Vi sinh vật ứng dụng trong xử lý nƣớc thải

1.5.1. Giới thiệu chung về vi sinh vật

Vi sinh vật ứng dụng trong xử lý nước thải ngành công nghiệp giấy, bột giấy và nước thải chứa lignin và các hợp chất lignin (dưới đây gọi tắt là nước thải công nghiệp giấy – nước thải CNG) rất phong phú. Sử dụng kỹ thuật nấm men có thể làm mất màu lignin trong dịch đen; tuy nhiên kỹ thuật này hiện nay vẫn chỉ dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm. Hiện nay, để vi sinh vật ứng dụng trong xử lý nước thải CNG người ta thường sử dụng riêng rẽ hoặc kết hợp với các kỹ thuật sau đây (sau khi đã áp dụng một số kỹ thuật hóa lý và hóa học) [16]:

 Hồ oxy hóa hoặc tùy tiện;

 Hồ làm thoáng;

44

 Các kỹ thuật yếm khí, điển hình là kỹ thuật UASB...

Các hệ sinh học ứng dụng trong xử lý nước thải của ngành công nghiệp giấy và bột giấy là dựa trên hoạt động của các nhóm vi khuẩn phân giải xenlulo, phân giải xilan, phân giải lignin, phân giải tinh bột,...

 Phân giải xenlulozơ

Hệ vi sinh vật phân giải xenlulose khá phong phú. Nấm, xạ khuẩn và vi khuẩn đều có khả năng phân giải xenlulozơ (xem Bảng 1.5.).

Các nghiên cứu cho thấy có hai loại enzym chính để phân hủy xenlulozơ là cellulozơ C1 và cellulozơ Cx. Enzym cellulozơ C1 tác động sơ bộ vào phân tử xenlulozơ thiên nhiên và biến chúng thành các chuỗi xenlulozơ mạch thẳng, sau đó dưới tác dụng của cellulozơ Cx, xenlulo bị phân hủy thành celobiozơ, loại đường này có thể tan trong nước, và được chuyển thành glucozơ nhờ enzym -glucosidaza.

Bảng 1.7. Các vi sinh vật phân hủy xenlulozơ

Hiếu khí

Nấm Xạ khuẩn Vi khuẩn

Alternaria Actinomyces Acetobacter xylinum

Aspergillus ustus Micromonospora Achromobacter A.candidus Nocardia cellulans Bacillus subtilis Aspergillus fumigatus Proactinomyces Cellvibrio fulvus A. niger Streptpmyces antibioticus Cytophaga

Chaetomium globosum Str. Cellulosae Cellulomonas biazotea Fusarium moniliforme Thermomonospora fusca Pseudomonas fluorescens

Mucor pusillus Sorangium

45 Yếm khí Tên vi sinh Clostridium thermocellum Clostridium omelianskii Ruminococcus flavefeciens Ruminococcus albus Bacteroides succinogenes Butyrivibrio fibrisolvens

- Phân giải lignin

Trong gỗ, lignin chiếm khoảng 20 – 30%; đây là một thành phần tương đối khó phân hủy bằng phương pháp sinh học. Từ lâu, người ta đã nghiên cứu phân hủy lignin bằng con đường sinh học nhưng mãi tới cuối những năm 1970 mới thu được những tiến bộ đáng kể. Những hiểu biết cho đến nay thấy rằng sự phân hủy lignin nhanh nhất và phổ biến nhất trong tự nhiên là các loại nấm. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng

Actinomices, Streptomyces có thể phân hủy lignin ở các loài gỗ. Các loại nấm phân

hủy hầu hết các thành phần của gỗ, kể cả lignin được chia thành 3 nhóm: Nấm mục trắng (whitw-rot fungi), nấm mục nâu (brow-rot fungi) và nấm mục mềm (soft-rot fungi) trong đó nấm mục trắng (chủ yếu là Basidiomycetes và một số Ascomycetes) là nhóm phân hủy lignin hữu hiệu nhất [16].

