Tảo là nhĩm vi sinh vật tự dưỡng quang hợp, cĩ diệp lục và cĩ khả năng sử dụng CO2 hoặc bicacbonat làm nguồn cacbon và nguồn nitơ, photpho vơ cơ để cấu tạo tế bào dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời. Qúa trình quang hợp của tảo được biểu diễn như sau:
CO2 + PO4-3 + NH4+ tế bào tảo mới (tăng sinh khối) + O2
Trong nước giàu nguồn N và P, đặc biệt là P sẽ là điều kiện rất tốt cho tảo phát triển, Nguồn CO2 cĩ thể do vi sinh vật hoạt động trong nước, phân huỷ các chất hữu cơ tạo thành cung cấp cho tảo hoặc từ khơng khí.
Tảo cĩ tầm quan trọng trong quá trình xử lý sinh học bởi 2 lý do:
- Trong thuỷ vực chúng cĩ khả năng tạo ra oxy qua quá trình quang hợp là sự sống của hệ sinh thái mơi trường nước.
- Đối với ao hiếu khí hoặc ao oxy hố kỵ khí khơng bắt buộc hoạt động hiệu quả thì tảo là cần thiết cho việc cung cấp oxy cho vi khuẩn dị dưỡng hiếu khí.
Mặc dù tảo 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.
- Tảo xanh Aphanizomenon blosaquae, Anabaena microcistic…làm cho nước cĩ
màu xanh lam.
- Tảo Oscilatoria rubecens làm cho nước ngả màu hồng.
- Khuê tảo (Melosira, Navicula) làm cho nước cĩ màu nâu. Chrisophit làm cho
nước cĩ màu vàng nhạt.
Tảo phát triển cịn làm cho nước cĩ nhiều mùi khĩ chịu như mùi cỏ, mùi thối… 3.2.5 Nguyên sinh động vật (Protozoa)
Bên cạnh nhĩm vi khuẩn thì nhĩm nguyên sinh động vật cũng gĩp phần quan trọng trong các quá trình xử lý nước thải. Chúng thuộc vào nhĩm động vật sống trơi nổi trong nước,cĩ cấu tạo cơ thể đa bào, hầu hết sống hiếu khí hoặc yếm khí khơng bắt buộc chỉ cĩ một số lồi sống yếm khí. Các nguyên sinh động vật quan trọng trong
quá trình xử lý nước thải bao gồm các chi Amoeba, Flagellate và Ciliate.
Các nguyên sinh động vật này cĩ thể được coi như là các chất chỉ thị của nước thải, vì sự cĩ mặt của chúng cĩ nghĩa là bùn hoạt tính thích hợp với cơ chất cĩ trong nước thải. Các nguyên sinh động vật cịn ăn các vi khuẩn và các vi sinh vật khác do đĩ, nĩ đĩng vai trị quan trọng trong việc cân bằng hệ vi sinh vật trong các hệ thống
xử lý sinh học và tiêu diệt các vi khuẩn gây bệnh trong nước thải.
3.3 QUÁ TRÌNH SINH TRƯỞNG CỦA TẾ BÀO VI SINH VẬT
Sự sinh trưởng của vi sinh vật bao gồm sự tăng kích thước, số lượng tế bào (sinh sản), phát triển tăng khối lượng của quần thể vi sinh vật (tăng sinh khối). Tất cả những biến đổi về hình thái, sinh lí diễn ra trong tế bào được tổng hợp thành khái niệm “ phát triển”. Sinh sản cũng là một kết quả của sự phát triển.
Trong nước thải và quá trình xử lí nước thải, sự sinh trưởng cũng là sự tăng số lượng tế bào và sự thay đổi kích thước tế bào. Kích thước tế bào dao động xung quanh một giá trị trung bình thì việc tính số lượng tế bào cũng phản ánh được sự tăng sinh khối của vi sinh vật.
