Đồ án Nghiên cứu xử lý nước thải tinh bột khoai mì bằng quá trình lọc sinh học hiếu khí

ác định, chúng có thể tồn tại dưới dạng đơn bào. Có thể nói, phần lớn vi sinh vật đóng vai trò rất quan trọng trong các quá trình chuyển hóa sinh hóa, chúng có tác dụng làm giảm lượng chất hữu cơ trong nước thải, đồng thời giúp ổn định nồng độ chất hữu cơ trong các dòng chảy. Các loài vi sinh vật chiếm ưu thế trong từng quá trình xử lý sinh hóa phụ thuộc vào nhiều yếu tố: tính chất dòng vào, điều kiện môi trường, quá trình thiết kế và cách thức vận hành hệ thống. Do đó, để tăng cường vai trò hệ vi sinh vật hoạt động trong xử lý nước thải phải thiết kế điều kiện môi trường phù hợp, ví dụ với đa số quá trình xử lý hiếu khí, cần có điều kiện thích hợp như: môi trường phải đủ thông thoáng để cung cấp oxy, đủ các chất hữu cơ (làm thức ăn), đủ nước, đủ N và P (chất dinh dưỡng) để thúc đẩy sự oxy hóa, có pH phù hợp (6.5-9) và không có các chất gây độc. Tuy nhiên không phải các vi sinh vật đều có lợi cho các quá trình chuyển hóa trong xử lý nước thải. Nếu như điều kiện môi trường không còn phù hợp của các loài sinh vật, hoặc số lượng các loài vi sinh vật trong hệ thống tăng đột biến, điều này sẽ gây cản trở cho quá trình chuyển hóa và làm giảm hiệu suất xử lý nước thải. 3.3.2. Sinh thái, sinh lý, phân loại vi sinh vật 3.3.2.1. Sinh thái, sinh lý vi sinh vật Vi sinh vật không phải là một nhóm phân loại trong sinh giới mà là bao gồm tất cả các sinh vật có kích thước hiển vi, không thấy rỏ bằng mắt thường, do đó phải sử dụng kính hiển vi thường hoặc kính hiển vi điện tử để quan sát. Ngoài ra, muốn nghiên cứu vi sinh vật người ta phải sử dụng tới các phương pháp nuôi cấy vô khuẩn. Vi sinh vật có các đặc điểm chung sau đây: a) Kích thước nhỏ bé: Vi sinh vật thường đo kích thước bằng đơn vị micromet. Virut được đo kích thước đơn vị bằng nanomet. Kích thước càng bé thì diện tích bề mặt của vi sinh vật trong một đơn vị thể tích càng lớn. b) Hấp thu nhiều chuyển hóa nhanh: Tuy vi sinh vật có kích thước rất nhỏ bé nhưng chúng lại có năng lực hấp thụ và chuyển hóa vượt xa các sinh vật khác. Chẳng hạn một vi khuẩn lactic (Lactobacillus) trong một giờ có thể phân giải được một lượng đường lactose lớn hơn 100-10.000 lần so với khối lượng của chúng. Tốc độ tổng hợp protein của nấm men cao gấp 10.000 lần so với đậu tương và 100.000 lần so với trâu bò. c) Sinh trưởng nhanh phát triển mạnh: Chẳng hạn một trực khuẩn đại tràng (Escherichia coli) trong các điều kiện thích hợp chỉ sau 12-20 phút lại phân cắt một lần. Nếu lấy thời gian thế hệ là 20 phút thì mỗi giờ phân cắt 3 lần, sau 24 giờ phân cắt 72 lần và tạo ra 4.722.633 ×1018 tế bào, tương đương với một khối lượng là 4.722 tấn. Tất nhiên, trong tự nhiên không có được các điều kiện tối ưu như vậy (vì thiếu thức ăn, thiếu oxy, dư thừa các sản phẩm trao đổi chất có hại…). Trong loài lên men với các điều kiện nuôi cấy thích hợp, từ một tế bào có