Đồ án Bước đầu xây dựng cơ sở tài liệu lý thuyết cho phương pháp xử lý nước thải bằng vi sinh vật hiếu khí

ợc khi có oxi hoà 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 có mùi khó chịu. Còn một số loài vi khuẩn hiếu khí trong quá trình phân huỷ chất hữu cơ, nếu thiếu hoàn toàn oxi hoà tan, chúng có thể tự điều chỉnh để thích nghi với môi trường gọi là vi khuẩn hiếu khí tuỳ nghi. Ngược lại cũng tồn tại một loài vi khuẩn kỵ khí, khi có oxi hoà tan trong nước chúng không bị chết mà lại làm quen được với môi trường hiếu khí gọi là vi khuẩn kỵ khí tuỳ nghi. Sự tự điều chỉnh để thích nghi với môi trường có sự thay đổi của oxi hoà tan của vi khuẩn hoại sinh là rất quan trọng trong quy trình phân huỷ chất hữu cơ của nước thải trong các công trình xử lý. Nhiệt độ nước thải có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình hoạt động và sinh sản của vi khuẩn, phần lớn vi khuẩn hoại sinh hoạt động có hiệu quả cao và phát triển mạnh mẽ ở nhiệt độ từ 20 – 40oC. Một số loài vi khuẩn trong xử lý cặn phát triển ở nhiệt độ 50 - 60oC. Khi duy trì các điều kiện môi trường: thức ăn, nhiệt độ, pH, oxy, độ ẩm thích hợp để vi khuẩn phát triển thì hiệu quả xử lý sinh học trong công trình sẽ đạt hiệu quả cao nhất. Tuy nhiên không phải tất cả các loại vi khuẩn đều có lợi cho quá trình sinh hoá, một vài trong số chúng là loài gây hại, trong đó có hai loài vi khuẩn tiêu biểu có 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 không có hiệu quả, sinh khối sẽ không gắn kết lại và theo các dòng chảy sạch đã qua xử lý ra ngoài. Một dạng vi khuẩn có hại khác tồn tại trong lượng bọt dư thừa trong các bể phản ứng sinh hoá, phát sinh từ các hệ thống thông gió để tuần hoàn 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): có khả năng oxi hoá chất vô cơ để thu năng lượng và sử dụng CO2 làm nguồn carbon cho quá trình sinh tổng hợp. Trong nhóm này có vi khuẩn nitrate hoá, vi khuẩn sắt, vi khuẩn lưu huỳnh… 3.2.2 Virus và thực khuẩn thể Virus là những sinh vật cực nhỏ (kích thước khoảng 20 ÷ 100 nm). Chúng không có cấu tạo tế bào, thành phần hoá học rất đơn giản, chỉ bao gồm protein và acid nucleic, virus chỉ chứa ADN hoặc ARN, không thể sống độc lập mà phải sống kí sinh vào tế bào chủ. Mỗi virus có một loại tế bào chủ tương ứng, virus bám vào tế bào chủ rồi xâm nhập vào nội bào, phần acid nucleic được giải phóng ra khỏi vỏ bọc. Virus có nhiều dạng: virus của động vật có hình quả cầu, hình trứng (virus đậu gà), hình hộp vuông hay hình chữ nhật (đậu bò), hay hình gậy…virus thực vật có hình quả cầu hay hình que dài (virus đốm lá, thuốc lào). Sự hiện diện của virus trong nước thải sẽ ảnh hưởng không tốt cho quá trình xử lý. Thực khuẩn thể là virus của vi khuẩn, có khả năng làm tan các tế bào vi khuẩn rất nhanh. Thực khuẩn có hình dáng giống quả chuỳ, phần đuôi cán có sợi móc để bám vào vỏ của tế bào vi khuẩn, rồi làm tan một lỗ nhỏ trên vỏ tế bào, phần acid nucleic bên trong của virus sẽ nhanh chóng xâm nhập vào nội bào. Trong nước thải thường có những vi khuẩn gây bệnh cho người và động vật, kèm theo có cả những thực khuẩn thể tương ứng với từng loại vi khuẩn đó. Do đó khi thấy có thực khuẩn thể trong nước thải người ta có thể kết luận được sự có mặt của vi khuẩn tương ứng. 3.2.3 