VI SINH VẬT TRONG QUÁ TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI

Cùng với sự phát triển của văn minh nhân loại, nhu cầu về nước ngày càng tăng, lượng nước công nghiệp cũng như nước sinh hoạt thải ra ngày càng nhiều, đã và đang gây ô nhiễm đáng kể đến nước bề mặt và môi trường xung quanh. Do đó không chỉ vi sinh vật trong quá trình xử lý nước thải mà còn cả các hóa chất khác. Vấn đề nan giải là phân tích và đưa ra quy trình công nghệ xử lý bằng sinh học hợp lý.

I. Nước thải và vi sinh vật tham gia xử lý nước thải

1. Nước thải

– Nước thải là chất lỏng được thải ra sau quá trình sử dụng của con người và bị thay đổi tính chất ban đầu. Nước thải đóng một vai trò rất quan trọng gây ô nhiễm nước, có thể phân loại như sau:

  • Phân loại theo xác định nguồn thải
  • Phân loại theo tác nhân ô nhiễm
  • Phân loại theo nguồn gốc phát sinh chúng.

– Có thể nói nước thải là một hệ dị thể phức tạp, bao gồm rất nhiều chất tồn tại dưới các trạng thái khác nhau. Nếu như nước thải công nghiệp chứa nhiều các hóa chất vô cơ và hữu cơ thì nuớc thải sinh hoạt lại chứa rất nhiều các chất dưới dạng protein, hidratcacbon, mỡ, các chất thải, rác, các chất hoạt động bề mặt,…. các hợp chất vô cơ thường gặp ở đây: K+ , Na+ , Ca2+, Mg2+, Cl-, … Ngoài ra nước thải sinh hoạt còn chứa các vi khuẩn, virus, rong, rêu.

– Với những ngành sản xuất khác nhau thì trong nước thải sẽ có những hợp chất khác nhau. Trong số các chất gây nhiễm bẩn nguồn nước thì Hg, Bc, Cd, As, Se có độc tính rất cao. Nấm, động vật nguyên sinh, tảo, vi khuẩn và virus đều có mặt trong nước thải. Nước thải không xử lý có thể chứa tới hàng triệu vi khuẩn trong một mililit, bao gồm cáccoliform, các Streptococcus, các trực khuẩn kị khí sinh bào tử, nhóm Proteus và các loại khác bắt nguồn từ đường ruột của người.

– Các nguồn bổ sung vi sinh vật khác là nước ngầm, nước bề mặt và nước khí quyển cũng như các chất thải công nghiệp. Ngoài ra, tính hiệu quả của một quá trình xử lý nước thải còn phụ thuộc vào những sự biến đổi sinh hóa học do vi sinh vật tiến hành.

2. Vi sinh vật tham gia xử lý nước thải

– Những vi sinh vật có thể liên tục chuyển hóa các chất hữu cơ trong nước thải bằng cách duy nhất là tổng hợp thành tế bào (nguyên sinh chất) mới. Chúng có thể hấp thụ một lượng lớn các chất hũu cơ qua bề mặt tế bào của chúng. Nhưng sau khi hấp thụ, nếu các chất hũu cơ không được đồng hóa thành tế bào chất thì tốc độ hấp thụ sẽ giảm tới 0. Một lượng nhất định các chất hữu cơ hấp thụ được dành cho việc kiến tạo tế bào. Một lượng khác các chất hữu cơ lại được oxy hóa để sinh năng lượng cần thiết cho việc tổng hợp.

– Dựa trên phương thức phát triển vi sinh vật được chia thành 2 nhóm:

  • Các vi sinh vật dị dường: Sử dụng các chất hữu cơ làm nguồn năng lượng và nguồn cacbon để thực hiện các phản ứng sinh tổng họp
  • Các vi sinh vật tự dường: Có khả năng oxy hoá chất vô cơ để thu năng lượng và sử dụng CO2 làm nguồn cacbon cho quá trình sinh tổng hợp. Ví dụ: các loại vi khuẩn nitrat hoá, vi khuẩn lưu huỳnh, vi khuẩn sắt,…

– Bùn hoạt tính cùng như màng sinh vật là tập hợp các loại vi sinh vật khác nhau, chứa khoảng 70 – 90% chất hữu cơ; 10 – 30% chất vô cơ. Bùn hoạt tính là bông màu vàng nâu dễ lắng, có kích thước 3 – 150pm, có khả năng hấp thu và phân hủy các chất hữu cơ khi có mặt oxy (được dùng trong phương pháp xử lý sinh học hiếu khí). Những bông này bao gồm các vi sinh vật sống và cơ chất rắn (40%). Những vi sinh vật sống bao gồm vi khuẩn, nấm men, nấm mốc, một số nguyên sinh động vật, dòi, giun.