thể tạo ra sau 24 giờ khoảng 100.000.000 – 1.000.000.000 tế bào. Thời gian thế hệ của nấm men dài hơn, ví dụ với men rượu (Saccharomyces cerecisiae) là 120 phút. Với nhiều vi sinh vật khác còn dài hơn nữa, ví dụ tảo tiểu cầu (Cholorella) là 7 giờ, với vi khuẩn lam Nosoc là 23 giờ… Có thể nói không có sinh vật nào có tốc độ sinh sôi nảy nở nhanh như vi sinh vật Nấm men Saccharomyces cerevisiae Vi khuẩn Escherichia coli Tảo tiểu cầu Nấm sợi Alternaria Hình 3.4: Sự sinh sôi của các vi sinh vật d) Có năng lục thích ứng mạnh và dễ dàng phát sinh biến dị: Trong quá trình tiến hóa lâu dài vi sinh vật đã tạo cho mình những cơ chế điều hòa trao đổi chất để thích ứng được với những điều kiện trao đổi chất khác nhau, kể cả những điều kiện hết sức bất lợi mà các sinh vật khác thường không thể tồn tại được. Có vi sinh vật sống ở môi trường nóng đến 130oC, lạnh đến 0 - 5oC, mặn đến nồng độ muối 32%, ngọt đến nồng độ mật ong, pH thấp đến 0.5 hoặc cao đến 10.7; áp suất cao đến trên 1,3 at, hay có độ phóng xạ cao đến 750,000 rad. Nhiều vi sinh vật có thể sống tốt trong điều kiện tuyệt đối kỵ khí, có loài nấm sợi có thể phát triển dày đặc trong bể ngâm tử thi với nồng độ foocmol rất cao… Vi sinh vật đa số là đơn bào, đơn bội, sinh sản nhanh, số lượng nhiều, tiếp xúc trực tiếp với môi trường sống… do đó rất dễ dàng phát sinh biến dị. Tần suất biến dị thường ở mức 10-5 – 10-10. Chỉ sau một thời gian ngắn đã tạo ra một số lượng rất lớn các cá thể biến dị ở các thế hệ sau. Những biến dị có ích sẽ đưa lại hiệu quả rất lớn trong sản xuất. Nếu như mới phát hiện ra penicillin hoạt tính chỉ đạt 20 đơn vị/ml dịch lên men (1943) thì ngày nay có thể đạt trên 100,000 đơn vị/ml. e) Phân bố rộng chủng loại phong phú: Vi sinh vật có mặt ở khắp mọi nơi trên Trái đất, trong không khí, trong đất, trên núi cao, dưới biển sâu, trên cơ thể người, động vật, thực vật, trong thực phẩm, trên mọi đồ vật… Vi sinh vật tham gia tích cưc vào việc thực hiện các vòng tuần hoàn sinh-địa- hóa học như vòng tuần hoàn C, vòng tuần hoàn N, vòng tuần hoàn P, S ,Fe… Trong nước vi sinh vật có nhiều ở vùng duyên hải (littora zone), vùng nước nông (limnetic zone) và ngay cả ở vùng nước sâu (profundal zone), vùng đáy ao hồ (benthic zone). Trong không khí thì càng lên cao số lượng vi sinh vật càng ít. Số lượng vi sinh vật ở các khu dân cư đông đúc cao hơn rất nhiều so với không khí trên mặt biển và nhất là không khí ở Bắc cực, nam cực… Hầu như không có hợp chất Cacbon nào (trừ kim cương, đá graphit…) mà không là thức ăn của những nhóm vi sinh vật nào đó (kể cả dầu mỏ, khí thiên nhiên, foocmol, dioxin…). Vi sinh vật rất phong phú các kiểu dinh dưỡng khác nhau: quang tự dưỡng, quang dị dưỡng, hóa tự dưỡng, hóa dị dưỡng, tự dưỡng chất sinh trưởng, dị dưỡng chất sinh trưởng… f) Là sinh vật xuất hiện đầu tiên trên trái đất: Trái đất hình thành cách đây 4.6 tỷ năm nhưng cho đến nay mới chỉ tìm thấy dấu vết của sự sống cách