Các vi sinh vật trong nước thải chủ yếu là vi khuẩn dị dưỡng, chúng cần cĩ trong mơi trường các chất hữu cơ cĩ thể đồng hố làm cơ chất dinh dưỡng: ở nước thải được biểu thị là BOD, COD và các chất dinh dưỡng như nitơ, photpho, các yếu tố khống khác như K, Mg, Ca…và các yếu tố vi lượng như Fe, Cu, Zn, Mn…Các
chất khống và vi lượng này thường cĩ đủ trong nước thải sinh hoạt. Các nguồn C, N, P dinh dưỡng cần thiết cho sinh trưởng của vi khuẩn thường theo tỉ lệ BOD: N: P = 100: 5: 1 là điều kiện thuận lợi nhất cho vi khuẩn phát triển và tăng sinh khối bình thường.
Vi sinh vật sinh sản chủ yếu bằng cách phân đơi tế bào. Thời gian sinh sản trong thế hệ của vi khuẩn thường là 20 phút đến vài ngày. Chúng sinh sản cho đến khi điều kiện mơi trường thay đổi, các chất dinh dưỡng cạn kiệt, pH và nhiệt độ thay đổi ra ngồi giá trị tối ưu thì sinh sản sẽ bị ngừng lại.
Quá trình sinh trưởng của tế bào chia thành 5 giai đoạn: - Giai đoạn làm quen (pha tiềm phát).
- Giai đoạn sinh sản theo cách phân đơi tế bào theo cấp số nhân (pha phát triển theo logarit pha số mũ).
- Giai đoạn chậm dần (pha sinh trưởng chậm dần). - Giai đoạn ổn định (pha ổn định).
- Giai đoạn suy giảm (pha suy vong).
Hình 3.1: Đường cong biểu diễn các giai đoạn phát triển của vi khuẩn về số lượng theo thang logarit.
3.3.1 Giai đoạn làm quen
Thời gian Giá trị log của số lượng vi khuẩ n Giai đoạn phát triển chậm Giai đoạn tăng trưởng theo quy luật logarit Giai đoạn ổn định Giai đoạn chết theo logarit
Vi khuẩn vào mơi trường chưa sinh sản ngay mà cịn cần một thời gian làm quen với mơi trường, cần cảm ứng sinh tổng hợp các enzyme thích hợp với cơ chất. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
X = X0 X: mật độ tế bào ở thời điểm t.
X0: mật độ tế bào ở thời gian t = 0. Tốc độ sinh trưởng = 0 → dXdt 0
3.3.2 Giai đoạn phát triển theo số mũ.
Các tế bào vi khuẩn sinh sản theo cách phân đơi tế bào đạt đến mức độ cao nhất theo tỉ lệ tái tạo tế bào với nồng độ cơ chất khơng hạn chế. Tốc độ sinh trưởng tính theo % là khơng đổi, giai đoạn này được đánh giá bởi thời gian sinh trưởng tg (thời gian để tăng gấp đơi số lượng vi khuẩn tối thiểu). Ở giai đoạn này tốc độ sinh trưởng dX/dt tăng tỉ lệ thuận với X (từ đĩ cĩ được đường cong hàm số mũ).
Ta cĩ phương trình sau:
m X
dt
dX . 1
Với μm là tỉ lệ sinh trưởng cực đại hoặc log ( 2 1) 1 2 m t t X X
Thời gian sinh trưởng tg được xác định với X2 = 2X1→ tg = m m
693 , 0 2 log 3.3.3 Giai đoạn chậm dần
Trong giai đoạn này cơ chất dinh dưỡng trong mơi trường đã cạn gần hết cùng với sự biến mất một hay vài thành phần cần thiết cho sự sinh trưởng của vi khuẩn. Trong một số trường hợp, phát triển chậm dần là do trong mơi trường tích tụ các sản phẩm ức chế được sinh ra trong quá trình chuyển hố chất trong tế bào vi khuẩn. X tiếp tục tăng, nhưng dXdt lại giảm.
3.3.4 Giai đoạn ổn định.
X (mật độ tế bào) đạt tới trị số cực đại Xmax. Sự sinh trưởng dừng lại ngay cả khi các tế bào vẫn cịn hoạt động chuyển hố nào đĩ.
