Đồ án Nghiên cứu xử lý nước thải các loại thuốc vitamin bằng phương pháp bùn hoạt tính hiếu khí

n chroman gắn các nhóm thế tạo thành tocol. + benzen dihydro pyran chroman tocol c. Tính chất Vật lý - Dầu nhờn, màu vàng sáng, không tan trong nước, acid loãng và kiềm loãng, tan trong ether, alcol tuyệt đối, bezen, chloroform. - Bền với acid, kiềm, chịu nhiệt đến 400C. - Bị tia UV phá hủy, dễ bị oxi hóa mất hoạt tính. Hóa học - Nhân chroman: hấp thu bức xạ UV nên có thể định tính, định lượng dựa vào phổ này. - Nhóm –OH ở vị trí 6: có thể este hóa với acid acetic, palmitic (dạng bền nhất). Tạo thành dẫn xuất quinon có màu. - Oxy hóa: Vitamin E là chất che chở cho các chất dễ bị oxy hóa khác. 3.2.1.4 Vitamin K a. Nguồn gốc Thực vật: bông cải xanh, xà-lách xon, rau xanh… chứa vitamin K1. Động vật: bột cá, gan, sữa, thịt … chứa vitamin K2. b. Cấu trúc Các vitamin K có cấu trúc quinon = metyl-2-naphtoquinon-1,4. naphtalen naphtoquinon – 1,4 2–metylnaphtoquinon–1 (vit K) c. Tính chất Vật lý - Vitamin K1: dầu lỏng sánh, màu vàng tươi, d = 0,976 ; kết tinh ở -200C - Vitamin K2: tinh thể màu vàng tươi, nhiệt độ nóng chảy 53-540C. - Vitamin K3: bột kết tinh màu vàng sáng, mùi mạnh, vị nóng, nhiệt độ nóng chảy 105-1070C. Hóa học - Phản ứng khử: 2 nguyên tử H có thể khử vitamin K3 (cómàu) thành naphtohydroquinol không màu (Vitamin K4), khi gặp ẩm thì chất này lại chuyển lại thành quinon có màu. vitamin K3 có màu vitamin K4 không màu - Phản ứng oxy hóa: Vitamin K3 bị oxy hóa dưới ảnh hưởng của ánh sáng và không khí và ngưng tụ thành dimer mất tác dụng cầm máu. Phản ứng xảy ra do liên kết đôi ở giữa 2 nhóm ceton nên rất linh động. Do đó cần bảo quản Vitamin K trong điều kiện tránh ánh sáng và không khí. Vitamin K1 dioxan nước H2O2 Na2CO3 vitamin K1 oxyd của vitamin K1 3.2.2 Vitamin tan trong nước 3.2.2.1 Vitamin B1 C12H18N4OSCl2 PTL: 337,27 Tên khoa học: 3-[4-amino-2-metylpyrimidin-5-yl)metyl]-5-(2-hydroxyetyl)-4-metylthiazolium hydroclorid. a. Nguồn gốc: Thực vật: trong men, mầm lúa mì, cám gạo, đậu tương, đậu phọng… Động vật: trong gan, thận, thịt heo, lòng đỏ trứng, sữa… b. Cấu trúc: Phân tử Vitamin B1 gồm nhân pyrimidin và nhân thiazol nối với nhau bằng cầu metylen ở C5 của pyrimidin và C3 của thiazol. pyrimidin thiazon Nhân pyrimidin hay metadiazin: là dị vòng 6 cạnh có 2N ở vị trí 1 và 3 (meta). Trong Vitamin B1 thì pyrimidin mang nhóm –CH3 ở vị trí 2 nhóm amin bậc I ở vị trí 4 Nhân thiazol: là thiofen có N ở vị trí 3. Thiofen là dị vòng lưu huỳnh có 5 cạnh. Trong Vitamin B1 thì thiazol mang nhóm –CH3 ở vị trí 4 nhóm b-hydroxy etyl là một alcol bậc I ở vị trí 5 Cầu -CH2- nối 2 nhân với nhau ở vị trí 3 của thiazol và 5 của pyrimidin, đây là phần không bền của phân tử. c. Tính chất Vật lý: tinh thể không màu