đây 3.5 tỷ năm. Đó là các vi sinh vật hóa thạch còn để lại vết tích trong các tầng đá cổ. Vi sinh vật hóa thạch cổ xưa nhất đã được phát hiện từ những dạng rất giống vi khuẩn lam ngày nay. Chúng được J. William Schopf tìm thấy tại các tầng đá cổ ở miền Tây Australia. Chúng có dạng đa bào đơn giản, nối thành sợi dài đến vài chục mm với đường kính khoảng 1 -2 mm và có thành tế bào khá dày. Trước đó các nhà khoa học đã tìm thấy vết tích của chi Gloeodiniopsis có niên đại cách đây 1.5 tỷ năm và vết tích của chi Palaeolyngbya có niên đại cách đây 950 triệu năm. Vết tích của vi khuẩn lam cách đây 3.5 tỉ năm Vết tích Gloeodiniops cách đây 3.5 tỉ năm Vết tích Palaeolyngbya cách đây 950 triệu năm Hình 3.5: Vết tích một số loài vi khuẩn 3.3.2.2. Phân loại vi sinh vật Hiện nay có hai cách phân loại vi sinh vật. Cách thứ nhất theo hệ thống, và cách thứ hai hai dựa theo cấu tạo của nhân vi sinh vật: - Cách phân loại thứ nhất: theo cách phân loại của P.N.Bergey vi sinh vật được xếp trong ngành protophia. Chúng gồm 3 lớp: + Schizomycetes (lớp vi khuẩn) + Schizophiceae (lớp thanh tảo) + Microtatobiotes (lớp rickettsia và virut) - Cách phân loại thứ hai: theo cấu trúc của nhân vi sinh vật, người ta chia làm 2 nhóm lớn: + Nhóm nhân nguyên thủy hay nhóm có nhân phân hóa (prokaryotic): bao gồm tất cả vi sinh vật chưa có nhân thực thụ mà chỉ là một vùng sẫm gồm protein và ADN. + Nhóm nhân thật hay nhóm có nhân thực thụ (eukaryotic): bao gồm tất cả các vi sinh vật có nhân thực. Nhân này được cấu tạo bởi màng nhân, protein và DNA. 3.3.2.3. Hình thái, cấu tạo của vi sinh vật a) Vi khuẩn Theo quan điểm hiện đại (NCBI – National Center for Biotechnology Information, 2005) thì vi khuẩn bao gồm các ngành sau đây: Aquificae – Thermotogae – Thermodesulfobacteria- Deinococcus – Thermus – Chrysiogenetes- Chloroflexi – Nitrospirae – Deferribacteres – Cyanobacteria – Proteobacteria – Firmicutes – Actinobacteria – Planctomycetes – Chlamydiae/Nhóm Chlorobia – Fusobacteria – Dictyoglomi. Việc phân ngành dựa trên các đặc điểm hình thái, sinh lý, sinh hóa, sinh thái… Căn cứ vào tỷ lệ G + C trong ADN người ta xây dựng được cây phát sinh chủng loại (Phylogenetic tree) và chia vi khuẩn thành các nhóm sau đây: - Nhóm oxy hóa hydrogen - Nhóm chịu nhiệt - Nhóm vi khuẩn không lưu huỳnh màu lục - Nhóm Deinococcus - Nhóm vi khuẩn lam - Nhóm Proteobacteria - Nhóm Chlamydia - Nhóm Planctomyces - Nhóm Spirochaetes (xoắn thế) - Nhóm vi khuẩn lưu huỳnh màu lục - Nhóm Cytophaga - Nhóm vi khuẩn Gram dương Vi khuẩn là một tổ chức nguyên thủy, đơn bào, cơ thể chứa khoảng 85% là nước và 15% là các khoáng chất hay chất nguyên sinh. Chất nguyên sinh phần lớn là S, K, Na, Ca, Cl và một lượng nhỏ Fe, Si, Mg. Chúng sinh sôi và nẩy nở nhờ hình thức tự phân đôi. Vi khuẩn có thể xem là một trong những sinh vật sống nhỏ bé nhất, có đường kính 0.5 -2µm và chiều dài từ 1 -10 µm. Các vi khuẩn được phân làm 3 nhóm chính dựa