intTypePromotion=3
Array
(
    [0] => Array
        (
            [banner_id] => 140
            [banner_name] => KM1 - nhân đôi thời gian
            [banner_picture] => 964_1568020473.jpg
            [banner_picture2] => 839_1568020473.jpg
            [banner_picture3] => 620_1568020473.jpg
            [banner_picture4] => 994_1568779877.jpg
            [banner_picture5] => 
            [banner_type] => 8
            [banner_link] => https://tailieu.vn/nang-cap-tai-khoan-vip.html
            [banner_status] => 1
            [banner_priority] => 0
            [banner_lastmodify] => 2019-09-18 11:11:47
            [banner_startdate] => 2019-09-11 00:00:00
            [banner_enddate] => 2019-09-11 23:59:59
            [banner_isauto_active] => 0
            [banner_timeautoactive] => 
            [user_username] => sonpham
        )

)

Giáo trình -Vi hóa sinh kỹ thuật môi trường -Chương 2

Chia sẻ: Lit Ga | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:46

0
231
lượt xem
88
download

Giáo trình -Vi hóa sinh kỹ thuật môi trường -Chương 2

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Với việc phân tích và kiểm soát môi trường thích hợp, hầu hết các loại nước thải đều có thể được xử lý bằng phương pháp sinh học. Mục đích của xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là keo tụ và tách các loại keo không lắng và ổn định (phân hủy) các chất hữu cơ nhờ hoạt động của vi sinh vật hiếu khí hoặc kỵ khí. Sản phẩm cuối cùng của quá trình phân hủy sinh học thường là các chất khí (CO2, N2, CH4, H2S), các chất vô cơ ( NH4+, PO43-) và tế...

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Giáo trình -Vi hóa sinh kỹ thuật môi trường -Chương 2

  1. Giáo trình -Vi hóa sinh kỹ thuật môi trường -Chương 2
  2. TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG CHƯƠNG 2 VI SINH VẬT TRONG NƯỚC THẢI 1. LÝ THUYẾT XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC Với việc phân tích và kiểm soát môi trường thích hợp, hầu hết các loại nước thải đều có thể được xử lý bằng phương pháp sinh học. Mục đích của xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là keo tụ và tách các loại keo không lắng và ổn định (phân hủy) các chất hữu cơ nhờ hoạt động của vi sinh vật hiếu khí hoặc kỵ khí. Sản phẩm cuối cùng của quá trình phân hủy sinh học thường là các chất khí (CO2, N2, CH4, H2S), các chất vô cơ ( NH4+, PO43-) và tế bào mới. Các quá trình sinh học chính sử dụng trong xử lý nước thải gồm 5 nhóm chính: quá trình hiếu khí, quá trình thiếu khí, quá trình kỵ khí, thiếu khí và kỵ khí kết hợp và quá trình hồ sinh vật. Mỗi quá trình riêng biệt còn có thể phân chia thành chi tiết hơn, phụ thuộc vào việc xử lý được thực hiện trong hệ thống tăng trưởng lơ lửng (suspended - growth system), hệ thống tăng trưởng dính bám (attached – growth system), hoặc hệ thống kết hợp. Phương pháp sinh học có ưu điểm là rẻ tiền và có khả năng tận dụng các sản phẩm phụ làm phân bón (bùn hoạt tính) hoặc tái sinh năng lượng (khí methane). Vi sinh vật học cơ sở là phương tiện cho kĩ sư môi trường, để họ thiết kế, xây dựng và quản lí nước thải bằng phương pháp sinh học. Điều quan trọng đối với kĩ sư môi trường là phải hiểu rằng tất cả các hệ sinh vật đều dựa trên nguyên tắc chung. Nhưng sự khác nhau giữa chúng là môi trường và thành phần môi trường. 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 hữu cơ qua bề mặt tế bào của chúng. Nhưng sau khi hấp thụ, nếu các chất hữu 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 giành 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. Mối quan hệ giữa việc chuyển hóa chất hữu cơ và tổng hợp tế bào cùng với việc tiêu thụ oxy (tạo năng lượng) theo Mackiney Ross E được biểu thị như sau: F = K1S+K2Os (2-1) Với F: lượng chất hữu cơ được chuyển hóa, mg/l theo BOD toàn phần S: lượng sinh khối tổng hợp được, mg/l chất hữu cơ volantin (chất khô không tro) Os: tiêu thụ oxy cho tổng hợp, mg/l oxy hòa tan tự do K1: 1,43 K2: 1,0 Hai hằng số được dùng để chuyển đơn vị đo lường thành mg/l oxy. Phương trình (2-1) có thể áp dụng cho hệ hiếu khí, còn hệ yếm khí thì khác. Ở hệ yếm khí thì không Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 6
  3. TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG có oxy tự do, chỉ có oxy hóa gián tiếp. Đó cũng là oxy hóa nhưng đó là oxy hóa yếm khí, bằng cách sử dụng chất hữu cơ có liên quan với lượng oxy hóa. 1.1. Xử lý hiếu khí Những hệ hiếu khí để xử lý nước thải bao gồm: bùn hoạt tính (aeroten), lọc sinh vật, hồ sinh vật hay hồ oxy hóa, cánh đồng tưới. Phương trình cơ bản được biểu thị trực tiếp theo oxy hòa tan, chừng nào hệ được duy trì trong điều kiện hiếu khí. Vì yêu cầu một năng lượng nhất định để tạo ra một lượng sinh khối nhất định, nên ta có thể biểu thị mối quan hệ giữa tổng hợp và năng lượng bằng phương trình: Os = 0,7S (2-2) Thay giá trị này vào phương trình (2-1) ta được phương trình biểu thị mối quan hệ giữa lượng chất hữu cơ đã bị khử và lượng chất được tổng hợp: F = 2,13S (2-3) Vấn đề còn lại là xác định chính xác lượng sinh khối được tổng hợp. Đây không phải là do trực tiếp lượng tăng sinh khối mà tổng lượng tăng sinh khối hoạt tính cộng với lượng sinh khối hoạt tính bị giảm do trao đổi nội bào. S = ∆Ma + K3Mat (2-4) Với Ma: sinh khối hoạt tính của vi sinh vật, mg/l chất khô volatin (chất khô không tro) t: thời, h K3: 0,006 Thay vào (2-3) ta có: F = 2,13 ∆Ma + 0,012Mat (2-5) Đây là phương trình cơ bản được dùng để thiết kế các hệ xử lý nước thải trong điều kiện hiếu khí. Cần nhớ rằng đây không phải là phương trình duy nhất được sử dụng trực tiếp, mà còn phải kết hợp với các phương trình khác để giải bài toán. Quan trọng hơn về phương diện thiết kế là tốc độ phản ứng. Có hai mô hình về tốc độ trong hệ sinh học: Tốc độ tăng và tốc độ giảm. Tốc độ tăng (của phản ứng) diễn ra trong suốt khoảng thời gian của pha sinh trưởng lorarit. Trong khi đó, tốc độ giảm của phản ứng diễn ra ở cả pha sinh trưởng chậm dần lẫn pha oxy hóa nội bào. • Quá trình phân hủy háo khí chất thải hữu cơ: Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 7