hay bột kết tinh trắng, hơi đắng. Dễ tan trong nước, tan được trong glycerol, khó tan trong alcol, thực tế không tan trong ether. Hóa học: - Thiamin có tính chất của alcol do mang các nhóm b hydroxyetyl ở nhân thiazol nên có thể este hóa với acid palmitic, stearic, hydrocloric, nitric. - Phản ứng với tác nhân mang tính kiềm: thiamin chuyển thành dạng baz với đồng phân pseudo-baz rồi mở vòng thiazol. thiamin dạng bazo - Oxy hóa trong môi trường kiềm: chuyển sang dạng psedo-baz rồi khử nước và đóng vòng tạo thành thiocrom không còn tác dụng sinh học. Thiamin pseudobaz dẫn xuất oxy hóa thiocrom - Tác dụng của chất khử: phản ứng xảy ra được là do nitơ của thiazol trong thiamin ở dạng amoni bậc IV (nhân thiazol có nitơ hóa trị III không cho phản ứng). Các chất khử có thể chuyển thiamin thành dihydrothiamin không còn tác dụng của vitamin nữa. Điều này giải thích tại sao những thực phẩm đóng hộp và bảo quản bằng chất khử hóa lại giảm tỷ lệ vitamin rất mạnh. Do đó cũng cần thận trọng khi chọn chất bảo quản cho ống tiêm vitamin B1 là các tác nhân khử hóa tương tự như Na hydrosulfit. thiamin dihydrothiamin 3.2.2.2 Vitamin B2 a. Cấu trúc: vitamin B2 có cấu trúc nhân flavin benzen ptéridin flavin = benzo-6,7 ptéridin (pyrimido – pyrazin) Nhân flavin được tạo thành do sự ngưng tụ giữa ortodiamin phenylen với alloxan. ortodiamin alloxan alloxazin iso alloxazin phenylen Cấu trúc của iso-alloxazin được thế ở vị trí 7 và 8 bằng nhóm metyl, vị trí 10 bằng nhóm ribose. C17H20N4O6 PTL: 376,4 Tên khoa học: 7,8 dimetyl 10 [(2S,3S,4R) 2,3,4,5 tetrahydroxypentyl] Benzo{g}pteridine -2,4-dion hay dimetyl -7,8- (D-ribityl-1) – iso – alloxazin. b. Tính chất: Vật lý: bột kết tinh trắng hoặc hơi trắng hay tinh thể không màu, dễ tan trong nước, tan được trong glycerol, ít tan trong alcol. Hóa học - Phản ứng với các tác nhân khử do hệ thống oxy hóa khử - Tác động của ánh sáng lumiflavin lumichrom (alloxazin) - Tác động của kiềm 3.2.2.3 Vitamin B3 C6H6N2O PTL: 122,1 Tên khoa học: pyridin-3-carboxamid a. Cấu trúc Vitamin PP là amid của acid nicotinic. Piperidin là dịvòng 6 cạnh có chứa Nitơ mà khi dehydro hóa thì được pyridin có 3 liên kết đôi. Gắn nhóm –COOH lên vị trí 3 sẽ được acid nicotinic. Amid hóa acid nicotinic thì được amid của acid nicotinic hay nicotinamid (niaciamid) piperidin pyridin acid nicotinic nicotinamid b. Tính chất Vật lý: bột kết tinh trắng hoặc tinh thể không màu, dễ tan trong nước và alcol. Hóa học: cho phản ứng tạo tủa, tạo màu. - Phản ứng của amid: thủy phân trong môi trường kiềm tạo NH3 và muối của acid nicotinic NH3 + - Phản ứng của nhân pyridin Với natri carbonat khan: trộn với vitamin PP rồi đốt sẽ có mùi pyridin khó ngửi. Với cyanogen bromid (phản ứng Koenig) Ngoài ra, vitamin PP còn tạo tủa với 