Một đặc điểm của nước thải nhà máy giấy và bột giấy, đặc biệt là nước thải công đoạn nấu, rửa bột là pH rất kiềm (hoặc rất axit), nên mật độ vi sinh vật có trong nước thải là rất thấp. Để tăng mật độ vi sinh vật ban đầu, rút ngắn thời gian xử lý cần phải bổ sung thêm một lượng vi sinh vật có khả năng phân hủy các chất có trong nước thải. Việc nghiên cứu tìm ra tập đoàn vi sinh vật có khả năng thích nghi và phân hủy nhanh

46

các chất ô nhiễm trong nước thải đóng vai trò quan trọng trong công nghệ xử lý bằng vi sinh.

1.5.2. Cơ chế xử lý nƣớc thải bằng vi sinh [16]

1.5.2.1. Sinh trƣởng lơ lửng (bùn hoạt tính)

Vi sinh vật sinh sản và phát triển trong các bông cặn bùn hoạt tính ở trạng thái lơ lửng trong các bể xử lý sinh học. Các vi sinh vật này tạo thành bùn hoạt tính có vai trò phân huỷ các chất hữu cơ để xây dựng tế bào mới và tạo thành sản phẩm cuối cùng dạng khí. Chúng sinh trưởng ở trạng thái lơ lửng và xáo trộn cùng với nước, cuối cùng các chất dinh dưỡng cạn kiệt, các bông cặn lắng thành bùn.

Bùn này được gọi là bùn hoạt tính. Bùn hoạt tính có dạng màu nâu, dễ lắng. Vi khuẩn trong bùn hoạt tính phần lớn là Pseudomonas, Achomobacter, Alcaligenes, Bacillus, Micrococus, Flavobacterium,...[19, 41]

Hệ thống xử lý mới đưa vào hoạt động chưa có bùn hoạt tính, người ta phải tạo bùn hoạt tính. Khi đó cần chú ý tới một số yếu tố ảnh hưởng đến sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật có trong bùn hoạt tính như nhiệt độ, pH, các nguyên tố có tính độc làm kìm hãm sinh trưởng của vi sinh vật, hàm lượng chất dinh dưỡng...

1.5.2.2. Sinh trƣởng bám dính (hay màng sinh học)

Trong quá trình xử lý sinh học, các vi sinh vật phân huỷ các chất hữu cơ phát triển thành màng dính bám hay gắn kết vào các vật liệu trơ như đá, xỉ, chất dẻo,... Màng cứ dày dần thêm và thực chất đây là sinh khối vi sinh vật dính bám hay cố định trên các chất mang. Màng này có khả năng oxi hoá chất hữu cơ có trong nước khi chảy qua hoặc tiếp xúc, ngoài ra màng này còn có khả năng hấp phụ các chất bẩn lơ lửng hoặc trứng giun sán,...[19, 47]

47

Màng này được tạo thành từ hàng triệu đến hàng tỉ tế bào vi khuẩn, các vi sinh vật khác và cả động vật nguyên sinh. Màng chứa chủ yếu là vi khuẩn hiếu khí, tuy nhiên màng còn có các vi khuẩn tuỳ tiện và kỵ khí. Lớp ngoài cùng màng là lớp hiếu khí, trung gian là các vi khuẩn tuỳ tiện, lớp sâu trong màng là kỵ khí [1].

1.5.3. Nhu cầu dinh dƣỡng vi sinh vật

Chất dinh dưỡng đối vi sinh vật là bất kỳ chất nào được vi sinh vật hấp thụ từ môi trường xung quanh và được chúng sử dụng làm nguyên liệu để cung cấp cho các quá trình sinh tổng hợp tạo ra các thành phần của tế bào hoặc để cung cấp cho các quá trình trao đổi năng lượng. Như vậy, chất dinh dưỡng phải là những hợp chất có tham gia vào quá trình trao đổi chất nội bào [18, 46].

1.5.3.1. Nguồn thức ăn cacbon của vi sinh vật

Tuỳ từng nhóm vi sinh vật mà nguồn cacbon được cung cấp dưới dạng cacbon vô cơ (CO2,..) hoặc cacbon hữu cơ và nguồn năng lượng là ánh sáng mặt trời hay nguồn năng lượng là sản phẩm của trao đổi chất (ATP).