Vi nấm (Fungi) Nấm có cấu tạo cơ thể đa bào, hiếu khí, và thường thuộc loại cơ thể sinh vật dị dưỡng. Chúng lấy dưỡng chất từ các chất hữu cơ trong nước thải. Cùng với vi khuẩn, nấm chịu trách nhiệm phân hủy các chất hữu cơ có trong nước thải. Về mặt sinh thái học nấm có hai ưu điểm so với vi khuẩn: nấm có thể phát triển trong điều kiện ẩm độ thấp và pH thấp. Không có sự hiện diện của nấm, chu trình carbon sẽ chậm lại và các chất thải hữu cơ sẽ tích tụ trong môi trường. Các giống nấm thường gặp trong nước thải là Saplogeria và Leptomus. 3.2.3.1 Nấm men Nấm men thuộc cơ thể đơn bào, chúng có hình dạng không ổn định, thường là hình cầu, hình ellip, hình bầu dục và cả hình dài. Tế bào nấm men thường có kích thước lớn gấp 5 – 10 lần tế bào vi khuẩn, kích thước trung bình của nấm men là dài 9 - 10μm và rộng 2 - 7μm. Nấm men phân huỷ các chất hữu cơ hạn chế hơn nhưng chúng có thể lên men được một số đường thành rượu, acid hữu cơ, glycerin trong điều kiện kị khí và phát triển tăng sinh khối trong điều kiện kị khí. 3.2.3.2 Nấm mốc Nấm mốc được phân bố rộng rãi trong tự nhiên, chúng không phải là thực vật cũng không phải là động vật nên chúng hoàn toàn khác với vi khuẩn và nấm men. Nấm mốc có khả năng phân huỷ được các chất hữu cơ khó phân huỷ như xenlulozơ, hemixenlulozơ và lingnin. Nói chung vi sinh dạng nấm có kích thước lớn hơn vi khuẩn và không có vai trò trong giai đoạn phân huỷ ban đầu các chất hữu cơ trong quá trình xử lý nước thải. Mặc dù nấm có thể sử dụng các vật chất hữu cơ tan trong mối quan hệ cạnh tranh với các vi khuẩn, nhưng chúng dường như không cạnh tranh tốt trong quá trình sinh trưởng lơ lửng hay ở điều kiện bám dính, trong môi trường bình thường, vì vậy không tạo thành sự cân đối trong hệ thống vi trùng học. Nói cách khác khi không cung cấp đủ oxi và nitơ hoặc khi pH quá thấp, nấm có thể sinh sản nhanh, gây ra các vấn đề ảnh hưởng tương tự như các vi khuẩn dạng sợi. 3.2.4 Tảo (Algae) ánh sáng Tảo là nhóm vi sinh vật tự dưỡng quang hợp, có diệp lục và có khả năng sử dụng CO2 hoặc bicacbonat làm nguồn cacbon và nguồn nitơ, photpho vô 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 có thể do vi sinh vật hoạt động trong nước, phân huỷ các chất hữu cơ tạo thành cung cấp cho tảo hoặc từ không khí. Tảo có tầm quan trọng trong quá trình xử lý sinh học bởi 2 lý do: Trong thuỷ vực chúng có khả năng tạo ra oxy qua quá trình quang hợp là sự sống của hệ sinh thái môi trường nước. Đối với ao hiếu khí hoặc ao oxy hoá kỵ khí không 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 không phải là sinh vật gây hại, nhưng chúng có thể gây ra một số vấn đề trong quá trình xử lý nước thải. Tảo phát triển làm cho nước có màu sắc, thực chất là màu sắc của tảo. Tảo xanh Aphanizomenon blosaquae, Anabaena microcistic…làm cho nước có màu xanh lam. Tảo Oscilatoria rubecens làm cho nước ngả màu hồng. Khuê tảo (Melosira, Navicula) làm cho nước có màu nâu. Chrisophit làm cho nước có màu vàng nhạt. Tảo phát triển còn làm cho nước có nhiều mùi khó chịu như mùi cỏ, mùi thối… 3.2.5 Nguyên sinh động vật (Protozoa) Bên cạnh nhóm vi khuẩn thì nhóm nguyên sinh động vật cũng góp phần quan trọng trong các quá trình xử lý nước thải. Chúng thuộc vào nhóm động vật sống trôi nổi trong