  4. TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG COHNS + O2 + VSV hiếu khí → CO2 + NH3 + sản phẩm khác + năng lượng Pha sinh trưởng logarit. Nhiều kĩ sư vệ sinh đã cố sử dụng pha sinh trưởng Log để ổn định - xử lý nước thải nhưng vô ích. Trong suốt pha sinh trưởng Log, tốc độ tổng hợp và do đó tốc độ oxy hóa là lớn nhất. Điều đó có nghĩa đơn giản là: đa số các loại nước thải có thể xử lý trong thời gian ngắn. Nhưng tiếc rằng, những vi sinh vật có hai đặc điểm sinh hóa ngăn cản việc sử dụng pha Log trong việc xử lý nước thải. Để duy trì pha sinh trưởng Log, phải đảm bảo tỷ lệ giữa thức ăn và vi sinh vật (F:M) luôn luôn lớn hơn 2. Với nước thải sinh hoạt, lượng thực phẩm không cao, do vậy chỉ có lúc bắt đầu xử lý trong hệ sinh học thì F:M mới cao. Ở mức tỷ lệ thức ăn cao như vậy, vi sinh vật không thể tạo bông, mà sẽ tản mạn trong nước thải. Nước ra khỏi pha sinh trưởng Log vẫn còn chứa nhiều chất hữu cơ chưa được chuyển hóa và nhiều vi khuẩn tản mạn. Chỉ có một số trạm xử lý nước thải công nghiệp có thể sử dụng pha sinh trưởng Log mà thôi. Pha sinh trưởng chậm dần. Pha sinh trưởng chậm dần bắt đầu khi pha sinh trưởng log kết thúc, khi nồng độ chất hữu cơ trở thành yếu tố giới hạn trong việc sinh trưởng của những tế bào mới. Tốc độ trao đổi chất trong pha sinh trưởng chậm dần không thể xác định được, bởi vì không thể ổn định và liên tục biến đổi khi nồng độ chất hữu cơ giảm. Pha sinh trưởng chậm dần sẽ ngừng lại khi tỷ lệ F:M giảm xuống tới 0. Đa số các hệ xử lý sinh học được vận hành giữa pha sinh trưởng chậm dần và pha hô hấp nội bào, sao cho tỷ lệ F:M ở thời điểm kết thúc vừa đủ để xác định nồng độ chất hữu cơ còn lại đảm bảo cho sinh khối ở trạng thái hoạt tính. Cần nhấn mạnh rằng tất cả các chất hữu cơ chủ yếu đã được ổn định, nghĩa là đã bị khử từ dạng tan và biến thành tế bào chất ở thời điểm kết thúc pha sinh trưởng chậm. Pha hô hấp nội bào. Sự sinh trưởng không dừng lại ở pha hô hấp nội bào, nhưng tốc độ phân hủy tế bào tăng lên và làm cho sinh khối hoạt tính giảm đi. Một lượng rất nhỏ được tổng hợp ở pha nội bào nhờ kết quả chuyển hóa chất hữu cơ, nhưng với tốc độ rất chậm. Tốc độ phản ứng trong pha hô hấp nội bào đã được xác định một cách chính xác. Những số liệu thu được chứng tỏ rằng sinh khối hoạt tính bị phân hủy ở tốc độ 0,6%/giờ. Sinh khối hoạt tính (Ma) bị phân hủy thành hai hợp phần: một phần bị oxy hóa, một phần là chất trơ. Phần bị oxy hóa với tốc độ 0,5% trong 1 giờ. Trong khi đó phần trơ bị phân hủy với tốc độ 0.1% /giờ. Chuyển đổi thành phần sinh khối bị oxy hóa thành lượng oxy tiêu thụ ta sẽ được tốc độ tiêu thụ oxy là 0.7% trong 1giờ. Oe = 0,007 Mat (2-6) Xác định oxy tiêu thụ ở pha hô hấp nội bào là phương pháp duy nhất cho phép xác định sinh khối hoạt tính trong bùn sinh học. Chẳng hạn có thể xác định sinh khối hoạt tính Ma sinh khối không hoạt tính Mi của một sinh khối bất kỳ: Sinh khối tổng cộng = Ma + Mi (2-7) Bình thường việc xác định chất khô không tro (VS) của sinh khối vi sinh vật lơ lửng được tiến hành bằng cách xác định tổng lượng chất hữu cơ trong sinh khối. Từ lượng oxy tiêu thụ trong pha nội bào có thể tính được Ma rồi sau đó tính Mi. Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 8
  5. TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Hình 2. 1 Các đường cong tiêu thụ oxy xác định bằng phương pháp Warburg 1.2. Xử lý kỵ khí Quá trình phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ là quá trình sinh hóa phức tạp tạo ra hàng trăm sản phẩm trung gian và phản ứng trung gian. Tuy nhiên, phương trình phản ứng sinh hóa trong điều kiện kỵ khí có thể biểu diễn đơn giản như sau: Vi sinh vật Chất hữu cơ CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S + Tế bào mới Một cách tổng quát, quá trình phân hủy kỵ khí xảy ra theo 4 giai đoạn (Hình 2.1): • Giai đoạn 1: Thủy phân, cắt mạch các hợp chất cao phân tử • Giai đoạn 2: Acid hóa • Giai đoạn 3: Acetate hóa • Giai đoạn 4: Methane hóa Các chất thải hữu cơ chứa các chất hữu cơ cao phân tử như proteins, chất béo, carbohydrates, celluloses, lignin,… Trong giai đoạn thủy phân, sẽ được cắt mạch tạo thành những phân tử đơn giản hơn, dễ phân hủy hơn. Các phản ứng thủy phân sẽ chuyển hóa protein thành amino acids, carbohydrate thành đường đơn, và chất béo thành acid béo. Trong giai đoạn acid hóa, các chất hữu cơ đơn giản lại được tiếp tục chuyển hóa thành acetic acid, H2 và CO. Các acid béo dễ bay hơi chủ yếu là acetic acid, propionic và lactic acid. Bên cạnh đó, CO2 và H2, methanol, các rượu đơn giản khác cũng được hình thành trong quá trình cắt mạch cacbohydrat. Vi sinh vật chuyển hóa methane chỉ có thể phân hủy một số loại cơ chất nhất định như CO2 + H2, formate, acetate, methanol, methylamines và CO. Các phương trình phản ứng xảy ra như sau: 4H2 + CO2 CH4 + 2H2O 4HCOOH CH4 + 3CO2 + 2H2O CH3COOH CH4 + CO2 Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 9