Trên thế giới hầu như không có hợp chất cacbon hữu cơ nào mà không bị vi sinh vật phân giải. Không ít những vi sinh vật có thể đồng hoá được cả các hợp chất cacbon rất bền vững như cao su, chất dẻo, dầu mỏ,...

Đối với những chất hữu cơ không tan trong nước hoặc có khối lượng phân tử lớn, để hấp thụ được các chất này thì vi sinh vật phải tiết ra các enzym ngoại bào thuỷ phân để chuyển hoá chúng thành những hợp chất dễ hấp thụ (đường, axit amin,...).

Người ta thường dùng đường làm nguồn thức ăn cacbon khi nuôi cấy phần lớn các vi sinh vật dị dưỡng. Để nuôi cấy các vi sinh vật khác nhau, người ta thường dùng các nồng độ đường không giống nhau.

48

Đối với vi sinh vật dị dưỡng, nguồn thức ăn cacbon làm cả hai chức năng: nguồn dinh dưỡng và nguồn năng lượng [9, 16].

1.5.3.2. Nguồn thức ăn nitơ của vi sinh vật

Nguồn nitơ dễ hấp thụ nhất đối với vi sinh vật là NH3 và NH4+. Muối amoni vô cơ rẻ hơn nhưng thường làm chua môi trường, làm ức chế sự phát triển của vi sinh vật. Thường dùng urê làm nguồn nitơ vì tạo môi trường trung tính.

Đa số các vi sinh vật không có khả năng đồng hóa N2 trong không khí. Tuy nhiên có những vi sinh vật có thể chuyển hoá N2 thành NH3 nhờ hoạt động xúc tác của một hệ thống enzym có tên là nitrogenaza [46].

Đối với nguồn thức ăn nitơ hữu cơ, vi sinh vật có khả năng đồng hoá rất tốt. Các thức ăn này sẽ vừa làm nguồn cacbon vừa là nguồn cung cấp nitơ cho vi sinh vật.

1.5.3.3. Nguồn thức ăn khoáng của vi sinh vật

Nhu cầu của vi sinh vật đối với các nguyên tố khoáng là không giống nhau tuỳ thuộc vào từng loài, từng giai đoạn phát triển.

Các nguyên tố khoáng chia làm 2 loại:

Nguyên tố đa lượng: là các nguyên tố mà vi sinh vật sử dụng với lượng lớn. Đó là các nguyên tố: P, K, S, Mg, Na, Cl, Ca, Fe,...

Nguyên tố vi lượng : là các nguyên tố mà vi sinh vật chỉ đòi hỏi một lượng rất nhỏ: B, Mo, Cu, Zn, Mn,...

Hàm lượng các nguyên tố khoáng ở nguyên sinh chất của vi sinh vật khác nhau là khác nhau, tuỳ loài, tuỳ giai đoạn, tuỳ điều kiện nuôi cấy.

49

Bảng 1.8. Nhu cầu cần thiết về muối khoáng đối với vi khuẩn, nấm và xạ khuẩn [3]

Muối khoáng Nhu cầu cần thiết (mg/l)

Vi khuẩn Nấm và xạ khuẩn K2HPO4 0.2  0.5 1  2 KH2PO4 0.2  0.5 1  2 MgSO4.7H2O 0.1  0.2 0.2  0.5 MnSO4.4H2O 0.005  0.01 0.02  0.1 FeSO4.7H2O 0.005  0.01 0.005  0.02 ZnSO4.7H2O 0.001  0.005 0.02  0.1 CoCl2 < 0.03 < 0.06 CaCl2 0.01  0.03 0.02  0.1 CaSO4.5H2O 0.001  0.005 0.01  0.05 Khi sử dụng môi trường thiên nhiên để nuôi cấy vi sinh vật như pepton, nước thịt, giá đậu,.... thì không cần bổ sung các nguyên tố khoáng. Nhưng nếu sử dụng môi trường tổng hợp (nguyên liệu là hoá chất) thì phải bổ sung các nguyên tố khoáng.