Ở giai đoạn này các cất dinh dưỡng đã hết. Mật độ tế bào giảm do các tế bào già bị chết và tỉ lệ chết cứ tăng dần lên. Tế bào vi khuẩn bị phân huỷ nội sinh hoặc hơ hấp nội bào và bị tự phân.
Các giai đoạn và các phương trình biểu diễn sự phát triển từng giai đoạn áp dụng cho cả mơi trường hiếu khí và kị khí. Gía trị của các thơng số phụ thuộc vào các lồi vi sinh vật, hàm lượng cơ chất và nhiệt độ, pH của mơi trường vi sinh vật sống.
CHƯƠNG 4: XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG VI SINH VẬT TRONG ĐIỀU KIỆN HIẾU KHÍ
4.1 MƠ TẢ QUÁ TRÌNH
Trong nước thải sinh hoạt, nước thải của các xí nghiệp chế biến nơng sản, thực phẩm, thuỷ sản, các trại chăn nuơi…rất giàu các chất hữu cơ, gồm 3 nhĩm chất chủ yếu: protein 40 – 50%, hydratcacbon 50% và chất béo 10%. Protein là polymer của các acid amin. Hydratcacbon bao gồm các chất đường, bột và xenlulozơ. Tinh bột và đường rất dễ bị phân huỷ bởi vi sinh vật, cịn xenlulozơ bị phân huỷ muộn hơn và tốc độ phân huỷ cũng chậm hơn rất nhiều. Chất béo ít tan bị vi sinh vật phân giải với tốc độ rất chậm. Trong nước thải cĩ khoảng 20 – 40% hàm lượng các chất hữu cơ khơng bị phân huỷ bởi vi sinh vật.
Số lượng các vi sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn, cĩ trong nước thải vào khoảng 105 – 109 tế bào/ml. Các vi sinh vật muốn phân huỷ được các chất hữu cơ trước hết chúng phải cĩ khả năng tiết ra các enzyme tương ứng. Muốn thuỷ phân protein, các vi sinh vật phải tạo ra enzyme proteaza, thuỷ phân tinh bột là các enzyme thuộc họ amilaza, thuỷ phân chất béo là enzyme lipaza…Sản phẩm thuỷ phân là các chất đường đơn, các acid amin, các acid béo… và năng lượng.
Đĩ là các sản phẩm cĩ khối lượng phân tử thấp cĩ thể đi qua màng vào bên trong tế bào. Qúa trình này gọi là quá trình phân huỷ ngoại bào hay quá trình thuỷ phân. Các chất này được tiếp tục phân huỷ hoặc chuyển hố thành các chất vật liệu xây dựng tế bào mới. Các quá trình này xảy ra trong tế bào thường gọi là quá trình nội bào, đĩ thực chất là các quá trình oxi hố – khử sinh học (quá trình hơ hấp nội bào). Sản phẩm cuối cùng là CO2 và nước.
4.2 HỐ SINH HỌC CỦA QUÁ TRÌNH PHÂN HUỶ CHẤT HỮU CƠ TRONG ĐIỀU KIỆN HIẾU KHÍ TRONG ĐIỀU KIỆN HIẾU KHÍ
Sự phân giải chất dinh dưỡng và giải phĩng năng lượng của tế bào vi khuẩn (sự dị hố) cĩ thể được chia thành 2 giai đoạn cơ bản:
4.2.1 Giai đoạn thuỷ phân (phân huỷ ngoại bào):
Quá trình này xảy ra bên ngồi tế bào,các hợp chất cao phân tử dưới sự tác động của các enzyme ngoại bào do vi sinh vật tiết sẽ ra bị thuỷ phân thành các chất đơn giản cĩ khối lượng phân tử nhỏ hơn để cĩ thể đi qua màng vào bên trong tế bào chất.