  6. TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG 4CH3OH 3CH4 + CO2 + 2H2O 4(CH3)3N + H2O 9CH4 + 3CO2 + 6H2O + 4NH3 H2 28% 4% 24% 76% CHC cao phân tử Acid hữu cơ CH4 52% 20% 72% Acetic acid Quá trình acctate Quá trình Quá trình thủy phân hoá và khử hydro nethane hoá Hình 2. 2 Quá trình phân hủy kỵ khí Tùy theo trạng thái của bùn, có thể chia quá trình xử lý kỵ khí thành: - Quá trình xử lý kỵ khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng như quá trình tiếp xúc kỵ khí (Anaerobic Contact Process), quá trình xử lý bằng lớp bùn kỵ khí với dòng nước đi từ dưới lên (Upflow Anearobic Sludge Blanket – UASB): - Quá trình xử lý kỵ khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng bám dính như quá trình lọc kỵ khí (Anaerobic Filter Process). Các phương trình cơ bản của trao đổi yếm khí và trao đổi hiếu khí khác nhau rất ít. Trong cả hai hệ, lượng chất hữu cơ cần thiết để hình thành tế bào chất đều như nhau. Các mô hình trao đổi chất có nhiều cấu trúc cơ bản giống nhau, năng lượng đòi hỏi để tạo ra một đơn vị tế bào chất cũng phải như nhau ở cả hai hệ. Chỉ có sự khác nhau giữa hai hệ là cơ chế tạo năng lượng và năng lượng sản ra trên một đơn vị chất hữu cơ đã chuyển hóa. Có thể thấy rằng, sự trao đổi yếm khí không hiệu quả trong việc sản sinh tế bào chất, nhưng việc sản sinh tế bào chất không phải là mục đích của hệ xử lý nước thải bằng phương pháp sinh hóa. Hệ xử lý nước thải bằng phuơng pháp sinh hóa yếm khí điển hình là tổng cộng của việc tạo axit và tạo mêtan. Khi mêtan có mức tan 0,17mg /l thì việc trao đổi yếm khí coi như được hoàn thành, dòng nước ra sẽ chứa ít chất hữu cơ và tạo ra lượng bùn ít nhất. Đó chính là ưu việt của biện pháp xử lý yếm khí nước thải. 2. ĐỘNG HỌC CÁC QUẦN THỂ SINH VẬT TRONG CÁC CÔNG TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI Trong thiên nhiên cũng như trong các công trình làm sạch nước thải thường tồn tại hỗn hợp các loài vi sinh vật. Loài này có thể cạnh tranh với loài khác vì thức ăn. Có hai kiểu cạnh tranh là: các loài cùng tranh nhau một loại thức ăn và loài này dùng loài khác làm thức ăn. Cạnh tranh vì thức ăn là yếu tố quan trọng trong động học quần thể. Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 10
  7. TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG 2.1. Cùng tranh nhau một loại thức ăn Trong cùng điều kiện môi trường như nhau, nếu loại vi sinh vật nào theo đặc tính trao đổi chất của mình, có khả năng đồng hóa được nhiều thức ăn nhất, thì loài đó chiếm vai trò chủ đạo trong môi trường. Nếu hai loài vi khuẩn cùng trong một môi trường dinh dưỡng và cùng có thể sử dụng được dung dịch dinh dưỡng thì chúng cùng sinh trưởng. Nếu một trong hai loài vi khuẩn không thể sử dụng hoàn toàn chất dinh dưỡng thì loài đó không thể tồn tại lâu được vì thiếu khả năng tạo năng lượng. Khi hai loài vi khuẩn đều có thể đồng hóa một loại thức ăn với tốc độ như nhau. Nhưng nếu trong hai loài vi khuẩn đó, loài này lớn hơn loài kia, thì số lượng mỗi loài sẽ tùy thuộc khối lượng tế bào chất. Chẳng hạn, loài vi khuẩn A có khối lượng gấp hai lần loài vi khuẩn B, thì số lượng vi khuẩn B sẽ tạo ra gấp đôi số lượng vi khuẩn A, nhưng tổng khối lượng của mỗi loài đều bằng nhau. Thông thường, loài vi khuẩn lớn không thể đồng hóa chất hữu cơ với tốc độ như loài vi khuẩn nhỏ hơn. Nguyên nhân là do tổng diện tích bề mặt tiếp xúc của loài vi khuẩn lớn sẽ nhỏ hơn. Đa số vi khuẩn có kích thước như nhau và cùng sống lâu trong môi trường không quen thuộc. Pseudomonas hầu như có thể đồng hóa được mọi chất hữu cơ và sống lâu ở mọi môi trường. Vì vậy loài này là loài đầu tiên có trách nhiệm phân hủy chất hữu cơ trong công trình vệ sinh. Loài Alcaligenes và Flavobacterium cũng quan trọng gần như Pseudomonas vì chúng có thể đồng hóa trước tiên là protein. Ở nơi nào có protein thì ở đó có Alcaligenes và Flavobacterium. Đối với nấm, tảo, động vật nguyên sinh Protozoa cũng diễn ra sự cạnh tranh tương tự vì thức ăn. Chúng đều có kiểu trao đổi chất với chất dinh dưỡng tan, nhưng kích thước của chúng khác nhau nên tốc độ trao đổi chất khác nhau. Vi khuẩn nhỏ nhất nên có tốc độ trao đổi chất lớn nhất. Sau đó là nấm đến Protozoa. Ở dung dịch chất hữu cơ đậm đặc, với điều kiện hiếu khí, tất cả vi sinh vật đều phát triển nhưng vi khuẩn đóng vai trò chủ đạo. Ở dung dịch yếu của chất hữu cơ thì Protozoa không thể làm gì được để sống. 2.2. Loài này ăn loài khác Một trong những kiểu cạnh tranh quan trọng là cạnh tranh giữa thực vật và động vật. Thực vật sử dụng thức ăn dạng tan, trong khi đó động vật lại dùng thức ăn dạng rắn không tan. Thực vật là thức ăn cho động vật. Với nghĩa thực thì động vật và thực vật không cạnh tranh nhau vì thức ăn, mà chúng chỉ có liên quan tới sự cạnh tranh mà thôi. 2.3. Mối quan hệ mật độ cá thể giữa các quần thể vi sinh vật Điều kiện môi trường và các yếu tố ngoại cảnh: như đã nói ở trên, ảnh hưởng rất nhiều đối với quần thể vi sinh vật. Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 11