1.5.4. Ảnh hƣởng của các yếu tố vật lý và hóa học đến sinh trƣởng và phát triển của vi sinh vật trong nƣớc

Sự phát triển của vi sinh vật trong các thuỷ vực chịu ảnh hưởng của nhiều nhân tố vật lý và hoá học; những nhân tố này tác dụng cùng nhau và tương hỗ theo nhiều kiểu. Chúng ảnh hưởng đến độ lớn, thành phần loài của các quần thể, đến hình thái và sinh lý của vi sinh vật. Đó là các nhân tố: pH, nhiệt độ, độ đục, hàm lượng muối, các chất hữu cơ, các chất vô cơ, các khí hoà tan.

50

1.5.4.1. Hàm lượng oxy hoà tan

DO là hàm lượng oxy hoà tan trong nước để duy trì sự sống cho các vi sinh vật trong nước.

Đây là điều kiện đầu tiên đảm bảo cho vi sinh vật hiếu khí có khả năng oxi hoá các chất bẩn hữu cơ. Do đó, trong quá trình xử lý phải đảm bảo cung cấp đủ lượng oxi mà chủ yếu dưới dạng hoà tan trong môi trường lỏng. Để đáp ứng được lượng oxi hoà tan trong bể hiếu khí người ta thường chọn giải pháp khuấy trộn cơ học hoặc sục khí.

Khi nồng độ oxy hoà tan dưới 0,5mg/l thì quá trình xử lý nước thải bằng vi sinh vật hiếu khí hầu như ngưng trệ. Lượng oxy hoà tan tốt nhất trong khoảng 1,54,0 mg/l [16, 19].

Khuấy trộn hoặc sục khí làm tăng sự tiếp xúc giữa bùn hoạt tính và các chất thải trong nước, làm cho khả năng làm sạch nước thải của vi sinh vật tăng lên.

1.5.4.2. Nhiệt độ

Nhiệt độ nước thải ảnh hưởng rất lớn tới chức năng hoạt động của vi sinh vật. Khi nhiệt độ tăng thì tốc độ oxy hoá của sinh vật tăng, nhưng độ hoà tan oxy trong nước giảm. Nhiệt độ đa số vi sinh vật có thể hoạt động được là từ 6400C. Khi nhiệt độ tăng hoặc giảm quá ngưỡng sẽ ảnh hưởng đến khả năng hoạt hoá của các enzym. Vì vậy, vi khuẩn sẽ ngừng hoạt động, cuối cùng dẫn đến tử vong, còn nhiệt độ quá thấp thì tốc độ làm sạch sẽ bị giảm, quá trình thích nghi của vi sinh vật với môi trường mới sẽ chậm lại [16, 19, 30].

1.5.4.3. Độ pH

Đây là thông số ảnh hưởng rất lớn đến các quá trình sinh học xảy ra trong nước (quá trình trao đổi chất,43 quá trình sinh sản và phát triển của vi sinh vật, động thực vật trong nước). pH cũng ảnh hưởng đến các quá trình vật lý và các phản ứng hoá học xảy ra trong môi trường nước. Đối với đa số vi sinh vật, thường sinh trưởng và phát

51

triển ở pH 6,0  8,5. Khi pH nằm ngoài khoảng trên sẽ làm giảm hoạt lực của bùn hoạt tính, do đó làm giảm hiệu suất của quá trình xử lý [30].

Việc đo pH là rất cần thiết để điều khiển quá trình lý học, hoá học, sinh học. Thông số pH được xác định bằng máy đo pH.