– Màng sinh vật (màng sinh học) phát triển ớ bề mặt các vật liệu lọc có dạng nhầy, dày từ 1 – 3 mm hoặc hơn. Màu của nó thay đổi theo thành phần của nước thải từ mầu xám đến nâu tối. Màng sinh vật cũng bao gồm vi khuẩn, nấm men, nấm mốc, động vật nguyên sinh.

– Bùn gốc ban đầu được nuôi dưỡng tạo thành loại bùn có hoạt tính cao và có tính kết lắng tốt. Có thể gọi đó là quá trình hoạt hóa bùn hoạt tính. Cuối thời kỳ này, bùn sẽ có dạng hạt. Các hạt này có độ bền cơ học khác nhau, có mức độ vỡ ra khác nhau khi chịu tác động của khuấy trộn. Bùn có nguồn gốc tốt nhất được lấy từ các cơ sở xử lý nước thải đang hoạt động.

– Trong hệ thống xử lý nước thải, vi khuẩn luôn chiếm ưu thế (90%). Vi khuẩn có kích thước trung bình từ 0,3 – 1 mm. Trong hệ thống bùn hoạt tính có sự hiện diện của vi khuẩn hiếu khí tuyệt đối, vi khuấn tùy nghi và vi khuấn yếm khí. – Một số vi khuẩn dị dưỡng thông thường trong hệ thống bùn hoạt tính gồm có: Achromobacter, Alcaligenes, Arthrobacter, Citromonas, Flavobacterium, Pseudomonas, Zoogloea. (Jenkins, et ah, 1993). Hai nhóm vi khuân chịu trách nhiệm chuyên hóa amoni thành nitrát là vi khuân Nitrobacter và Nitrosomonas.

Một số giống vi khuẩn chính có trong bùn hoạt tính và chức năng của chúng khi tham gia xử lý nước thải

STT Vi khuẩn Chức năng
1 Pseudomonas Phân hủy hiđratcacbon, protein, các chất hữu cơ,…và khử nitrát.
2 Arthrobacter Phân hủy hiđratcacbon.
3 Bacillus Phân hủy hiđratcacbon, protein.
4 Cytophaga Phân hủy các polime.
5 Zooglea Tạo thành chất nhầy (polisaccarit), chất keo tụ.
6 Acinetobacter Tích lũy poliphosphas, khử nitrát.
7 Nitrosomonas Nitrit hoá.
8 Nitrobacter Nitrát hóa.
9 Sphaerotilus Sinh nhiều tiêm mao, phân huỷ các chất hữu cơ.
10 Alkaligenes Phân hủy protein, khử nitrát.
11 Flavobacterium Phân hủy protein.
12 Nitrococus denitrificans Khử nitrát (thành N2).
13 Thiobaccillus denitrificans Khử nitrát (thành N2).
14 Acinetobacter
15 Hyphomicrobium
16 Desulfovibrio Khử sunfat, khử nitrát.

II. Phương pháp xử lý sinh học nước thải

1. Phương pháp xử lý sinh học kị khí:

– Quá trình phân hủy kỵ khí là quá trình phân hủy sinh học chất hữu cơ và vô cơ phân tử trong điều kiện không có oxy phân tử bởi các vi sinh vật kị khí.

– Phân hủy kỵ khí có thể chia làm 6 quá trình:

  1. Thủy phân polymer: thủy phân các protein, polysacearide, chất béo.
  2. Lên men các amino acid và đường.
  3. Phân hủy kỵ khí các acid béo mạch dài và rượu (alcohols).
  4. Phân hủy kỵ khí các acid béo dễ bay hơi (ngoại trừ acid acetic).
  5. Hình thành khí methane từ acid acetic.
  6. Hình thành khí methane từ hydrogen và CO2.

