Vi khuẩn đĩng vai trị quan trọng hàng đầu trong các bể xử lý vì nĩ chịu trách nhiệm phân huỷ các thành phần hữu cơ trong nước thải. Trong các bể phân huỷ bằng vi sinh trong điều kiện hiếu khí, một phần chất thải hữu cơ sẽ được các vi khuẩn hiếu khí và hiếu khí khơng bắt buộc sử dụng để lấy năng lượng để tổng hợp các chất hữu cơ, cịn lại thành tế bào vi khuẩn mới.
Theo quan điểm hiện đại (NCBI – National Center for Biotechnology Information,
2005) thì vi khuẩn bao gồm các ngành sau đây: Aquificae, Thermotogae, Thermodesulfobacteria, Deinococcus, Thermus, Chrysiogenetes, Chloroflexi, Nitrospirae, Defferribacteres, Cyanobacteria, Proteobacteria, Firmicutes, Actinobacteria, Planetomycetes, Chlamydiae/Nhĩm Verrucomicrobia, Spirochaetes, Fibrobacteres/Nhĩm Axitobacteria, Bacteroidetes/ Nhĩm Chlorobia, Fusobacteria, Dictyoglomy. Việc phân ngành dựa trên các đặc điểm hình thái, sinh
lý, sinh hố, sinh thái.
Vi khuẩn là sinh vật đơn bào, cĩ kích thước nhỏ từ 0.3 - 1μm, cơ thể chứa khoảng 85% là nước và 15% là các khống chất hay chất nguyên sinh. Chất nguyên sinh phần lớn là S, K, Na, Ca, Cl và một lượng nhỏ Fe, Si và Mg . Chúng đứng riêng rẽ hoặc xếp thành đơi, thành 4 tế bào hoặc hình thành khối với 8 tế bào, xếp thành chuỗi hoặc thành chùm. Vi khuẩn sinh sản bằng cách chia đơi tế bào. Trong điều kiện chất dinh dưỡng, oxi, pH và nhiệt độ mơi trường thích hợp thì thời gian thế hệ là 15 ÷ 30 phút.
Các vi khuẩn trong nước thải cĩ thể chia làm 4 nhĩm lớn: nhĩm hình cầu (Cocci)
cĩ đường kính khoảng 1 3 m; nhĩm hình que (Bacillus) cĩ chiều rộng khoảng
0,3 1,5 m chiều dài khoảng 1 10,0 m (điển hình cho nhĩm này là vi khuẩn E. coli cĩ chiều rộng 0,5m chiều dài 2 m); nhĩm vi khuẩn hình que cong và xoắn ốc
(Spirilla), vi khuẩn hình que cong cĩ chiều rộng khoảng 0,6 1,0 m và chiều dài khoảng 2 6 m; trong khi vi khuẩn hình xoắn ốc cĩ chiều dài cĩ thể lên đến 50
m; nhĩm vi khuẩn hình sợi cĩ chiều dài khoảng 100 m hoặc dài hơn.
Các vi khuẩn đĩng vai trị quan trọng bậc nhất trong quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ trong tự nhiên cũng như trong các bể xử lý, biến chất hữu cơ thành chất
ổn định tạo thành bơng cặn dễ lắng,làm sạch nước thải trong vịng tuần hồn vật chất.
Vi khuẩn được chia thành 2 nhĩm chính:
- 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 hố, chúng thường sống trong đường ruột của người và động vật, 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 huỷ 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, quá trình phân huỷ sẽ khơng xảy ra. Cĩ rất nhiều lồi vi khuẩn hoại sinh, mỗi lồi đĩng một vai trị rất đặc biệt trong mỗi cơng đoạn của quá trình phân huỷ 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 oxi để đồng hố. Một số lồi trong số vi khuẩn này chỉ cĩ thể hơ hấp bằng oxi hồ tan trong nước gọi là vi khuẩn hiếu khí, cịn quá trình phân huỷ chất hữu cơ của chúng gọi là quá trình hiếu khí hay quá trình oxi hĩa. Một số lồi khác trong số các vi khuẩn này khơng thể tồn tại được khi cĩ oxi hồ tan trong nước, những vi khuẩn này gọi là vi khuẩn kỵ khí và quá trình phân huỷ gọi là quá trình kỵ khí, quá trình này tạo ra các chất cĩ mùi khĩ chịu. Cịn một số lồi vi khuẩn hiếu khí trong quá trình phân huỷ chất hữu cơ, nếu thiếu hồn tồn oxi hồ tan, chúng cĩ thể tự điều chỉnh để thích nghi với mơi trường gọi là vi khuẩn hiếu khí tuỳ nghi. Ngược lại cũng tồn tại một lồi vi khuẩn kỵ khí, khi cĩ oxi hồ tan trong nước chúng khơng bị chết mà lại làm quen được với mơi trường hiếu khí gọi là vi khuẩn kỵ khí tuỳ nghi. Sự tự điều chỉnh để thích nghi với mơi trường cĩ sự thay đổi của oxi hồ tan của vi khuẩn hoại sinh là rất quan trọng trong quy trình phân huỷ 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 nhiệt độ từ 20 – 40oC. Một số lồi vi khuẩn trong xử lý cặn phát triển ở nhiệt độ 50 - 60oC. Khi duy trì các điều kiện mơi trường: thức ăn, nhiệt độ, pH, oxy, độ ẩm thích hợp để vi khuẩn phát triển thì hiệu quả xử lý sinh học trong cơng trình sẽ đạt hiệu quả cao nhất.
Tuy nhiên khơng phải tất cả các loại vi khuẩn đều cĩ lợi cho quá trình sinh hố, một vài trong số chúng là lồi gây hại, trong đĩ cĩ hai lồi vi khuẩn tiêu biểu cĩ hại cho
hệ thống. Một là các dạng vi khuẩn dạng sợi (Filamentous) là các dạng phân tử
trung gian, thường kết với nhau thành lớp lưới nhẹ nổi lên mặt nước và gây cản trở cho quá trình lắng, 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 hố, phát sinh từ các hệ thống thơng giĩ để tuần hồn oxi trong hệ thống.
Theo phương thức dinh dưỡng, vi khuẩn được chia làm 2 loại như sau:
- Vi khuẩn dị dưỡng (heterotroph): sử dụng các chất hữu cơ làm nguồn cacbon dinh dưỡng và nguồn năng lượng để hoạt động sống, xây dựng và phát triển tế bào.
- Vi khuẩn tự dưỡng (autotroph): cĩ khả năng oxi hố chất vơ cơ để thu năng lượng và sử dụng CO2 làm nguồn carbon cho quá trình sinh tổng hợp. Trong nhĩm này cĩ vi khuẩn nitrate hố, vi khuẩn sắt, vi khuẩn lưu huỳnh…