vào hình dạng tự nhiên hay trạng thái tồn tại của chúng. Dạng đơn giản nhất là vi khuẩn cầu, còn gọi là Cocci. Dạng thứ hai là các vi khuẩn hình que, gọi là Bacillus. Dạng cuối cùng là các vi khuẩn hình xoắn hoặc cong, gọi là Spirilla. Đại đa số vi khuẩn đóng vai trò quan trọng trong việc phân hủy chất hữu cơ, biến chất hữu cơ thành chất ổn định tạo thành bông cặn dễ lắng. Vi khuẩn ký sinh (paracitic bacteria) là vi khuẩn sống bám vào vật chủ, thức ăn của nó là thức ăn đã được vật chủ đồng hóa, chúng thường sống trong đường ruột của người và động vật đi vào nước thải theo phân và nước tiểu. Vi khuẩn hoại sinh (saprophytic bacteria) dùng chất hữu cơ không hoạt động làm thức ăn, nó phân hủy cặn hữu cơ làm chất dinh dưỡng để sống và sinh sản, và thải ra các chất gồm cặn hữu cơ có cấu tạo đơn giản và cặn vô cơ . Bằng quá trình hoạt động như vậy, vi khuẩn hoại sinh đóng vai trò tích cực quan trọng trong việc làm sạch nước thải. Nếu không có hoạt động sống và sinh sản của vi khuẩn, quá trình phân hủy sẽ không xảy ra. Có rất nhiều loài vi khuẩn hoại sinh, mỗi loài đóng một vai trò đặc biệt trong mỗi công đoạn của quá trình phân hủy hoàn toàn cặn hữu cơ có trong nước thải và mỗi loài sẽ tự chết khi hoàn thành qui trình sống và sinh sản ở giai đoại đó. Tất cả các vi khuẩn ký sinh và hoại sinh cần có thức ăn và oxy để đồng hóa. Một số loài trong số vi khuẩn này chỉ có thể hô hấp bằng oxy hòa tan trong nước gọi là vi khuẩn hiếu khí, còn quá trình phân hủy chất hữu cơ của chúng gọi là quá trình hiếu khí hay quá trình oxy hóa. Một số loài khác trong số các vi khuẩn này không thể tồn tại được khi có oxy hòa tan trong nước. Những vi khẩn này gọi là vi khuẩn kỵ khí và quá trình phân hủy 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 hủy chất hữu cơ, nếu thiếu hoàn toàn oxy hòa tan, chúng có thể tự điều chỉnh để thích nghi với môi trường gọi là vi khuẩn hiếu khí lưỡng nghi. Sự tự điều chỉnh để thích nghi với môi trường có sự thay đổi của oxy hòa tan của vi khuẩn hoại sinh là rất quan trọng trong qui trình phân hủy chất hữu cơ của nước thải trong các công trình xử lý. Pseudomonas (phân hủy dratcacbon, nitrat hóa) Desulfovibrio (khử sunfat, khử nitrat) Bacillus (phân hủy hydratcacbon, protein) Nitrosomonas (nitrat hóa) Microthrix parvicella Zoogloea Hình 3.6: Một số vi sinh vật trong xử lý nước thải 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 mẻ ở nhiệt độ từ 20 – 40oC. Một số loài vi khuẩn trong quá trình 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 hiêu quả cao nhất. Tuy nhiên, tất cả các vi khuẩn đều có lợi cho quá trình sinh hóa, một vài trong số chúng là loài gây hại. Có hai loài vi khuẩn có hại có thể phát triển trong hệ thống hiếu khí/ thiếu khí. 