– Các quá trình này có thể hợp thành 4 giai đoạn, xảy ra đồng thời trong quá trình phân hủy kỵ khí chất hữu cơ:

  • Thủy phân: trong giai đoạn này, dưới tác dụng của enzyme do vi khuẩn tiết ra, các phức chất và các chất không tan (polysaccharides, protein, lipid) chuyển hóa thành các phức đơn giản hơn hoặc chất hòa tan (đường, các amino acid, acid béo). Quá trình này xảy ra chậm. Tốc độ thủy phân phụ thuộc vào pH, kích thước hạt và đặc tính dễ phân hủy của cơ chất. Chất béo thủy phân rất chậm.
  • Acid hóa: Trong giai đoạn này, vi khuẩn lên men chuyển hóa các chất hòa tan thành chất đơn giản như acid béo dễ bay hơi, alcohols, acid lactic, methanol, CO2, H2, NH3, H2S và sinh khối mới. Sự hình thành các acid có thể làm pH giảm xuống 4.0.
  • Acetic hoá (Acetogenesis): Vi khuẩn acetic chuyển hóa các sản phẩm của giai đoạn acid hóa thành acetate, H2, CO2 và sinh khối mới.
  • Methane hóa (methanogenesis): Đây là giai đoạn cuối của quá trình phân huỷ kỵ khí. Acetic, H2, CO2, acid fomic và methanol chuyển hóa thành methane, CO2 và sinh khối mới.Trong 3 giai đoạn thuỷ phân, acid hóa và acetic hóa, CO2 hầu như không giảm, CO2 chỉ giảm trong giai đoạn methane.

2

2. Phương pháp xử lý sinh học hiếu khí

Quá trình xử lý sinh học hiếu khí là quá trình sử dụng các vi sinh oxy hóa các chất hữu cơ trong điều kiện có oxy. Quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp hiếu khí gồm 3 giai đoạn:

– Oxy hóa các chất hữu cơ:11– Tổng hợp tế bào mới:12– Phân hủy nội bào:  13
 Các chỉ số x, y, z tuỳ thuộc vào dạng chất hữu cơ chứa cacbon bị oxy hóa.

3. Màng sinh học:

Quá trình vi sinh dính bám là một trong những quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học. Các vi sinh vật chịu trách nhiệm phân hủy các chất hữu cơ phát triển thành màng (biofilm) dính bám hay gắn kết vào các vật liệu trơ như đá, sành, sứ, nhựa,…
Cấu tạo màng vi sinh vật:
– Màng vi sinh vật có cấu trúc rất phức tạp, cả về cấu trúc vật lý lẫn vi sinh, cấu trúc cơ bản của màng vi sinh vật gồm :

  • Vật liệu đệm (như đá, sỏi, than,…với nhiều kích cỡ khác nhau) có bề mặt rắn làm môi trường dính bám cho vi sinh vật.
  • Lớp màng vi sinh vật phát triển dính bám trên bề mặt vật liệu đệm. Lớp màng vi sinh được chia thành 2 lớp: lớp màng nền và lớp màng bề mặt.

– Cấu tạo của lớp màng vi sinh vật bao gồm những đám vi sinh vật và một số vật chất khác liên kết trong ma trận cấu tạo bởi các polymer ngoại bào (gelatin) do vi sinh vật ( cả protozoa và vi khuẩn) sản sinh ra trong quá trình trao đổi chất, do quá trình tiêu hủy tế bào và do có sẵn trong nước thải. Thành phần chủ yếu của các polymer ngoại tế bào này là polysaccharides, proteins.

– Phân tích theo chủng loại vi sinh vật, lớp màng vi sinh vật còn có thể chia thành 2 lớp: lớp màng kị khí ở bên trong và lớp màng hiếu khí ở bên ngoài. Trong màng vi sinh luôn tồn tại đồng thời vi sinh vật kị khí và hiếu khí, do chiều sâu của lớp màng lớn hơn nhiều so với đường kính của khối vi sinh vật, oxy hòa tan trong nước chỉ khuếch tán vào gân bề mặt màng và làm cho lớp màng phía ngoài trở thành hiếu khí, còn lớp màng bên trong không tiếp xúc được với oxy trở thành lớp màng kị khí.

Quá trình tiêu thụ cơ chất làm sạch nước: đầu tiên cơ chất từ chất lỏng tiếp xúc với bề mặt màng sau đó chuyển vận vào màng vi sinh theo cơ chế khuếch tán phân tử. Trong màng vi sinh vật diễn ra quá trình tiêu thụ cơ chất và quá trình trao đổi cơ chất của vi sinh vật trong màng. Đổi với những loại cơ chất ở thê rắn, dạng lơ lửng hoặc có phân tử khối lớn không thê khuếch tán vào màng được chúng sẽ phân hủy thành dạng có phân tử khối nhỏ hơn tại bề mặt màng sau đó mới tiếp tục quá trình vận chuyền và tiêu thụ trong màng vi sinh giống như trên. Sản phẩm cuối cùng của màng trao đổi được vận chuyển ra khỏi màng vào trong chất lỏng.