1.5.4.4. Thành phần các chất trong nƣớc

Thành phần nước thải có vai trò quyết định tới sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật. Mỗi loài sinh vật chỉ sinh trưởng và phát triển trong một dải nồng độ thức ăn nhất định, nếu lớn hơn dải nồng độ đó sẽ ảnh hưởng tới sự phát triển của chúng. Mỗi một loài sinh vật có thể sử dụng một số thức ăn nhất định, chúng sẽ đồng hoá những loại thức ăn dễ đồng hoá trước, thức ăn khó đồng hoá sau. Thành phần và chất lượng nước thải thể hiện qua các thông số sau:

 Nhu cầu oxy sinh hóa BOD

BOD được định nghĩa là lượng oxy cần thiết mà các vi sinh vật đã sử dụng để oxy hoá cacbon hữu cơ thành CO2 và nitơ hữu cơ thành NO3- [37]. Phương trình tổng quát như sau:

𝐶ℎấ𝑡 ℎữ𝑢 𝑐ơ + 𝑂2 𝑣𝑖 𝑘ℎ𝑢 𝐶𝑂ẩ𝑛 2 + 𝐻2𝑂 + 𝑡ế 𝑏à𝑜 𝑚ớ𝑖 + 𝑠ả𝑛 𝑝ℎẩ𝑚 𝑐ốđị𝑛ℎ 𝐶ℎấ𝑡 ℎữ𝑢 𝑐ơ + 𝑂2 𝑣𝑖 𝑘ℎ𝑢 𝑁𝑂ẩ𝑛 3− + 𝐻2𝑂 + 𝑡ế 𝑏à𝑜 𝑚ớ𝑖 + 𝑠ả𝑛 𝑝ℎẩ𝑚 𝑐ốđị𝑛ℎ

Chỉ số BOD chỉ ra lượng oxy mà vi khuẩn tiêu thụ trong phản ứng oxy hoá các chất hữu cơ trong nước ô nhiễm, chỉ số BOD càng cao chứng tỏ lượng chất hữu cơ có khả năng phân huỷ sinh học trong nước càng lớn.

Trong thực tế, người ta không thể xác định lượng oxi cần thiết để phân huỷ hoàn toàn chất hữu cơ vì tốn quá nhiều thời gian mà người ta thường chỉ xác định lượng oxi cần thiết trong 5 ngày đầu ở nhiệt độ 200C, kí hiệu BOD5. Tại thời điểm này đã có 70 – 80% các chất hữu cơ bị oxy hoá [16, 19, 37].

52

 Nhu cầu oxy hoá hoá học COD

COD được định nghĩa là lượng oxy cần thiết cho quá trình oxy hoá hoá học các chất hữu cơ trong mẫu nước thải thành CO2 và H2O. Chỉ số COD biểu thị cả lượng các chất hữu cơ có thể và không thể bị oxy hoá bằng vi sinh vật, do đó, nó có giá trị cao hơn BOD. Phép phân tích COD có ưu điểm là cho kết quả nhanh nên đã khắc phục được nhược điểm của phép đo BOD [37, 39].

Đối với nhiều loại nước thải, giữa chỉ số COD và BOD có mối tương quan nhất định. Vì vậy, khi thiết lập được mối quan hệ tương quan này có thể sử dụng phép đo COD để vận hành và kiểm soát hoạt động của nhà máy xử lý nước thải.

 Hàm lượng nitơ

Nitơ là nguyên tố rất cần thiết cho quá trình tổng hợp các chất hữu cơ chứa nitơ trong cơ thể vi sinh vật. Để tiến hành quá trình đồng hoá được các hợp chất chứa nitơ có trong môi trường nước, vi sinh vật phải tổng hợp được các enzym ngoại bào sẽ phân giải protein thành các amino axit và các thành phần khác [31]. Chính vì thế mà trong môi trường nước thường tồn tại các dạng nitơ sau: nitơ amin, nitơ amoniac, nitơ nitrit, nitơ nitrat, nitơ tự do.

Xác định hàm lượng nitơ trong môi trường để ta có khái niệm về khả năng sử dụng phương pháp sinh học xử lý ô nhiễm nước và mức độ ô nhiễm nước. Khi thiếu nitơ lâu dài, ngoài việc cản trở quá trình sinh hoá, các chất hữu cơ còn tạo ra bùn hoạt tính khó lắng [18].

Trong kỹ thuật môi trường, người ta thường xác định nitơ bằng phương pháp