  8. TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Vi khuẩn chủ đạo thứ cấp Trong hỗn hợp các quần thể vi khuẩn, loại nào sử dụng được cơ chất thì sẽ sinh trưởng nhanh. Khi cơ chất đã bị khử thì vi sinh vật cũng chết và tạo chất nhầy, giải phóng nhiều hợp chất của tế bào ra môi trường – dung dịch. Các hợp phần của tế bào chủ yếu là protein. Kết quả là Flavobacterium và Alcaligenes có khả năng sinh trưởng và phát triển. Khi đó ta gọi những loài này là chủ đạo thứ cấp hai bậc hai. Khái niệm này rất quan trọng khi xử lý nước thải công nghiệp, đòi hỏi phải có những vi sinh vật chủ đạo bậc một với chuyên môn cao! Thời gian tiếp xúc quá lâu có thể làm giảm hiệu suất do quần thề vi sinh vật bậc một quá ít. Hình 2. 3 Đồ thị về các loài vi khuẩn chủ đạo sơ cấp và thứ cấp Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 12
  9. TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Động học quần thể Protozoa Hình 2. 4 Sự sinh trưởng tương đối của các loài vi sinh vật khi xử lý nước thải chứa chất hữu cơ Ghi chú: số lượng các loài vi sinh vật không trong cùng tỷ lệ. Tính chủ đạo của Protozoa đi kèm rất mật thiết với tính chủ đạo của vi khuẩn. Vì rất dễ nhìn dưới kính hiển vi cho nên Protozoa là những loài chỉ thị quí giá đối với chu trình sinh học và trong việc xử lý nước thải. Mastigophora, Flagellates không bao giờ phát hiện được nhiều ở nước thải, trừ nước rất bẩn và mới nhiễm bẩn. Loài Phytoflagellates phải cạnh tranh với vi khuẩn để giành lấy cơ chất tan, và chúng thường bị thất bại. Loài Zooflagellates thường có ưu thế hơn Phytoflallates lại kém hơn so với loài Ciliates bơi tự do trong việc bắt vi khuẩn. Chừng nào vi khuẩn còn nhiều thì Ciliates bơi tự do cũng sẽ nhiều. Khi quần thể vi khuẩn giảm, thì Ciliates bơi tự do lại phải nhường chỗ cho loài Ciliates có tiêm mao. Ciliates có tiêm mao đớp những hạt lơ lững và nuốt qua ống rất nhanh. Chúng yêu cầu năng lượng rất ít nên có thể sống lâu hơn ở nơi ít quần thể vi khuẩn. Khi môi trường đã được ổn định thì ciliates có tiêm mao cũng không sống nổi vì không đủ năng lượng nữa và phải nhường chỗ cho Rotifers và những động vật bậc cao hơn. Những loài này có thể sử dụng các chất là những xác chết của vi khuẩn hoặc các hạt lơ lửng hữu cơ khác. Mối quan hệ giữa vi khuẩn và tảo Mối quan hệ giữa tảo và vi khuẩn rất khắng khít và là quan hệ hỗ sinh. Hai loài này không thể cạnh tranh với nhau vì thức ăn, nhưng hoạt động của chúng tùy thuộc lẫn nhau. Vi khuẩn đồng hóa chất hữu cơ trong điều kiện hiếu khí để thành CO2 và nước. Tảo sử dụng CO2 và giải phóng oxy. Kiểm tra phân tích các hiện tượng sinh hóa cho thấy: vi khuẩn đồng hóa các chất hữu cơ phức tạp với sự có mặt của oxy để thành tế bào mới CO2, amon, và các chất vô cơ để chuyển thành tế bào mới và giải phóng oxy. Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 13
  10. TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Hình 2. 5 Mối quan hệ hỗ sinh giữa tảo và vi khuẩn Nuôi cấy đặc biệt Trong xử lý nước thải công nghiệp, nhiều khi phải nuôi cấy các loài đặc biệt và thuần khiết. Tuy nhiên rất khó hiện thực hóa ý niệm này. Hỗn hợp các loài vi sinh vật luôn đạt kết quả khả quan hơn là một loài thuần khiết. Do vậy người ta thường chỉ bổ sung các loài thuần khiết đặc biệt vào hỗn hợp các quần thể vi sinh vật để thay đổi loài chủ đạo mà thôi. Đương nhiên tính chủ đạo của vi sinh vật này tùy thuộc môi trường và người ta phải cho thêm một khối lượng lớn vi sinh vật thuần khiết trong một khoảng thời gian ngắn. 3. XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG CÁC QUÁ TRÌNH TỰ NHIÊN 3.1. Cánh đồng tưới, cánh đồng lọc Sau khi lắng ở bể đợt một, nước thải được xả ra cánh đồng. Ở đó diễn ra quá trình oxy hóa sinh hóa các chất hữu cơ trong điều kiện hiếu khí. Ở nơi nào tạo thành điều kiện yếm khí thì ở đó quá trình oxy hóa bị cản trở. Ở đây quá trình oxy hóa sinh hóa chất hữu cơ trong nước thải diễn ra được là nhờ các loại vi sinh vật, sinh vật. Những quần thể sinh vật đất cũng gồm: vi khuẩn, nấm, tảo, các loài động vật hạ đẳng và động vật không xương. Những cơ thể sống này trong quá trình hoạt động sẽ thực hiện quá trình tự làm sạch đất sau khi tưới nước thải. Tỷ lệ và số lượng giữa các loài khác nhau nhưng nói chung, kích thước càng nhỏ thì số lượng sinh vật sống trong cùng một dung tích đất sẽ càng nhiều. Trong đất nhiều nhất là vi khuẩn, rồi thứ tự là nấm, tảo và động vật hạ đẳng. Sở dĩ như vậy là vì mỗi loài sinh vật đất đều có nhiều nhu cầu khác nhau. Khả năng thỏa mãn tất cả những nhu cầu đó sẽ càng cao nếu hạng mục nhu cầu của sinh vật càng ít. Mặt khác, thời gian trưởng thành ở sinh vật lớn hơn sẽ lâu hơn so với sinh vật nhỏ. Như thế khả năng di truyền cho thế hệ sau của sinh vật lớn cũng sẽ ít hơn. Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 14