nước,có cấu tạo cơ thể đa bào, hầu hết sống hiếu khí hoặc yếm khí không bắt buộc chỉ có một số loài 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 có thể được coi như là các chất chỉ thị của nước thải, vì sự có mặt của chúng có nghĩa là bùn hoạt tính thích hợp với cơ chất có trong nước thải. Các nguyên sinh động vật còn ăn các vi khuẩn và các vi sinh vật khác do đó, nó đóng vai trò 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 có trong môi trường các chất hữu cơ có thể đồng hoá 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 khoáng khác như K, Mg, Ca…và các yếu tố vi lượng như Fe, Cu, Zn, Mn…Các chất khoáng và vi lượng này thường có 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 đôi 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 môi trường thay đổi, các chất dinh dưỡng cạn kiệt, pH và nhiệt độ thay đổi ra ngoài 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 đôi 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).Thôøi gian Giaù trò log cuûa soá löôïng vi khuaån Giai ñoaïn phaùt trieån chaäm Giai ñoaïn taêng tröôûng theo quy luaät logarit Giai ñoaïn oån ñònh Giai ñoaïn cheát theo logarit Hình 3.1: Ñöôøng cong bieåu dieãn caùc giai ñoaïn phaùt trieån cuûa vi khuaån veà soá löôïng theo thang logarit. 3.3.1 Giai đoạn làm quen Vi khuẩn vào môi trường chưa sinh sản ngay mà còn cần một thời gian làm quen với môi trường, cần cảm ứng sinh tổng hợp các enzyme thích hợp với cơ chất. 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 → 3.3.2 Giai đoạn phát triển theo số mũ. Các tế bào vi khuẩn sinh sản theo cách phân đôi tế bào đạt đến mức độ cao nhất theo tỉ lệ tái tạo tế bào với nồng độ cơ chất không hạn chế. Tốc độ sinh trưởng tính theo % là không đổi, giai đoạn này được đánh giá bởi thời gian sinh trưởng tg (thời gian để tăng gấp đôi số lượng vi khuẩn tối thiểu). Ở giai đoạn này tốc độ sinh trưởng dX/dt tăng tỉ lệ thuận với X (từ đó có được đường cong hàm số mũ). Ta có phương trình sau: Với μm là tỉ lệ sinh trưởng cực đại hoặc log Thời gian sinh trưởng tg được xác định với X2 = 2X1 → tg = 3.3.3 Giai đoạn chậm dần Trong giai đoạn này cơ chất dinh dưỡng trong môi 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 môi trường tích tụ các sản phẩm ức chế được sinh ra trong quá trình chuyển hoá chất trong tế bào vi khuẩn. X tiếp tục tăng, nhưng 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 còn hoạt động chuyển hoá nào đó. 3.3.5 Giai đoạn suy vong. 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 hô 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 môi trường hiếu khí và kị khí. Gía trị của các thông số phụ thuộc vào các loài vi sinh vật, hàm lượng cơ chất và nhiệt độ, pH của môi trường vi sinh vật sống. CHƯƠNG 4: XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG VI SINH VẬT TRONG ĐIỀU KIỆN HIẾU KHÍ 4.1 MÔ TẢ QUÁ TRÌNH Trong nước thải sinh hoạt, nước thải của các xí nghiệp chế biến nông sản, thực phẩm, thuỷ sản, các trại chăn nuôi…rất giàu các chất hữu cơ, gồm 3 nhóm 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, còn 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 có khoảng 20 – 40% hàm lượng các chất hữu cơ không bị phân huỷ bởi vi sinh vật. Số lượng các vi sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn, có 