1 số thuốc thử chung của alkaloid như với thủy ngân (II) clo cho tủa trắng, kali iodobismutat cho tủa đỏ. 3.2.2.4 Vitamin B5 C9H17O5N PTL: 219,24 aicd dimetyl-3,3 dihydroxy-2,4 butyric acid b-amino propionic (acid pantoic) (b - alanin) Tên khoa học: D(+)-N-(2,4-dihydroxy-3,3-dimetyl butyryl)-b-alanin. a. Cấu trúc: Là một b-amino acid được tạo bởi liên kết peptid giữa b-alanin với acid butyric thay thế. b. Tác dụng dược lý Là thành phần chủ yếu của coenzym A. 3.2.2.5 Vitamin B6 a. Nguồn gốc Thực vật: trong mầm ngũ cốc, rau cải xanh, trái cây. Động vật: thịt, sữa, gan, thận, lòng đỏ trứng. pyridoxol pyridoxal pyridoxamin Tên khoa học: pyridoxol : (5-hydro-6-metylpyridin-3,4-diyl) dimethanol C8H11O3N?HCl PTL: 205,64 b. Cấu trúc: Vitamin B6 có cấu trúc pyridoxin là dẫn xuất từ pyridin. c. Tính chất Vật lý: bột kết tinh trắng. Dễ tan trong nước, tan được trong alcol, thực tế không tan trong ether. Hóa học: Do nhân pyridin mà vitamin có tính baz nên: - Có thể tạo muối với các acid: với acid hydrocloric tạo muối ydroclorid dễ tan là dạng dược dụng, với acid silico – vonframic, phosphovonframic, sulfuric tạo kết tủa có thể áp dụng để định lượng. - Có thể định lượng bằng acid trong môi trường khan. Do nhóm -OH ở vị trí 3: phản ứng tạo màu: các pyridoxin có tính acid yếu - Có thể tạo muối khi tác dụng với các muối khác. Với FeCl3 tạo muối phức có màu đỏ. - Tác dụng với 2,6-dicloroquinon clorimid cho màu xanh. + - Dễ tham gia phản ứng thế ở vị trí ortho hay para so với nhóm –OH này. -Tác dụng với các muối diazoni tạo phẩm màu qzoic, tuy nhiêm màu không bền nên chỉ được dùng để định tính, còn nếu muốn định lượng thì phải cho thêm các ion kim loại thích hợp để tạo ra phức chất kim loại có màu bền vững. Thí dụ: tác dụng với muối diazon của sulfathiazol trong môi trường ethanol – nước, pH 6,5 – 7 có thêm kẽm clorid thì pyridoxol cho màu đỏ tím, pyridoxal cho màu vàng cam còn pyridoxamin cho màu đỏ bền vững. Phản ứng này có thể dùng để định tính, phân biệt các pyridoxin, định lượng bằng các phương pháp đo màu. + Do nhóm –OH ở vị trí 3 và nhóm hydroxymetyl ở vị trí 4: chỉ có pyridoxol tạo este vững bền với acid boric, pyridoxal và pyridoxamin thì không. Phản ứng này được dùng để phân biệt pyridoxol với 2 chất kia. + 2 Do nhóm hydroxymetyl ở vị trí 5: este hóa với acid phosphoric tạo ra coenzym của các men vận chuyển Nitơ: transaminaz. 