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 quá trình lắng đọng trầm tích; làm cho lớp bùn đáy không có hiệu quả, sinh khối sẽ không gắn kết lại và theo các dòng chảy sạch đã xử lý ra ngoài. Một dạng vi khuẩn có hại khác tồn tại trong lượng bọt dư trong các bể phản ứng sinh hóa, phát sinh từ các hệ thống thông gió để tuần hoàn oxy trong hệ thống. Các vi sinh vật có hại thường xuất hiện trong hệ thống xử lý kỵ khí là các vi khuẩn khử sunfat. Nhìn chung, lợi ích thu được từ thiết kế vận hành hệ thống xử lý kỵ khí là tạo ra sản phẩm khí metan có giá trị kinh tế. Tuy nhiên, nếu trong nước thải chứa sunfat ở nồng độ quá cao, lúc đó các vi khuẩn khử sunfat sẽ cạnh tranh với các chất nhường điện tử, kết quả là tạo ra sản phẩm sunfit. Điều này không những sẽ ảnh hưởng đến sản lượng khí metan tạo thành, mà còn tạo các sản phẩm không có lợi cho quá trình vận hành hệ thống. b) Nấm men Nấm men thuộc cơ thể đơn bào, có hình dạng khác nhau và hầu như không ổn định, nó phụ thuộc vào tuổi của nấm men và điều kiện nuôi cấy. Thường chúng có hình cầu, hình ellip, hình bầu dục và cả hình dài. Một số loài nấm men có tế bào hình dài nối với nhau tạo thành những sợi nấm gọi là khuẩn ty (mycelium) hay khuẩn ty giả (pseudomycelium). Tế bào nấm men thường có kích thước lớn gấp từ 5 -10 lần tế bào vi khuẩn. Kích thước trung bình của nầm men là: chiều dài 9 – 10 μm, chiều rộng 2 – 7 μm Kích thước của tế bào nấm men thay đổi theo điều kiện nuôi cấy, tuổi sinh lý. Hình thức sinh sản của nấm men có 3 hình thức chủ yếu: - Sinh sản bằng cách nảy chồi. - Sinh sản bằng cách phân đôi. - Sinh sản bằng bào tử và sự hình thành bào tử. c) Nấm mốc (nấm sợi) Nấm mốc (molds hay mounds) là tên chung chỉ tất cả các vi sinh vật không phải là nấm men cũng không phải là các nấm mũ lớn, được phân bố rộng rải trong tự nhiên. Chúng không phải là loài thuộc thực vật, cũng không phải là động vật. Do vậy, nấm mốc hoàn toàn khác với vi khuẩn và nấm men. Dựa vào cấu tạo của chúng mà người ta chia nấm mốc thành 2 loại: loại nấm mốc có vách ngăn và loại nấm mốc không có vách ngăn. Hình 3.7: Naám moác - Nấm mốc có vách ngăn: đây là trường hợp mà khuẩn ty được tạo thành do một chuỗi tế bào nối tiếp nhau, ngăn cách hai tế bào và một màng ngăn. Trong mỗi tế bào nấm hầu như có đủ cơ quan của một tế bào, thường thấy ở Aspergillus và penicillium. - Nấm mốc không có vách ngăn: đây là những loại nấm mốc đa hạch, trong đó giữa các hạch không có màng ngăn. Sinh sản ở nấm mốc: nấm mốc là một trong những vi sinh vật có nhiều kiểu sinh sản khác nhau: sinh sản sinh dưỡng, sinh sản vô tính, sinh sản hữu tính. Nói chung, vi sinh dạng nấm có kích thước lớn hơn vi khuẩn và không có vai trò trong giai đoạn phân hủy 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 cung cấp không đủ oxy và N hoặc pH quá thấp, nấm có thể sinh sản nhanh, gây ra các vấn đề ảnh hưởng tương tự như các vi khuẩn dạng sợi. d)Virut Virut là dạng sống khá đơn giản, có kích thước vô cùng nhỏ bé, từ 10 – 450 nm. Chúng có các đặc điểm chính như: không có cấu tạo tế bào; thành phần hóa học rất đơn giản, chỉ bao gồm protein và axit nucleic, virut