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 có 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. Đó là các sản phẩm có khối lượng phân tử thấp có 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 hoá 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, đó thực chất là các quá trình oxi hoá – khử sinh học (quá trình hô hấp nội bào). Sản phẩm cuối cùng là CO2 và nước. 4.2 HOÁ SINH HỌC CỦA QUÁ TRÌNH PHÂN HUỶ CHẤT HỮU CƠ TRONG ĐIỀU KIỆN HIẾU KHÍ Sự phân giải chất dinh dưỡng và giải phóng năng lượng của tế bào vi khuẩn (sự dị hoá) có thể được chia thành 2 giai đoạn cơ bản: Giai đoạn thuỷ phân (phân huỷ ngoại bào): Quá trình này xảy ra bên ngoài 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 có khối lượng phân tử nhỏ hơn để có 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 có nhiều oxy: (C6H10O5)n → n C2H12O6 → 6CO2+ 6H2O + 674 Kcal + Nếu có 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 đó được phân huỷ tiếp trong tế bào thành các acid amin. Protein Enzyme phân giải Protein ngoại bào Polypeptide Olygopeptid Peptidaza Acid amin - 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 phóng 1 acid béo rồi kết hợp với phân tử nước thứ hai, thứ ba và giải phóng acid béo thứ hai rồi thứ ba tạo thành glycerin và các acid béo. 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 có thể biểu diễn ngắn gọn như sau: Các chất hữu cơ trong nước thải Lipid Hydratcacbon Protein Acid béo Đường đơn Acid amin Hình 4.1 Tiến trình thuỷ phân của vi sinh vật trong nước thải 4.2.2 Giai đoạn oxy hoá Quá trình oxi hoá – khử do hệ enzyme nội bào xúc tác – Xitocrom và Xitocromoxidaza. Các enzyme oxi hoá – khử này gồm có 2 cấu tử: nhóm chính và nhóm phụ. Nhóm 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 có oxy và nước mà các phản ứng oxy hoá 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 hoá – khử đảm bảo cho đời sống và phát triển của các vi khuẩn hiếu khí có chuỗi hô 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 thoái hoá của các chất glucid, lipid và protein. Nó được hình thành do sự β – oxi hoá acid béo, do sự oxy hoá của khoảng một nửa số α – amino acid cũng như do sự oxy hoá hiếu khí glucose. Acetyl CoA được hình thành ở giai đoạn này sẽ bị oxy hoá hoàn toàn trong chu trình Krebs (chu trình citrate) để hình thành CO2, H2O và giải phóng năng lượng. Phần lớn năng lượng được giải phóng ở giai đoạn này (khoảng 2/3 tổng năng lượng của quá trình). Trong giai đoạn này, khoảng 30 – 40% năng lượng hoá 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 hoá qua chuỗi hô hấp để tạo nên năng lượng và H2O. Năng lượng giải phóng được tích trữ ở các phân tử ATP. Toàn bộ quá trình được minh hoạ bằng sơ đồ trên hình 4.2. 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 Hình 4.2 Tiến trình oxy hoá sinh học của vi khuẩn 4.3 VI SINH VẬT HỌC CỦA QUÁ TRÌNH PHÂN HUỶ CHẤT HỮU CƠ TRONG ĐIỀU KIỆN HIẾU KHÍ 4.3.1 Các nhóm vi sinh vật chủ yếu trong giai đoạn thuỷ phân Các nhóm này được gọi chung là vi khuẩn thuỷ phân, chúng rất đa dạng về chủng loại và có 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 nhóm 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. Trong quá trình phân huỷ các hợp chất hữu cơ, để vi sinh vật