3.2.2.6 Vitamin B8 C10H6N2O3S PTL: 244,3 Têân khoa học: 5[(3aS,4S,6aR)-2-oxohexahydrothienol[3,4-d]imidazol-4-yl] pentanoic acid. a. Cấu trúc dạng a dạng b Nhân thiophan hay tetrahydrothiophen bão hòa có chứa lưu huỳnh ở vị trí 1, ở vị trí 5 có acid valerianic (là monoacid bão hòa 5 carbon), acid này phân nhánh ở dạng a-biotin còn ở dạng b thì mạch thẳng. Nhân imidazol cũng bão hòa, ở vị trí 2' có nhóm ceton nên còn được gọi là vòng urê. Biotin có một số đồng phân, trong đó D biotin thiên nhiên (các nguyên tử H ở chỗ nối giữa hai nhân có vị trí cis với nhau) có hoạt tính gấp đôi DL biotin tổng hợp (các nguyên tử H có vị trí trans với nhau), còn L biotin thiên nhiên thì không có hoạt tính. cis – biotin trans – biotin không hoạt tính b. Tính chất Vật lý: bột kết tinh trắng hoặc tinh thể không màu, rất ít tan trong nước và alcol, thực tế không tan trong aceton, tan trong các dung dịch kiềm hydroxyd. Hóa học: - Thủy phân bằng kiềm sẽ mở vòng urê. - Hydro hóa bằng Niken Raney sẽ mở vòng thiophan. 3.2.2.7 Vitamin B9 a. Cấu trúc Acid folic hay ptéroglutamic gồm: 1 phân tử acid ptéroic (gồm 2 vòng tương ứng với ptéin gắn với acid para aminobenzoic) nối với acid glutamic bằng liên kết peptid - RCO.NH – R'. C19H19O7N6 PTL: 441,4 Tên khoa học: acid (2S)-2-[[4-[[(2-amino-4-oxo-1,4-dihydropteridin-6yl) etyl]amino]benzoyl]amino]pentanedioic. b. Tính chất Vật lý: bột kết tinh vàng nhạt hoặc cam, thực tế không tan trong nước và phần lớn các dung môi hữu cơ. Acid folic tan trong acid loãng và trong các dung dịch kiềm. Hóa học: Dạng kết tinh bền với nhiệt, không khí trong môi trường trung tính hay kiềm, không bền trong môi trường acid, ánh sáng và tia UV. Phổ hấp thu đặc trưng phụ thuộc pH của dung dịch và có cực đại trong vùng UV. 3.2.2.7 Vitamin B12 a. Nguồn gốc Chỉ có ở động vật trong thịt, sữa, formage. b. Cấu trúc NUCLEOTID R COBALTICORIN AMINOPROPANOL Baz Phosphat D – ribose Sơ đồ cấu trúc các thành phần chính từ trên xuống: Dây – R Cobalticorin Amino – alcol Nucleotid: gồm có phosphat + D-riboz + Baz c. Tính chất Vật lý: tinh thể hoặc bột kết tinh màu đỏ sậm, rất dễ hút ẩm, có thể đến 12% khối lượng nếu để tiếp xúc với không khí. Phân hủy ở trên 3000C. Tan trong nước, ether và alcol, thực tế không tan trong aceton và chloroform. Hóa học: - Do sự hiện diện của Co: vô cơ hóa bằng K2SO4 tạo thành CoSO4 cho màu xanh lơ với amoni cyanat. - Do baz dimetyl-5,6-benzimidazol cho sản phẩm phân hủy là dimetyl ortophenylen diamin, chất này ngưng tụ với aetylaceton tạo màu đỏ tía. - Do có hệ thống nối đôi liên hợp, lại chứa Co nên Vitamin B12 hấp thu mạnh bức xạ UV và khả kiến có thể áp dụng tính chất này để định tính và định lượng. 3.2.2.8 Vitamin C a. Nguồn gốc Chủ yếu ở thực vật: trái xanh, xà lách, chanh, cam, chuối, đậu ve, sữa, yaourt… b. Cấu trúc Furan dihydro furan aicd ascorbic Vitamin C là dẫn xuất của - Nhân furan 5 cạnh có dị tố oxy, carbon: có cầu oxyd giữa carbon 1 với 4 mang nhóm endiol ở vị trí 2 và 3 - Dây nhánh mang nhóm alcol ở vị trí 5 và alcol bậc ! ở vị trí 6 - Phân tử có 2 carbon bất đối xứng C4 và C5 c. Tính chất Vật lý - Tinh thể không màu hoặc bột kết tinh trắng, màu sẫm