  11. TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Vi khuẩn trong đất có tưới nước thải. Trong đất có tưới nước thải chứa hai nhóm vi khuẩn là: vi khuẩn riêng của đất và vi khuẩn từ nước thải đưa vào. Lượng nước thải của vi khuẩn đưa vào chỉ bằng 1% lượng vi khuẩn của đất. Như vậy chỉ sau một mùa thì số vi khuẩn của nước thải sẽ bằng số vi khuẩn của đất. Hai nhóm vi khuẩn này đồng thời có quan hệ đối kháng và cộng sinh. Sau một thời gian một số sẽ chết, chủ yếu là vi khuẩn ăn chất đạm và vi khuẩn thối rữa, đường ruột. Còn đa số sẽ thích nghi với điều kiện mới, tồn tại, phát triển và làm thay đổi thành phần cấu trúc của đất. Cấu trúc của đất, thành phần tính chất nước thải, tiêu chuẩn tưới và điều kiện khí hậu… là những yếu tố quyết định ảnh hưởng tới sự hình thành quần thể sinh vật, tức là ảnh hưởng tới hiệu quả xử lý nước thải. Những quá trình oxy hóa sinh hóa diễn ra chủ yếu là ở lớp đất trên cùng với chiều dầy chừng 40cm. Trong lớp này sẽ tồn tại “ màng sinh vật”- tức là các vi sinh vật mà chủ yếu là vi khuẩn. Chúng thực hiện quá trình oxy hóa sinh hóa. Khi lọc nước qua đất, phần lớn vi khuẩn bị giữ lại, còn nước thì thấm qua. Vi khuẩn bị giữ lại là do khe hở giữa các hạt đất rất nhỏ và cơ bản là do có sự tương tác điện hóa giữa các vi khuẩn và màng sinh vật. Hạt đất càng nhỏ thì hấp phụ vi khuẩn càng mạnh (xem bảng 2.1). Khả năng hấp phụ của màng sinh vật rất lớn. Theo Strôganôv (1938- Lapsin, Strôganôv) thì với diện tích 1m2 mặt đất với chiều dày 40cm thì tổng diện tích hấp phụ của những tế bào vi khuẩn là 48.000 m. Tốc độ lọc nước qua màng sinh vật cũng rất chậm, chỉ khoảng 1cm/giờ . Bảng 2. 1 Sự hấp thụ vi khuẩn Bact Ptrodigiosum của các loại hạt đất (theo Misustin) Loại cát Kích thước hạt (mm) Số % tế bào bị hấp phụ Cát 1,0-0,5 2 Bụi cát 0,25- 005 6 Bụi lớn 0,05 – 0,01 72 Bụi nhỏ 0,005 – 0,0015 95 Bùn 0,0015 100 Màng sinh vật không hình thành ngay khi tưới nước thải, mà phải qua một đến hai tuần, khi lớp đất trên cùng phát triển đủ các quần thể sinh vật. Lúc đầu vi khuẩn của nước thải vào đất chủ yếu là vi khuẩn hoại sinh – sử dụng chất hữu cơ. Sau đó trong quá trình nitrat hóa, phát triển những vi khuẩn tự dinh – sử dụng chất vô cơ, phần lớn là vi khuẩn nitra hóa. Trong đất bình thường số vi khuẩn nitrat hóa không quá 10.000 tế bào/1g đất. Nhưng đất ở cánh đồng lọc tới 1 triệu tế bào/ 1g đất. Nhờ có sự sống – hoạt động của số đông vi khuẩn nitrat hóa như vậy cho nên về mùa hè trên mỗi hecta cánh đồng lọc có thể thu được 70kg nitrat trong một ngày. Để oxy hóa muối amon, cần tiêu thụ 260kg oxy/ngđ. Ngoài ra để oxy hóa các chất hữu cơ chức cacbon, tiêu thụ 160kg oxy/ngđ. Như vậy trên một ha, tổng cộng tiêu thụ 420kg/ngđ. Do đó phải đảm bảo thoáng khí, không được ứ động bùn ở cánh đồng. Những khu đất tất không bị ứ đọng bùn có thể giữ lại tất cả các loại vi khuẩn gây bệnh và 99,99% trực khuẩn đường ruột. Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 15
  12. TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Nấm. Đa số nấm là loại hiếu khí, vì nấm không có khả năng quang hợp nên nguồn cacbon chủ yếu lấy từ các chất hữu cơ chứa cacbon (tinh bột, cellulose, acid béo, rượu cao phân tử, paraphin…), nguồn nitơ là muối amon, nitrat, đôi khi cả pepton, axit amin. Tảo. Gồm chủ yếu là tảo xanh lam, tảo lục. Lượng tảo trong đất cũng nhiều, từ 100.000 đến 3 triệu/1cm3 đất. Khi xử lý nước thải, vai trò của tảo trong đất là: tạo oxy. Bất kì một nguồn bổ sung oxy nào cũng rất quan trọng vì phải tiêu thụ rất nhiều để oxy hóa chất hữu cơ. Do vậy sự phát triển của tảo trong đất rất cần thiết, đặt biệt đối với đất kém thoáng khí. Các loại động vật: Gồm động vật hạ đẳng và loài không xương. Loài hạ đẳng – Protozoa: gồm loại giả túc và có tiêm mao. Chúng là loài hiếu khí chỉ sống ở lớp đất trên cùng: có tới 500.000 con/1g đất. Nguồn dinh dưỡng chủ yếu của Protozoa là vi khuẩn. Vai trò của chúng trong việc xử lý nước thải ở cánh đồng chỉ giới hạn ở chỗ chúng tiêu diệt vi khuẩn, đặc biệt là tế bào vi khuẩn giả, tạo điều kiện dễ dàng cho các tế bào vi khuẩn khác sinh sản và xuất hiện nhiều thế hệ vi khuẩn trẻ có hoạt tính sinh hóa mạnh hơn. Kết quả là quá trình oxy hóa sinh hóa được tăng cường. Động vật không xương gồm giun, bọ. Vai trò của chúng là làm xốp đất lọc ở trên. Điều này quan trọng khi đất ứ đọng bùn. Ngoài ra trong ruột động vật không xương, nhiều chất bền vững như xenlulo, chitin, keratin, v.v …hoàn toàn bị phân hủy thành CO2, nước và amoniac. Như vậy nghĩa là các vi khuẩn trong ruột động vật không xương sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho vi khuẩn ở đất làm việc tốt. Ngoài vi sinh vật, động vật trên đây, cần phải kể tới các loài thực vật. Thực vật sẽ hấp thụ các nguyên tố dinh dưỡng trong đất, cạnh tranh với vi khuẩn nitrat hóa vì chúng cùng sử dụng muối amon. Rễ cây sẽ làm cho đất xốp và thoáng khí. 3.2. Hồ sinh vật hay hồ Oxy hóa Cấu tạo hồ. Hồ sinh vật là loại công trình được sử dụng phổ biến để xử lý nước thải của thị trấn, khu dân cư nhỏ. Hồ thường rộng và nông. Nước thải được dẫn vào một điểm ở giữa hoặc phía đầu hồ và được xả ra ở một hay ở nhiều điểm ở phía cuối hồ. Hồ thường sâu từ 0,6 -1,2 m và thậm chí 3- 6 m, tùy thuộc từng loại hồ. Chiều sâu hồ khống chế ít nhất từ 0,5 - 0,6 m với mục đích ngăn ngừa cỏ mọc. Ngược lại nếu hồ sâu quá 6 m sẽ làm điều kiện khuấy trộn và ánh sáng kém đi. Nếu hồ nông thì diện tích mặt thoáng phải rộng. Mức độ khuấy trộn tự nhiên tùy thuộc vào tốc độ gió. Ở những hồ rộng và nông thì khuấy trộn tốt hơn là hồ hẹp và sâu. Ban đầu người ta sử dụng hồ để xử lý nước thải gọi là xử lý bậc hai: nước thải trước khi xả vào hồ phải qua bể lắng đợt một. Như vậy phải xây dựng một tổ hợp công trình với bể lắng và một bể xử lý cặn, do đó giá thành xây dựng và quản lý sẽ đắt. Sau này, lại có xu thế tổng hợp tất cả các công trình đó lại: lắng, lên men cặn và oxy hóa được thực hiện trong cùng một hồ, gọi là hồ yếm khí tùy tiện. Khi đó giá thành xây dựng và quản lý sẽ giảm đi. Ngày nay, người ta sử dụng hồ sinh vật để xử lý bậc hai hoặc bậc ba – tức là xử lý triệt để chất thải. Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 16