- Hydrocacbon: (tinh bột, glucogen…) quá trình thuỷ phân của chất bột tương đối đơn giản hơn chất đạm, béo, dưới tác dụng của enzyme amilaza tinh bột bị thuỷ phân thành các đường đơn giản, cụ thể theo phương trình sau:
+ Nếu cĩ nhiều oxy:
(C6H10O5)n → n C2H12O6 → 6CO2+ 6H2O + 674 Kcal + Nếu cĩ ít oxy:
n(C6H10O5) → n C6H12O6 → 2n C2H5OH + 2n CO2 + 24 Cal Và C2H5OH → CH2COOH
- Protein: bị thuỷ phân thành các hợp chất đơn giản hơn là các polypeptit, oligopeptit. Các chất này được tiếp tục thuỷ phân thành các acid amin nhờ men peptidaza ngoại bào hoặc được tế bào hấp thụ, sau đĩ được phân huỷ tiếp trong tế bào thành các acid amin. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Lipid: bị thuỷ phân chậm hơn so với hydratcacbon và protein, quá trình thủy phân tiến hành từ từ,dưới tác dụng của enzyme lipase, lipid kết hợp với 1 phân tử nước giải phĩng 1 acid béo rồi kết hợp với phân tử nước thứ hai, thứ ba và giải phĩng acid béo thứ hai rồi thứ ba tạo thành glycerin và các acid béo.
Protein
Enzyme phângiải
Protein ngoại bào
Polypeptide Olygopeptid
Peptidaza
CH2OOCR1 CH2OH │ │
CHOOCR2 + H2O → CHOOCR2 + HOOCR1 │ │
CH2OOCR3 CH2OOCR3
CH2OH CH2OH │ │
CHOOCR2 + H2O → CHOH + HOOCR2 │ │
CH2OOCR3 CH2OOCR3
CH2OH CH2OH │ │
CHOH + H2O → CHOH + HOOCR2 │ │
CH2OOCR3 CH2OH
Glyxerin Acid béo
Giai đoạn thuỷ phân các chất hữu cơ cĩ thể biểu diễn ngắn gọn như sau:
Hình 4.1 Tiến trình thuỷ phân của vi sinh vật trong nước thải 4.2.2 Giai đoạn oxy hố
Quá trình oxi hố – khử do hệ enzyme nội bào xúc tác – Xitocrom và Xitocromoxidaza. Các enzyme oxi hố – khử này gồm cĩ 2 cấu tử: nhĩm chính và nhĩm phụ. Nhĩm phụ - coenzyme, là flavin – adenine – dinucleotid (FAD). Các enzyme này tách H+ ra khỏi phân tử enzyme kết hợp với oxy tạo thành nước, nhờ
Các chất hữu cơ trong nước thải
Lipid
Hydratcacbon Protein
Acid béo
cĩ oxy và nước mà các phản ứng oxy hố khử giữa các nguyên tử cacbon mới xảy ra được. Hệ thống enzyme này rất quan trọng, vì chúng xúc tác cho các phản ứng oxi hố – khử đảm bảo cho đời sống và phát triển của các vi khuẩn hiếu khí cĩ chuỗi hơ hấp nội bào.
Giai đoạn này biến những chất đơn giản thu được sau giai đoạn thuỷ phân thành những chất 2 carbon là acetyl CoA. Acetyl CoA được coi là sản phẩm thối hố của các chất glucid, lipid và protein. Nĩ được hình thành do sự β – oxi hố acid béo, do sự oxy hố của khoảng một nửa số α – amino acid cũng như do sự oxy hố hiếu khí glucose.
Acetyl CoA được hình thành ở giai đoạn này sẽ bị oxy hố hồn tồn trong chu trình Krebs (chu trình citrate) để hình thành CO2, H2O và giải phĩng năng lượng. Phần lớn năng lượng được giải phĩng ở giai đoạn này (khoảng 2/3 tổng năng lượng của quá trình).
Trong giai đoạn này, khoảng 30 – 40% năng lượng hố học được biến thành nhiệt và hơn 60% năng lượng được sử dụng để tổng hợp các hợp chất cao năng (ATP). Trong chu trình citrate, các hydro tách ra sẽ được oxy hố qua chuỗi hơ hấp để tạo nên năng lượng và H2O. Năng lượng giải phĩng được tích trữ ở các phân tử ATP. Tồn bộ quá trình được minh hoạ bằng sơ đồ trên hình 4.2.