dần khi để ngoài không khí ẩm. Dễ tan trong nước, tan trong alcol, thực tế không tan trong ether. - Nhiệt độ nóng chảy là 1900C kèm theo sự phân hủy. Hóa học - Tính acid: acid ascorbic được xem như acid mạnh mặc dù không chứa nhóm –COOH. Kim loại Na có thể thế vào hydro ở vị trí 3 (nhóm endiol) rồi hỗ biến. - Tính oxy hóa sự oxy hóa - khử thuận nghịch: tính chất này rất quan trọng đối với tác dụng sinh học của acid ascorbic, nó có thể cho 2 nguyên tử hydro để trở thành acid dehydroascorbic, ở dạng này nó có thể nhận lại 2 hydro để trở lại thành acid ascorbic. Như vậy acid ascorbic tham gia vận chyển hydro, tức là tham gia vào các hệ xúc tác quá trình oxy hóa – khử xảy ra trong cơ thể. sự oxy hóa khử không thuận nghịch tạo ra acid 2,3-dicetogulonic, furfurol, CO2, nước. - Tính khử: nếu không có chất oxy hóa thì acid ascorbid dễ bị oxy hóa, các tác nhân xúc tác sự oxy hóa là ánh sáng, nhiệt độ, chất kiềm, vết đồng, sắt, các enzym. Acid ascorbic có thể khử thuốc thử Fehling, bạc Nitrat, 2,6 - diclorophenol indophenol, làm mất màu iod. Với AgNO3 +AgNO3 Với 2,6-diclorophenol indophenol + + 3.3. Tác động của vitamin C đối với môi trường: Trong tự nhiên, cấu trúc phân tử lưỡng cực (phân tử có một đầu thích nước và đầu kia kỵ nước) được hình thành dựa trên sự hiện diện của 2 hay nhiều phân tử giống nhau bị tác động bởi tương tác kỵ nước (đầu kỵ nước được hình thành vào phía trong, đầu thích nước hình thành một lớp bao bên ngoài). Đầu thích nước có thể hình thành từ các nhóm: các chất trung tính (-OH, -NR2, esters, ethers, amides), gốc mang điện tích dương (muối alkyl – ammonium), gốc mang điện tích âm (carboxylate, sulfate, phosphate). Đầu kỵ nước đựoc hình thành từ các chuỗi hydrocarbon. Kết quả từ việc tác động kỵ nước này hình thành nên một lõi trung tâm kỵ nước và lớp bao chặt chẽ thích nước bên ngoài làm giảm diện tích tiếp xúc của chúng với môi trường, tăng năng lượng cần thiết cho sự tách rời chúng, từ đó hình thành các lớp màng bền vững, khó phân huỷ trong môi trường nước. Hình 3.1 Sơ đồ cấu trúc của các phân tử lưỡng cực và sự kết hợp giữa chúng. Khi nghiên cứu trên 6 – O – stearoyl arcorbic, Balthasar và Cadenhead cho thấy chúng hình thành những lớp màng cô đặc ở bề mặt tiếp xúac giữa lớp nước và không khí. Hiện tượng này phụ thuộc vào: nồng độ 6 – O – stearoyl arcorbic, nhiệt độ, nồng độ ion tự do…. Hình 3.2 Sự hình thành lớp màng khi nồng độ cao 3. 