có thể sử dụng được, chất nền đơn giản phải là chất hoà tan, có 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 có thể bị phân huỷ bởi enzyme nội bào dễ dàng. Bên cạnh đó, một số chất nền phức tạp khác là những chất không tan được hoặc ít tan, có cấu trúc phức tạp và không 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 có 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, có 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 có 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 có 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 công trình xử lý sinh học. Thứ nhất, giai đoạn thuỷ phân làm nhiệm vụ biến đổi và hoà tan các cơ chất phức tạp thành cơ chất đơn giản bởi vì vi sinh vật chỉ có thể hấp thụ và phân giải các cơ chất ở dạng hoà tan mà thôi. Thứ hai, trong bất kỳ công 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 hoà tan và phân giải các thành phần tế bào đã chết đó, 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 loài của các vi khuẩn và enzyme tương ứng. Số lượng enzyme tiết ra có đủ hay không. Các điều kiện vận hành có nằm trong khả năng cho phép hay không. Cấu trúc phân tử của chất nền. Các chất nền có độ hoà tan cao và cấu trúc đơn giản được thuỷ phân trước. Ví dụ, đường là chất được phân giải trước vì các điều kiện sau: Tất cả các ezyme xúc tác cần thiết đã có sẵn trong môi trường. Tốc độ phản ứng sinh hoá nhanh. Điều kiện sống thuận lợi cho vi khuẩn. Các chất như kitin, chất béo được thuỷ phân chậm hơn. Vi sinh vật thuỷ phân tinh bột Trong nước thải có rất nhiều nhóm vi sinh vật có khả năng thuỷ phân tinh bột. Một số vi sinh vật có khả năng tiết ra môi trường đầy đủ các loại enzyme trong hệ enzyme amilaza như một số loại nấm thuộc chi Aspergillus, Fusarius, Rhizopus, Actinomyces… Trong nhóm vi khuẩn có một số loài thuộc chi Bacillus, Cytophaga, Pseudomonas, Azotobacter… Xạ khuẩn cũng có một số chi có khả năng phân huỷ tinh bột. Đa số các vi sinh vật không có khả năng tiết đầy đủ hệ enzyme amilaza phân huỷ tinh bột. Chúng chỉ có thể tiết ra môi trường một hoặc một vài men trong hệ đó. Ví dụ như các loài Aspergillus candidus, A. niger, A. oryzae, Bacillus subtilis, B. mesenterices, Clostridium pasteurianum, C. butiricum… chỉ có khả năng tiết ra môi trường một loại enzyme α – amilaza. Các loài Aspegillus oryzae, Clostridium acetobutilicum… chỉ tiết ra môi trường β – amilaza. Một số loài khác chỉ có khả năng tiết ra môi trường enzyme glucoamilaza. Các nhóm này liên kết với nhau trong quá trình phân huỷ tinh bột thành đường. Giống Pseudomonas là những trực khuẩn gram âm, chuyển động do có tiên mao mọc ở một đầu. Trực khuẩn có thể là hình que thẳng hoặc hơi cong, không tạo thành bào tử và phát triển ở điều kiện hiếu khí. Nhiều loài của giống này ưa lạnh, nhiệt độ tối thiểu là -2 đến 5oC, tối thích là 20 – 25oC. Tất cả Pseudomonas đều có hoạt tính amilaza và proteaza, đồng thời lên men được nhiều loại đường và tạo màng nhầy, pH môi trường dưới 5,5 sẽ kìm hãm vi khuẩn Pseudomonas phát triển và kìm hãm sinh tổng hợp proteaza. Nồng độ muối trong nước tới 5 – 6% thì sinh trưởng của vi khuẩn này bị ngừng trệ. Vi khuẩn Bacillus cũng tồn tại khá lâu trong nước thải và phân huỷ được nhiều dạng các hợp chất hữu cơ, đặc biệt là