerol tetraether. Archeae cịn chứa một lượng lớn acid béo khơng phân cực.
Archaea cĩ phương thức biến dưỡng đa dạng, tự dưỡng hoặc dị dưỡng cacbon, và cĩ thêm phương thức biến dưỡng mới dẫn đến sự tạo thành methane. Chúng bao gồm các nhĩm vi khuẩn cĩ thể phát triển được trong các mơi trường cực đoan (extra), chẳng
hạn như: nhĩm ưa mặn (Halobacteriales) hiện diện trong các mơi trường cĩ nồng độ
muối cao, khơng tăng trưởng được khi nồng độ muối thấp hơn 1,5M, tăng trưởng được ở
nồng độ muối bão hịa; nhĩm ưa nhiệt (Thermococcales, Thermoproteus,
Thermoplasmatales) thường hiện diện trong những đống thải than đá tự phát nhiệt;
nhĩm kỵ khắ sinh mêtan (Methanococcales, Methanobacteriales, Methanomicrobiales); và nhĩm vi khuẩn lưu huỳnh ưa nhiệt (Sulfobales, Desulfurococcales). Những nghiên cứu gần đây cho thấy Archaea ngày càng cĩ mặt
nhiều trong các loại mơi trường sống khác nhau, đặc biệt là quá trình kỵ khắ trong xử lý nước thải bằng phương pháp sinh hĩa, chúng đĩng vai trị khá quan trọng trong việc tạo ra CH4.
3.4 SỰ TĂNG TRƯỞNG CỦA TẾ BÀO VI SINH VẬT
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/