4 Tình trạng thiếu vitamin Trong thời gian không được cung cấp từ thức ăn, cơ thể sử dụng phần vitamin dự trữ, lúc này có thể nhận thấy được ở tế bào sự rối loạn có liên quan đến sự vô hoạt của vài enzym. Lượng vitamin dự trữ của cơ thể thay đổi tùy loại. Các biểu hiện lâm sàng xuất hiện sau một thời gian dài bị thiếu, có thể thấy các biểu hiện lâm sàng không đặc hiệu dưới dạng suy nhược không giải thích được như: không thích ăn, sụt cân, mất ngủ hoặc bị kích thích mà không đặc trưng cho sự thiếu một vitamin cụ thể nào. Nghiên cứu ở những người tình nguyện và khỏe mạnh theo chế độ ăn thiếu vitamin B1 thì trong ngày đầu có thể dùng lượng vitamin dự trữ, sau đó rối loạn tế bào xuất hiện nhưng đến tháng sau thì mới thấy các dấu hiệu lâm sàng của sự thiếu vitamin.Bệnh do không có một hoặc nhiều vitamin gọi là avitaminose, bệnh do thiếu vitamin một cách tương đối, kết hợp với nhiều chất khác gọi là hypovitaminose. Nguyên nhân thiếu vitamin: Do dinh dưỡng Hiện nay trên thế giới chia thành 2 vùng: - Các nước công nghiệp phát triển (chiếm 1/3 dân số toàn cầu) có nhu cầu dinh dưỡng về số lượng (hàng ngày cung cấp 3000 calori) và chất lượng cao (lượng protein khoảng 40 g/ngày). - Các nước còn lại (chiếm 2/3) thì nhu cầu dinh dưỡng có thể hoàn toàn không được thỏa mãn về số lượng (£ 2000 cal/ngày) và chất lượng (lượng protein chỉ bằng 1/5). Ở các nước phát triển: - Mất cân bằng dinh dưỡng do lựa chọn thức ăn theo sở thích nên không đầy đủ các vitamin cần thiết. - Rối loạn hấp thu: do dùng nhiều thuốc có ảnh hưởng đến sự â hấp thu vitamin (kháng sinh, nhuận trường), phẫu thuật khiến cho dịch tiêu hóa bị giảm nên ít men, mật nên khó hấp thu các vitamin tan trong dầu. - Gia tăng nhu cầu: bệnh nhiễm khuẩn cần nhiều vitamin để tạo kháng thể, dùng chung với các thuốc có ảnh hưởng đến sự hấp thu của vitamin như kháng sinh phổ rộng, thuốc chống co giật, … Ở các nước kém phát triển: - Khí hậu: dân Bắc Phi ít phơi nắng nên thường thiếu vitamin D, dân ở sa mạc thiếu rau quả tươi nên thiếu vitamin C. - Mât độ dân cư và sự gia tăng dân số khiến cho nguồn lương thực tại địa phương không đủ cung cấp. - Tập quán ăn uống: không ăn thịt để tránh bệnh kí sinh trùng, ăn chay. Do các nguyên nhân khác - Do hấp thu bị cản trở - Avidin ở lòng trắng trứng tạo phức với biotin trong ruột ngăn cản hấp thu - Ethanol ở người nghiện rượu hoặc bị ngộ độc cấp làm tổn thương niêm mạc ống tiêu hóa nên giảm hấp thu vitamin B1, PP, B9, B12. - Thiaminase trong thịt cá nước lợ ở Nhật phân hủy vitamin B1. - Dược phẩm - Kháng sinh phổ rộng, sulfamid làm mất cân bằng hệ vi khuẩn ruột. Tương tác giữa các vitamin - Lượng vitamin A nhiều gây loãng xương ở cừu mặc dù lượng vitamin D được cung cấp đầy đủ. - Vitamin C cần cho vitamin B9 chuyển thành dạng hoạt động nên thiếu vitamin C sẽ gây thiếu vitamin B9. - Vitamin B6 cần thiết cho việc tổng hợp vitamin B3 từ tryptophan nên thiếu B6 sẽ làm thiếu vitamin B3. - Gia tăng nhu cầu: bệnh nhiễm khuẩn cần nhiều vitamin để tạo kháng thể, dùng các thuốc có ảnh hưởng đến sự hấp thu của vitamin như kháng sinh phổ rộng, thuốc ngừa thai, thuốc chống co