protein và tinh bột. Là trực khuẩn rất phổ biến trong tự nhiên, hay gặp nhất là Bacillus subtilis (trực khuẩn khoai tây) và Bacillus mesentericus (trực khuẩn cỏ khô). Chúng có hình que, gram dương, sinh bào tử đứng riêng rẽ hoặc kết thành chuỗi hoặc thành sợi, là giống sinh bào tử, sống hiếu khí hoặc kỵ khí tuỳ tiện, thường sinh enzyme proteaza và amilaza. Hai loài Bacillus này tăng trưởng trong khoảng nhiệt độ từ 5 - 50oC có nhiệt độ sinh trưởng thích hợp là 35 – 45oC. Ở môi trường có pH dưới 4,5 chúng ngừng phát triển. Vi sinh vật thuỷ phân protein Muốn phân giải protein, cũng giống như các hợp chất cao phân tử khác, đầu tiên các vi sinh vật phải tiết ra các men phân giải protein ngoại bào và làm chuyển hoá protein thành các hợp chất có phần tử nhỏ hơn (các polypeptide, olygopeptid). Các chất này tiếp tục được phân huỷ thành acid amin nhờ các men peptidaza ngoại bào. Có rất nhiều loài vi sinh vật tham gia phân huỷ protein, trong đó đáng chú ý là các loài sau: Vi khuẩn: Bacillus mycoides, B. mesentericus, B. subtilis, B.cereus, B. megaterium, Proteus vulgaris, Chromobacterium prodigiosum, Pseudomonas fluorescens, P. aeruginosa, Alcaligenes, Flavobacterium … Xạ khuẩn và nấm: Streptomyces griseus, S. rimosus, S. fradiae, Aspergillus oryzae, A. flavus, Penicillium camemberti, Ceplialothecium… Vi sinh vật thuỷ phân lipid Lipid (este phức tạp của glycerin và acid béo) được nhiều loài vi khuẩn sử dụng. So với các cơ chất khác thì đây là cơ chất được thuỷ phân với tốc độ chậm. Bước đầu tiên để phân huỷ lipid là phân giải chúng thành glycerin và các acid béo được xúc tác nhờ enzyme lipase nội bào hoặc ngoại bào. Các vi sinh vật tham gia thuỷ phân lipid chủ yếu là các loài sau: Pseudomonas, Vibrio, Sarcina, Serratina, Bacillus, Achromobacter, Micrococus… Vibrio là vi khuẩn hiếu khí tuỳ tiện, phần lớn thuộc gram âm, hình dạng thuộc phảy khuẩn, có khả năng di động nhanh và không tạo bào tử. Serratina tế bào có hình cầu phân cách theo 3 mặt phẳng trực giao với nhau tạo thành những khối từ 8 - 16 tế bào (hoặc nhiều hơn nữa), không có khả năng di động và không sinh bào tử. 4.3.2 Các nhóm vi sinh vật oxy hoá cơ chất Một số vi sinh vật vừa đảm nhiệm chức năng thuỷ phân cơ chất đồng thời oxy hoá cơ chất. Trong khi đó, một số nhóm vi sinh vật khác chỉ có thể oxy hoá cơ chất mà thôi. Vi sinh vật oxy hoá đường đơn Các nhóm vi sinh vật hiếu khí có khả năng phân huỷ triệt để các loại đường đơn thành CO2 và H2O qua chu trình Krebs. Các loài vi khuẩn điển hình có khả năng oxy hoá các loại đường đơn là Sphaerotilus natans, S. discophorous, Azotobacter, Beijerinckia, và một số chủng Bacillus như Bacillus subtilis, Bacillus mesentericus, Bacillus megatherium, Bacillus mycoides… - Sphaerotilus natans là vi khuẩn Gram âm, không sinh bào tử, hình que, kích thước khoảng 4 – 10 μm, bên ngoài có vỏ bọc dày. Vỏ là phức protein – polysaccharide – lipid được bao bọc xung quanh tế bào được cấu tạo từ polysaccharide đơn giản hơn với thành phần chất dinh dưỡng không ổn định. - Azotobacter có tế bào từ hình que tới hình cầu, khi còn non tế bào có hình que với kích thước khoảng 2 – 7 μm, di động nhờ tiên mao mọc khắp cơ thể, khi già tế bào mất khả năng di động, kích thước thu nhỏ lại như hình tròn, là loài ưa