chỉ chứa ADN hoặc ARN; không có khả năng sinh sản trong môi trường dinh dưỡng tổng hợp; một số có khả năng tạo thành ty thể. Hình 3.8: Một số hình dạng của virus Hầu như virut có cấu tạo hết sức đơn giản. Toàn bộ tế bào của chúng chỉ được tạo thành từ vỏ protein và lõi là axit nucleic. Chúng sinh trưởng bằng cách tấn công vào tế bào của vật chủ (động vật, thực vật, vi khuẩn,..) và sinh sôi nảy nở trong tế bào các vật chủ này. Virut có nhiều dạng: Virut của động vật có hình cầu, hình trứng (virut đậu gà), hình hộp vuông hay hình chữ nhật (đậu bò), hay hình gậy,…; virut thực vật có hình quả cầu hay hình que dài (virut đóm lá, thuốc lào). Sự hiện diện của virut trong nước thải sẽ ảnh hưởng không tốt cho quá trình xử lý. e)Xạ khuẩn Xạ khuẩn là loài vi sinh vật đơn bào phân bố rộng rãi trong thiên nhiên, cấu tạo tế bào tương tự như tế bào vi khuẩn. Chúng có một số đặc điểm như: có kích thước nhỏ bé và tương đương với kích thước vi khuẩn, nhưng có chiều dài lớn hơn chiều dài của vi khuẩn; chưa có nhân phân hóa rỏ rệt; phân chia tế bào theo kiểu amitose (phân bào vô ty); xạ khuẩn không có giới tính. f)Tảo Tảo là một nhóm vi sinh vật, nhưng chúng khác với vi khuẩn và các nấm khác ở chỗ chúng có diệp lục và có khả năng tổng hợp được các hợp chất hữu cơ từ vô cơ dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời Tảo chia làm 9 ngành: - Tảo lam (Cyanophyta) - Tảo lục (Chorophyta) - Tảo silic (Diatomeae) - Tảo ánh vàng (Chrysophyta) - Tảo giáp (Pynophyta) - Tảo mắt (Euglenophyta) - Tảo roi lệch (Hererocontac) - Tảo đỏ (Rhodophyta) - Tảo nâu (Phaeophyta) Các loài tảo khác nhau có hình dạng và kích thước rất khác nhau, chủ yếu gồm các dạng sau: - Dạng đơn bào chuyển động: gồm các cơ thể đơn bào có khả năng chuyển động, thường có hình cầu, hình bầu dục hay hình quả lê. Tế bào thường có tiên mao. Ngoài ra, sự chuyển động amip thường thấy ở một số tảo mất tiên mao. Những tảo này có khả năng hình thành các chân giả rất mảnh và dài - Dạng tập đoàn chuyển động: gồm những tế bào đồng nhất về hình dạng và chức phận, thường tập hợp trong một tập đoàn chuyển động. Tảo sinh sản chủ yếu theo 3 cách: sinh sản sinh dưỡng, sinh sản vô tính và sinh sản hữu tính. Mặt dù không phải là loài 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 Ascilatoria rubecens làm cho nước ngả màu hồng. - Khuê tảo (Melosira, Navicula) làm cho nước có màu vàng 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,… g) Một số nguyên sinh động vật (Protozoa) Động vật nguyên sinh là một tổ chức lớn nằm trong nhóm Eukaryotic, với hơn 50,000 loài đã được biết đến. Thật ra, động vật nguyên sinh là các sinh vật đơn bào nhưng cấu trúc tế bào phức tập hơn, lớn hơn các vi khuẩn. Kích thước các động vật nguyên sinh thay đổi trong khoảng 4 -500 μm. Các nhóm động vật nguyên sinh chính được phân chia dựa vào phương thức vận động của chúng. Dạng thứ nhất là Mastigophara, là các động vật nguyên sinh có nhiều