giật… Tình trạng thừa vitamin Bệnh do thừa vitamin gọi là hypervitaminose, nguyên nhân do ăn uống nhưng ít gặp, vì cơ thể có cơ chế tự điều chỉnh trong quá trình hấp thu qua đường tiêu hóa, hoặc do lạm dụng thuốc. Các vitamin tan trong nước khi thừa thì không gây độc cho cơ thể như các vitamin tan trong dầu: vitamin A gây tăng áp suất hộp sọ, vitamin C có thể gây sỏi thận, B6 làm rối loạn thần kinh cảm giác, B12 gây thừa Co làm tăng sản huyết áp, tăng hồng cầu quá mức. 3.5 Chu trình xâm nhập của dược phẩm vào môi trường tự nhiên Dược phẩm được thải vào môi trường nước theo quá trình bài tiết của con người và động vật, và qua quá trình sản xuất thuốc. Người ta thống kê được rằng có 3 đường khác nhau. Nguồn gốc dược phẩm phục vụ con người bắt nguồn từ các hộ gia đình và các bện viện được thải vào các hệ thống xử lý nước thải. Những dược phẩm này có thể bị phân hủy một phần khi qua các quá trình xử lý nước thải và cuối cùng được thải ra sông. Qua quá trình sản xuất, dược phẩm xâm nhập vào môi trường nước một phần thông qua các hệ thống xử lý nước thải còn một phần khác xâm nhập vào môi trường đất. Dược phẩm cho người Cống thải Hệ thống XLNT Chất thải Môi trường đất Nước mặt Thuốc thú y Thuốc tăng trưởng Phân bón Đất trồng Bùn lắng Nước ngầm Nước sinh hoạt Sản xuất Hình 3.3: Chu trình của dược phẩm trong môi trường 4.1 Tóm tắt cơ sở lý thuyết của quá trình xử lý sinh học 4.1.1 Cơ sở của quá trình xử lý sinh học Bản chất của quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là sử dụng khả năng hoạt động của vi sinh vật để phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ có trong nước thải. Trong công trình xử lý sinh học, các chất ô nhiễm như chất hữu cơ hòa tan và các chất keo được vi sinh vật sử dụng làm nguồn thức ăn cho sự sinh trưởng của chúng. Trong quá trình tăng trưởng, vi sinh vật chuyển hóa các chất ô nhiễm thành CO2, H2O và các tế bào mới (sinh khối/bùn). Các chất ô nhiễm được loại bỏ thông qua công trình lắng để tách bùn ra khỏi nước thải. Sự phân hủy cơ chất bởi vi sinh vật sẽ làm giảm nồng độ chất ô nhiễm theo thời gian đồng thời làm tăng khối lượng tế bào. Quá trình chuyển hóa cơ chất và tăng trưởng sinh khối được minh họa bằng đường cong tăng trưởng. Pha logarit Pha suy giảm Pha hô hấp nội sinh Vi khuẩn Cơ chất Hình 4.1: Quan hệ giữa sự tăng trưởng sinh khối và sự khử cơ chất Phần thấp hơn của đường cong gọi là pha tăng trưởng logarit: trong pha này sự tăng trưởng của tế bào đạt cực đại do nguồn thức ăn đầy đủ. Do quá trình tăng trưởng tiếp tục nên nguồn thức ăn cạn dần và pha tăng trưởng suy giảm xảy ra. Tiếp theo sự thiếu hụt nguồn thức ăn, các tế bào vi khuẩn bắt đầu chết và được sử dụng bởi những vi sinh vật còn lại. Pha này gọi là pha hô hấp nội sinh hoặc pha tự oxy hóa