  13. TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Bản thân tên gọi là hồ oxy hóa cũng nói lên đó là công trình xừ lý nước thải trong điều kiện hiếu khí. Tuy nhiên cũng tồn tại vùng yếm khí hoặc vùng tùy tiện, gần giống như ở bể lọc sinh vật hay ở cánh đồng tưới nước thải. Sự phân hủy chất hữu cơ thực hiện nhờ sinh vật mà chủ yếu là vi khuẩn, một phần nhỏ nhờ Protozoa. Vi khuẩn sẽ tạo thành CO2 và nước trong điều kiện yếm khí; tạo axit hữu cơ trong điều kiện yếm khí. Chỉ khi tạo CO2 và nước – là sản phẩm trao đổi cuối cùng thì BOD của nước ra khỏi hồ mới thấp. Muốn vậy phải đảm bảo cho hệ hoạt động trong điều kiện hiếu khí. Người ta nói rằng, tảo có thể đảm bảo cho hồ ở điều kiện hiếu khí. Tuy nhiên không phải như vậy, mà làm thoáng được thỏa mãn bởi tổ hợp cả từ bề mặt lẫn nhờ phản ứng sinh hóa. Tảo thu năng lượng ánh sáng mặt trời và các chất vô cơ trong nước để tổng hợp nguyên sinh chất của mình. Một trong những phản ứng kèm theo trong việc tổng hợp nguyên sinh chất là giải phóng oxy. Nhiều người cho rằng oxy do tảo giải phóng sẽ cung cấp đủ cho vi khuẩn phân hủy chất hữu cơ. Thực tế thì không đủ cho vi khuẩn và Protozoa được, trừ trường hợp chúng có nguồn dinh dưỡng bổ sung và nhiều hơn nguồn dinh dưỡng lấy từ nước thải là sản phẩm trao đổi chất của vi sinh vật. Khi xem xét quá trình trao đổi chất ta thấy vi khuẩn phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện hiếu khí, tạo nguyên sinh chất mới, CO2, nước – là những sản phẩm cuối cùng. Tảo tiếp thu CO2 do vi khuẩn tạo ra, nước, muối khoáng vô cơ để biến thành nguyên sinh chất của mình. Sự giải phóng oxy tỷ lệ với lượng CO2 bị phân hủy. Tất nhiên nguồn oxy không phải là CO2 mà là từ nước. Nước còn là nguồn hydro nữa. Điều này có nghĩa là nguồn bổ sung oxy còn phải lấy từ nguồn khác nữa nếu muốn duy trì hệ ở trạng thái hiếu khí. Ở những vùng nước cứng, trong nước có bicacbonat và cacbonat để cung cấp bổ sung cho tảo nguồn cacbon, nhưng không liên quan đến quá trình trao đổi chất ở nước thải. Tuy nhiên việc tiêu thụ bicacbonat và cacbonat sẽ dẫn đến kết quả là: oxy do tảo giải phóng ra sẽ nhiều hơn lượng oxy vi khuẩn yêu cầu. Thậm chí nước sẽ trở nên bão hòa oxy. Khi phân tích cân bằng vật chất của chu trình trao đổi cho thấy: vi khuẩn sẽ sản sinh ra khối lượng – 180g chất hữu cơ từ 450g BOD toàn phần đã bị khử. Để việc trao đổi chất của tảo được duy trì ở điều kiện hiếu khí thì tảo phải tạo được 150g chất hữu cơ. Vì nước thải thô chỉ chứa khoảng 300g chất hữu cơ trong 400g BOD toàn phần, nên hiệu suất sẽ là: 300 chất hữu cơ của nước thải biến hết thành 300g chất hữu cơ dạng nguyên sinh chất của vi khuẩn và tảo. Thực chất, chất hữu cơ chỉ biến từ dạng này sang dạng khác mà thôi. Khi có ánh sáng mặt trời thì tảo không yêu cầu oxy lấy năng lượng cần thiết từ mặt trời. Nhưng về đêm, không có áng sáng mặt trời thì tảo sẽ tiêu thụ oxy cũng giống như vi khuẩn để trao đổi nội bào. Sự tiêu thụ oxy của nguyên sinh chất đã hình thành sẽ ít hơn oxy tiêu thụ của các tế bào của bản thân nước thải, cho nên tốc độ tiêu thụ oxy sẽ giảm dần theo sự chuyển hóa này. Làm thoáng bề mặt cũng là nguồn oxy không được bỏ qua, vì hồ nông và rộng thì gió sẽ thổi trên mặt hồ và khuấy trộn nước hồ. Nếu hồ thiếu hụt oxy của không khí sẽ hòa trộn với nước và bổ sung cho sự thiếu hụt đó. Về đêm khi tảo yêu cầu oxy như vi khuẩn thì sự là thoáng bề mặt sẽ cung cấp oxy và giữ cho hệ ở trạng thái hiếu khí. Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 17
  14. TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Kích thước của hồ oxy hóa phải được thiết kế đủ rộng để hồ vừa đảm bảo lắng tốt vừa oxy hóa tốt. Những hạt cặn trơ, bền vững không bị phân hủy sinh hóa sẽ cùng với vi sinh vật lắng xuống và trôi theo nước. Lượng vi khuẩn sẽ nhiều nhất ở những nơi có chất hữu cơ, nhưng sẽ giảm dần về phía cuối hồ, nơi xả nước đi. Nhiều vi sinh vật do trao đổi nội bào, chết và lắng xuống trước khi nước qua ống xả. Như vậy chất hữu cơ bị oxy hóa sẽ được tách ra khỏi nước trước khi xả nước ra nguồn – sông. Rõ ràng dung tích hồ phải đủ để chứa cặn lắng và vi sinh vật. Hình 2. 6 Sơ đồ hoạt động của hồ sinh vật Vi sinh vật trong hồ. Cũng như ở các công trình xử lý khác cùng chức năng: chủ yếu là vi khuẩn và tảo. Ngoài ra còn Protozoa, giả túc Rotifers. Loại vi sinh vật nào chiếm ưu thế chủ đạo trong hồ là tùy thuộc tải trọng chất bẩn và các yếu tố vật lý khác. Ở hồ tải trọng thấp (nuớc ít bẩn) thì số chủng loại nhiều hơn so với hồ nước bẩn. Hồ có hỗn hợp nhiều loại nước thải chảy vào thì số loài vi sinh vật cũng nhiều hơn so với hồ chỉ có một loại nước thải chảy vào. Những loài vi khuẩn chủ yếu là Pseudomonas, Flavobacterium, Alcalogenes. Vi khuẩn Coli chết nhanh do sản phẩm kháng sinh của tảo và các vi khuẩn khác tiết ra. Coli không cạnh tranh nổi thức ăn với các loài vi khuẩn khác. Sự phát triển của tảo tùy thuộc vào các loai chất dinh dưỡng và mức dinh dưỡng. Những loài Phytoflagellates và Euglena, Chlorella sẽ phát triển ở nơi có nồng độ chất dinh dưỡng cao. Chúng có thể trao đổi bằng quang hợp hoặc hóa hợp và do đó góp phần vào việc phân hủy chất hữu cơ. Kích thước của chúng ngăn cản chúng cạnh tranh thức ăn với vi khuẩn. Những loài Phytoflagellates nhỏ sẽ đòi hỏi năng lượng nhiều và chiếm ưu thế chủ đạo hơn so với các loài tảo khác, khi mức dinh dưỡng cao. Tảo xanh thường sống ở nơi mức dinh dưỡng giảm và năng lượng không đủ cho khối lượng lớn của Phytoflagellates hoạt tính. Một trong những loài điển hình là: Spirogyra, Vaucheria và Ulothrix. Số loại chất dinh dưỡng sẽ xác định chính xác dạng nào là chủ đạo. Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 18