Hình 4.2 Tiến trình oxy hố sinh học của vi khuẩn
4.3 VI SINH VẬT HỌC CỦA QUÁ TRÌNH PHÂN HUỶ CHẤT HỮU CƠ TRONG ĐIỀU KIỆN HIẾU KHÍ TRONG ĐIỀU KIỆN HIẾU KHÍ
4.3.1 Các nhĩm vi sinh vật chủ yếu trong giai đoạn thuỷ phân (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Các nhĩm này được gọi chung là vi khuẩn thuỷ phân, chúng rất đa dạng về chủng loại và cĩ khả năng tiết ra enzyme đặc hiệu để phân huỷ cơ chất trong quá trình phân huỷ các chất hữu cơ khác nhau. Bởi vì những nhĩm vi khuẩn khác nhau thì sinh sản theo các phương thức khác nhau, thời gian tồn tại của tế bào ngắn hoặc dài khác nhau nên hiệu quả phân huỷ thay đổi phụ thuộc vào số lượng vi khuẩn và enzyme đặc hiệu tương ứng với cơ chất.
Các chất hữu cơ trong nước thải
Hydratcacbon Lipid Protein
Đường đơn Acid béo Amino acid
Acetyl CoA
Chu trình Krebs
CO2 H2O Năng lượng Pyruvate
Trong quá trình phân huỷ các hợp chất hữu cơ, để vi sinh vật cĩ thể sử dụng được, chất nền đơn giản phải là chất hồ tan, cĩ cấu trúc đơn giản và dễ dàng đi vào tế bào vi khuẩn. Ví dụ, các chất nền đơn giản như acetate (CH3COOH), ethanol (CH3CH2OH) và glucose (C6H12O6), những chất này cĩ thể bị phân huỷ bởi enzyme nội bào dễ dàng. Bên cạnh đĩ, một số chất nền phức tạp khác là những chất khơng tan được hoặc ít tan, cĩ cấu trúc phức tạp và khơng thể đi vào tế bào vi khuẩn trực tiếp được. Ví dụ như cellulose, lipid (chất béo và dầu), protein và disaccharide (lactose và maltose). Những chất này cần phải được thuỷ phân thành các chất đơn giản hơn rồi mới cĩ thể được vi sinh vật phân giải.
Vi khuẩn thuỷ phân chủ yếu là vi khuẩn Gram dương, hình que, sống hiếu khí hoặc kỵ khí, cĩ khả năng phân huỷ các chất ít tan và các chất phức tạp như thuỷ phân cacbonhydrate thành đường, thuỷ phân lipid thành acid béo và glycerin, thuỷ phân protein thành acid amin. Để làm được điều này, các vi khuẩn thuỷ phân cĩ khả năng sản xuất ra enzyme ngoại bào đặc hiệu như amilaza thuỷ phân tinh bột, lipase thuỷ phân lipid, proteaza thuỷ phân protein. Chất cĩ phân tử càng phức tạp thì thời gian thuỷ phân càng dài.
Giai đoạn thuỷ phân thực hiện 2 nhiệm vụ quan trọng trong các cơng trình xử lý sinh học. Thứ nhất, giai đoạn thuỷ phân làm nhiệm vụ biến đổi và hồ tan các cơ chất phức tạp thành cơ chất đơn giản bởi vì vi sinh vật chỉ cĩ thể hấp thụ và phân giải các cơ chất ở dạng hồ tan mà thơi. Thứ hai, trong bất kỳ cơng trình xử lý sinh học nào cũng tồn tại một số lượng nhất định các vi khuẩn bị chết và giai đoạn thuỷ phân sẽ hồ tan và phân giải các thành phần tế bào đã chết đĩ, do vậy tránh được sự tích luỹ các tế bào (chết) này.
Trong xử lý sinh học, sự thuỷ phân chất nền phụ thuộc vào các yếu tố sau: - Tính đa dạng về lồi của các vi khuẩn và enzyme tương ứng.