và kết quả là khối lượng sinh khối giảm. Trong một số trường hợp, có thể tồn tại một pha phía trước pha tăng trưởng logarit, đây là giai đoạn mà vi sinh vật thích nghi với nguồn thức ăn mới và môi trường mới. Trong một hệ thống xử lý sinh học tiêu biểu, nước thải có thể đi vào một bể chứa kín hoặc hở, hoặc được lưu lại trong một hồ chứa trong một khoảng thời gian nhất định, gọi là thời gian lưu nước. Trong thời gian này, quá trình phân hủy và loại bỏ chất ô nhiễm bởi vi sinh vật xảy ra. Pha tăng trưởng vi sinh vật trong công trình xử lý có thể được kiểm soát thông qua việc khống chế nồng độ cơ chất và tải trọng hữu cơ. Tất cả các vi khuẩn sử dụng trong xử lý nước thải có thể được phân chia làm 3 nhóm tùy thuộc vào khả năng sử dụng oxy của chúng. Các vi sinh vật mà chỉ tồn tại khi được cung cấp oxy phân tử gọi là nhóm hiếu khí nghiêm ngặt. Những vi sinh vật tồn tại trong môi trường hoàn toàn không có oxy phân tử được gọi là nhóm kỵ khí nghiêm ngặt. Các vi sinh vật có khả năng sống trong môi trường có hoặc không có oxy phân tử được gọi là nhóm tùy tiện. Các hệ xử lý sinh học sử dụng biện pháp làm thoáng để cung cấp oxy nguyên tử cho vi sinh vật được gọi là quá trình hiếu khí, trong khi đó các hệ thống sử dụng vi sinh vật kỵ khí để thực hiện phản ứng sinh học gọi là quá trình kỵ khí. Các phản ứng sinh hóa xảy ra bên trong các quá trình hiếu khí và kỵ khí là khác nhau, vì vậy sản phẩm cuối của hai quá trình này cũng khác nhau. Sản phẩm cuối của quá trình hiếu khí là nước, carbon dioxide, nitrat và sunphat. Trong khi đó sản phẩm của quá trình kỵ khí là khí metan, ammonia, carbon dioxide, sunphit và các mercaptan. 4.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của vi sinh vật. Bốn yếu tố môi trường quan trọng nhất trong hệ thống xử lý nước thải bằng quá trình sinh học là nhiệt độ, pH, nhu cầu chất dinh dưỡng và độc chất. Để bảo đảm vận hành hiệu quả hệ thống xử lý sinh học, cần thiết cung cấp các điều kiện tối ưu cho sự tăng trưởng của vi khuẩn bằng việc kiểm soát các yếu tố này. Đối với các hệ thống hiếu khí, còn thêm một yếu tố môi trường chi phối tốc độ xử lý nước thải là nồng độ oxy. - pH: khoảng pH tối ưu cho sự sinh trưởng của vi khuẩn nằm giữa 6.5 – 8.5. Giá trị pH quá cao hoặc quá thấp sẽ gây ảnh hưởng ngăn trở lên vi sinh vật làm giảm hiệu quả của quá trình xử lý. Việc sử dụng khí để làm xáo trộn hoàn toàn hệ thống có khả năng làm giảm đi sự dao động của pH ở nước thải đầu vào bảo đảm cân bằng tốt với khả năng đệm tối đa. Trong trường hợp khả năng đệm của hệ thống không đủ để duy trì pH nằm trong khoảng trên đây thì cần thiết điều chỉnh pH. Vôi và sođa thường được sử dụng để làm tăng pH trong khi đó CO2 và acid khoáng thường được sử dụng để làm giảm pH. - Nhiệt độ: Nói chung, vi khuẩ