  15. TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Khi có chất dinh dưỡng thì Protozoa cũng có mặt. Nếu nước chảy vào với nồng độ chất hữu cơ cao thì kích thích các loài Flagelates (chẳng hạn Chinamonas) phát triển nhưng đồng thời cũng mở đường cho Ciliates giả túc bơi tự do như Colpidium, Paramecium, Glaucoma, Euplotes phát triển. Khi lượng vi khuẩn giảm thì Ciliates giả túc như Vorticella và Episriles sinh trưởng phát triển. Khi nước ít bẩn, tải trọng chất hữu cơ thấp và lượng oxy nhiều thì các loài động vật bậc cao như Daphnia, Rotaria xuất hiện. Những loài động vật động cao có thể sử dụng tảo, vi khuẩn cho nên nước ra khỏi hồ chứa ít vi khuẩn và tảo. Như vậy động vật cũng đóng vai trò làm trong nước. 4. ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH TĂNG TRƯỞNG CỦA VI SINH VẬT Để đảm bảo vi sinh vật có thể tồn tại trong môi trường thì chúng ta phải được phép tái sản xuất với một lượng đủ. Giai đoạn này phụ thuộc vào tốc độ tăng trưởng, nó liên quan trực tiếp đến tốc độ chuyển hóa hoặc sử dụng chất thải. Nếu trong một môi trường thích hợp cho sự tăng trưởng và phát triển của vi sinh vật khả năng chuyển hóa chất hữu cơ phụ thuộc vào tốc độ tăng trưởng của vi sinh vật. 4.1. Tăng trưởng tế bào Trong cả hệ thống xử lý liên tục lẫn từng mẻ tốc độ tăng trưởng của vi khuẩn có thể được xác định bằng phương trình sau: rg= µX (1-1) Với rg: tốc độ tăng trưởng của vi khuẩn (sinh khối/ đơn vị thể tích x thời gian) µ: tốc độ tăng trưởng riêng, (thời gian -1) X: nồng độ của vi khuẩn, (sinh khối/ đơn vị thể tích) Do dX/dt = rB đối với hệ thống xử lý từng mẻ, do đó: dX/dt= µX (1-2) 4.2. Ảnh hưởng của nồng độ chất nền Trong nuôi cấy mẻ, nếu những thành phần cần thiết cho sự tăng trưởng như chất dinh dưỡng, một số nguyên tố vi lượng,… chỉ hiện diện với một hàm lượng giới hạn, nó sẽ gây ảnh hưởng hạn chế đến tốc độ tăng trưởng ,những chất đó được gọi là chất giới hạn quá trình sinh trưởng.(Hình 2.7 ) Qua thí nghiệm , người ta thấy rằng ảnh hưởng của các chất giới hạn sinh trưởng costheer được biểu hiện qua nuối cấy liên tục, tăng trưởng bị giới hạn. Theo thí nghiệm, người ta thấy rằng ảnh hưởng của việc giới hạn cơ chất hay chất dinh dưỡng có thể được biểu hiện qua phương trình Monod như sau: µ= µm.S/(Ks + S) (1-3) Với µ: tốc độ tăng trưởng riêng, (thời gian-1) µm: tốc độ tăng trưởng tối đa,(thời gian-1) Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 19
  16. TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG S: nồng độ của cơ chất giới hạn tăng trưởng, (khối lượng cơ chất/ đơn vị thể tích) Ks: hằng số tốc độ bán phản ứng, là nồng độ cơ chất mà tốc độ tăng trưởng riêng bằng nửa tốc độ tăng trưởng tối đa (µ= 1/2µm), ( khối lượng cơ chất/ đơn vị thể tích). Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất trên tốc độ tăng trưởng riêng được trình bày trong (Hình 2.7). Nếu giá trị của µ từ phương trình (1-3) được thay thế vào phương trình (1-1) thì tốc độ tăng trưởng được biểu diễn là: µ rg = µmXS(Ks + S) (1-4) s Hình 2. 7 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của giới hạn dinh dưỡng lên tốc độ tăng trưởng đặc biệt. 4.3. Tăng trưởng tế bào và sử dụng cơ chất Trong cả hai hệ thống tăng trưởng liên tục và từng mẻ, một phần cơ chất được chuyển hóa thành tế bào mới và một phần được oxy hóa thành sản phẩm cuối vô cơ và hữu cơ. Do lượng tế bào mới được sản xuất đại diện cho số cơ chất, mối tương quan giữa hai giá trị: tốc độ sử dụng cơ chất và tốc độ tăng trưởng được thể hiện như sau: rg= -Yrsu (1-5) Với rg: tốc độ tăng trưởng của vi khuẩn, (sinh khối/ đơn vị thể tích x thời gian) Y: hệ số hiệu quả cực đại, mg/mg (được định nghĩa như là tỉ số giữa sinh khối của tế bào hình thành và sinh khối cơ chất tiêu thụ, việc đó được thực hiện trong suốt giai đoạn tăng trưởng logarith) rsu : tốc độ sử dụng cơ chất, (sinh khối/ đơn vị thể tích x thời gian) Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 20
  17. TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Hiệu quả phụ thuộc vào các yếu tố: (1) Trạng thái oxy hóa của nguồn carbon và những nguyên tố vi lượng (2) Độ polimer hóa của cơ chất (3) Các con đường chuyển hóa (4) Tốc độ tăng trưởng (5) Các thông số vật lý trong quá trình nuôi cấy Nếu giá trị rg từ phương trình (1-4) được thay vào phương trình (1-5), tốc độ cơ chất sử dụng có thể được xác định như sau: rsu = - µmXS/Y(Ks + S) (1-6) Ở phương trình (1-6), giá trị µm/Y thường được thay thế bằng giá trị k, được định nghĩa là tốc độ sử dụng cơ chất tối đa trên một đơn vị sinh khối vi sinh vật. k= µm/Y (1-7) Thay thế giá trị k vào phương trình (1-6) ta được: rsu= -kXS/(Ks + S) (1-8) 4.4. Ảnh hưởng của chuyển hóa nội bào Trong hệ thống sinh học xử lý nước thải, do tuổi của tế bào làm cho không phải mọi tế bào đều tăng trưởng ở pha logarith. Hơn nữa khi biểu diễn tốc độ tăng trưởng chúng ta phải hiệu chỉnh với lượng năng lượng cần thiết để tế bào duy trì sự sống và những nhân tố khác như sự chết hay bị làm mồi cho sinh vật khác,… cũng phải được đề cập. Thường thì các nhân tố này được gộp lại với nhau và giả thiết rằng độ giảm sinh khối do những nguyên nhân này tương ứng với nồng độ vi sinh vật hiện diện. Sự giảm này gọi chung là phân hủy nội bào. Khái niệm phân hủy nội bào có thể được công thức hóa như sau: rd= -kdX (1-9) Với rd: phân hủy nội bào kd: hệ số phân hủy nội bào (thời gian-1) X: nồng độ tế bào, (sinh khối/ đơn vị thể tích) Kết hợp phương trình (1-9) với (1-4) và (1-5) ta được tốc độ tăng trưởng thật: rg’= rg- rd Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 21