roi – flagella, ví dụ như Giardia lamblia. Dạng thứ hai là Ciliophora, có roi ngắn hơn hay còn gọi là lông mao – cilia, ví dụ như Stalked. Dạng thứ ba là Sarcodina, có kiểu chuyển động như amip (lướt đi trong nước, hình dạng của chúng thay đổi theo các động tác di chuyển này). Giardia lamblia – cá thể dinh dưởng dạng roi Amip Peritrichia (chủng có mao) Carchesium polypinum Vorticella convallaria Hình 3.9: Một số động vật nguyên sinh trong xử lý nước thải Holotrichate Các động vật nguyên sinh ăn các chất hữu cơ để sống và thức ăn ưu thích của chúng là các vi khuẩn. Các yếu tố như: chất độc, pH, nhiệt độ đều ảnh hưởng đến tốc độ tăng trưởng của chúng h) Ricketxi Theo phân loại của Bergey, Ricketxi được chia làm hai giống: Rickettsia và Coxiella. Về kích thước nói chung, Ricketxi nhỏ hơn vi khuẩn và lớn hơn virut, chúng có dạng hình que ngắn (0.3 – 1.6 μm), hình cầu hay hình sợi. Phần lớn Ricketxi có đời sống ký sinh bắt buộc, một số phát triển trong tế bào chất của vật chủ, còn một số khác lại phát triển trong nhân tế bào, và một số chỉ phát triển nơi tiếp giáp giữa nhân tế bào và nguyên sinh chất. Cơ thể Ricketxi chứa khoảng 30% protein, ngoài ra còn có nhiều lipit trung tính, photpholipit và hydratcacbon. Hàm lượng ADN thường chiếm 9% so với trọng lượng khô tế bào, còn hàm lượng ARN thì không cố định. Về hình dáng, kích thước, Ricketxi gần giống với virut, chỉ khác ở cách sinh sản. Ricketxi sinh sản bằng cách phân cách. Ngoài ra trong tế bào của chúng đồng thời có cả ADN và ARN. i) Archaea (Cổ khuẩn) Cổ khuẩn là nhóm vi sinh vật có nguồn gốc cổ xưa. Khác với vi khuẩn, lipid của màng tế bào Archaea chứa liên kết ether giữa axit béo và glycerol, trong đó 2 loại lipid chính là glycerol diether và diglycerol tetraether. Archaea còn chứa một lượng lớn axit béo không phân cực. Archaea có phương thức biến dưỡng đa dạng, tự dưỡng hoặc dị dưỡng cacbon, và có thêm phương thức biến dưỡng mới dẫn đến sự tạo thành methane. Chúng bao gồm các nhóm vi khuẩn có thể phát triển được trong môi trường cực đoan (extra), chẳng hạn như nhóm ưa mặn (Halobacteriales) hiện diện trong các môi trường có nồng độ muối cao, không tăng trưởng được khi nồng độ muối thấp hơn 1.5M, tăng trưởng được ở nồng độ muối bảo hòa; nhóm ưa nhiệt (Thermococcales, Thermoproteus, Thermoplasmatales) thường hiện diện trong những đống thải than đá tự phát nhiệt; nhóm kỵ khí sinh metan (Methanococcales, Methanobacteriales, Methanomicrobiales); và nhóm vi khuẩn lưu huỳnh ưa nhiệt (Sulfobales, Desulfurococcales). Những nghiên cứu gần đây cho thấy Archaea ngày càng có mặt nhiều trong các loại môi trường sống khác nhau, đặc biệt là quá trình kỵ khí trong xử lý nước thải bằng phương pháp sinh hóa, chúng đóng vai trò khá quan trọng trong việc tạo ra CH4. 