  18. TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG rg’= µmXS/(Ks + S)- kdX (1-10) rg’= -Yrsu- kdX (1-11) Với rg’: tốc độ tăng trưởng thật của vi khuẩn, (sinh khối/ đơn vị thể tích x thời gian) Tốc độ tăng trưởng riêng thật được cho phương trình (1-12) µ’= µ- kd µ’= µm.S/(Ks +S) - kd (1-12) Với µ’: tốc độ tăng trưởng riêng thật, (sinh khối/ đơn vị thể tích x thời gian) Ảnh hưởng của hô hấp nội bào lên hiệu quả tăng trưởng thật của vi khuẩn được tính toán dựa vào phương trình: Yobs = -rg’/rsu (1-13) 4.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ Nhiệt độ là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình xử lý sinh học. Nhiệt độ không những ảnh hưởng lên hoạt động chuyển hóa của quần thể vi sinh vật mà còn ảnh hưởng liên quan đến những nhân tố như tốc độ trao đổi khí và đặc tính lắng của chất rắn. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên tốc độ phản ứng của quá trình sinh học như sau: rr=r20Ф(T-20) (1-14) Với rr: tốc độ phản ứng ở T0C r20: tốc độ phản ứng ở 200C Ф: hệ số hoạt hóa nhiệt (nhiệt hoạt động) T: nhiệt độ, oC Bảng 2. 2 Hệ số nhiệt hoạt động đối với các quá trình xử lý sinh học Giá trị Ф Quá trình Khoảng giá trị Giá trị trung bình Bùn hoạt tính 1,00 - 1,08 1,04 Hồ oxy hóa 1,04 -1,10 1,08 Bể lọc hiếu khí 1,02 - 1,08 1,035 Bảng 2. 3 Hệ số động học đối với quá trình bùn hoạt tính của nước thải sinh hoạt Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 22
  19. TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Giá trị Hệ số Đơn vị Khoảng giá trị Giá trị trung bình d-1 k 2 -10 5 mg/LBOD5 25 -100 60 Ks mg/LCOD 15 -70 40 Y mgVSS/mgBOD5 0,4 – 0,8 0,6 d-1 kd 0,025 – 0,075 0,06 Bảng 2. 4 Hệ số động học đối với quá trình phân hủy kỵ khí các loại cơ chất Giá trị Hệ số Đơn vị Giá trị trung Khoảng giá trị bình Y mgVSS/mgBOD5 0,040 – 0,100 0,060 Bùn sinh hoạt d-1 Kd 0,020 – 0,040 0,030 Y mgVSS/mgBOD5 0,040 – 0,070 0,050 Acid béo d-1 Kd 0,030 – 0,050 0,040 Carbonhydrate Y mgVSS/mgBOD5 0,020 – 0,040 0,024 d-1 Kd 0,025 – 0,035 0,03 Y mgVSS/mgBOD5 0,050 - 0,090 0,075 Protein d-1 Kd 0,010 – 0,020 0,014 5. QUÁ TRÌNH TỰ LÀM SẠCH CỦA NGUỒN NƯỚC MẶT Sông hồ là những công trình thiên nhiên hoặc nhân tạo, là những nguồn cung cấp nước mặt đồng thời là nơi tiếp nhận nước mưa, nước thải sinh hoạt, công nghiệp,…Tất cả các nguồn nước chảy về sông hồ đều mang theo các chất bẩn hữu cơ, vô cơ. Ở những điều kiện bình thường thích hợp thì những chất đó kích thích sự phát triển của sinh vật. Ở những dòng sông, suối, vùng núi cao thì sự sống của sinh vật đơn điệu, nghèo nàn hơn, và ít chất dinh dưỡng hơn. Nhưng những con sông chảy qua vùng đồng bằng phì nhiêu màu mỡ, dân cư đông đúc, trù phú thì sự hoạt động sống của sinh vật rất phong phú vì đầy đủ chất hữu cơ - chất dinh dưỡng. Nếu các chất bẩn (theo lượng từng chất và số loại chất) vừa đủ phù hợp với khả năng đồng hóa của sinh vật thì các quá trình sinh hóa sẽ diễn ra trong điều kiện hiếu khí và có lợi cho con người. Nếu các chất bẩn quá nhiều, vượt quá khả năng đồng hóa của sinh vật thì các dạng sinh vật thượng đẳng phải chết và chỉ có vi khuẩn phát triển, tạo điều kiện yếm khí, gây tổn thất cho con người. Khi đó ta hiểu là nguồn nước sông hồ bị nhiễm bẩn. Ngày nay do sự phát triển đô thị, công nghiệp và nền kinh tế xã hội nói chung, các dòng sông sẽ bị ô nhiễm bẩn quá mức và là mối lo ngại lớn cho con người. 5.1. Quá trình tự làm sạch Quá trình tự làm sạch của nguồn nước có thể chia thành 2 giai đoạn: • Quá trình xáo trộn – pha loãng giữa các dòng chất bẩn với khối lượng nguồn nước. Đó là quá trình vật lý thuần túy. Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 23
  20. TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG • Quá trình tự làm sạch với nghĩa riêng của nó. Đó là quá trình khoáng hóa các chất bẩn hữu cơ - hay rộng hơn, đó là quá trình chuyển hóa - phân hủy các chất bẩn hữu cơ nhờ các thủy sinh vật, vi sinh vật. Ở mức độ nhất định, dù ít dù nhiều tất cả những cơ thể sống đó đều tham gia vào quá trình, đồng thời chúng sinh trưởng - sinh sản (kể cả chết) và phát triển. Sinh khối của chúng tăng lên. Trong các dòng sông chảy, các dòng chất sẽ pha loãng với nước sông trên một khoảng nhất định. Trong suốt khoảng chiều dài đó có thể phân biệt các vùng sau đây: • Vùng xả chất bẩn (A) • Vùng xáo trộn hoàn toàn (B) • Vùng bẩn nhất, ở đó oxy hòa tan ít nhất (C) • Vùng phục hồi - ở đó kết thúc quá trình tự làm sạch (D) (hình 2.8) Hình 2. 8 Các vùng nhiễm bẩn của dòng chảy Hình 2. 9 Ảnh hưởng của chất bẩn đối với sự sống – hoạt động của vi sinh vật trong nước sông Cường độ quá trình tự làm sạch phụ thuộc nhiều yếu tố: dung tích nước sông, tốc độ dòng chảy, điều kiện làm thoáng hòa tan oxy theo bề mặt, chiều sâu dòng chảy, nhiệt độ, thành phần hóa lý của nước, tính chất các chất bẩn,…Trước hết ta hãy xét một số khái niệm cơ bản sau: Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 24

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

AMBIENT
Đồng bộ tài khoản