3.3.2.4. Hoạt động sống của vi sinh vật trong nước thải Nước thải mới thường ít vi sinh vật, đặc biệt nước thải công nghiệp đã qua công đoạn xử lý nhiệt, có khi lúc đầu hầu như không có vi sinh vật. Nước thải trong hệ thống thoát nước sau một thời gian, dù rất ngắn, cũng đủ điều kiện để vi sinh vật thích nghi, sinh sản và phát triển tăng sinh khối (trừ những nước thải có chất độc, chất ức chế hoặc diệt vi sinh vật, như nước thải có hàm lượng kim loại nặng, các chất hữu cơ và vô cơ có tính độc,…). Sau một thời gian sinh trưởng, chúng tạo thành quần thể vi sinh vật có ở trong nước, đồng thời kéo theo sự phát triển của các giới thủy sinh. Quần thể vi sinh vật ở các loại nước thải là không giống nhau. Mỗi loại nước thải có hệ vi sinh vật thích ứng. Song, nói chung vi sinh vật trong nước thải đều là vi sinh vật hoại sinh và dị dưỡng. Chúng không thể tổng hợp được các chất hữu cơ làm vật liệu tạo tế bào mới, trong môi trường sống của chúng cần phải có mặt các chất hữu cơ để chúng phân hủy, chuyển hóa thành vật liệu xây dựng tế bào, đồng thời chúng cũng phân hủy các hợp chất nhiễm bẩn trong nước đến sản phẩm cuối cùng là CO2 và nước hoặc tạo thành các loại khí khác (CH4, H2S, indol, mecaptan, scatol, N2…). Trong nước thải, các chất nhiễm bẩn chủ yếu là các chất hữu cơ hòa tan, ngoài ra còn có các chất hữu cơ ở dạng keo và phân tán nhỏ ở dạng lơ lửng. Các dạng này tiếp xúc với bề mặt tế bào vi khuẩn (trong nước thải vi khuẩn chiếm đa số trong hệ vi sinh vật) bằng cách hấp phụ hay keo tụ sinh học, sau đó sẽ xảy ra quá trình dị hóa và đồng hóa. Quá trình dị hóa là quá trình phân hủy các chất hữu cơ có khối lượng phân tử lớn, có cấu trúc phân tử là mạch dài thành các hợp chất có mạch ngắn, có khối lượng thấp hoặc thành các đơn vị cấu thành, có thể đi qua được màng vào trong tế bào và chuyển vào quá trình phân hủy nội bào (hô hấp hay oxy hóa tiếp) hay chuyển sang quá trình đồng hóa. Quá trình tự làm sạch trong nước diễn ra rất phức tạp. Có 3 quá trình tự làm sạch trong nước: tự làm sạch vật lý, tự làm sạch hóa học và tự làm sạch sinh học. Quá trình tự làm sạch sinh học diễn ra thường xuyên và mạnh mẽ nhất, quá tình này quyết định mức độ tự làm sạch toàn điện của nước. Quá trình tự làm sạch sinh học xảy ra do dộng vật, thực vật và cả vi sinh vật, trong đó vi sinh vật đóng vai trò quan trọng nhất. Như vậy quá trình làm sạch nước thải gồm 3 giai đoạn: - Các hợp chất hữu cơ tiếp xúc với bề mặt tế bào vi sinh vật. - Khuếch tán và hấp thụ các chất ô nhiễm nước qua màng bán thấm vào trong tế bào vi sinh vật. - Chuyển hóa các chất này trong nội bào để sinh ra năng lượng và tổng hợp các vật liệu mới cho tế bào vi sinh vật. Các giai đoại này có mối liên hệ rất chặt chẽ. Kết quả là nồng độ các chất nhiễm bẩn nước giảm dần, đặc biệt là vùng gần tế bào vi sinh vật nồng độ chất hữu cơ ô nhiễm thấp hơn ở vùng xa. Đối với sản phẩm do tế bào vi sinh vật tiết ra thì ngược lại. Phân hủy các chất hữu cơ chủ yếu xảy ra trong tế bào vi sinh vật. Quá trình chuyển hóa vật chất trong tế bào vi sinh vật gồm hàng loạt các phản ứng hóa sinh với hai quá trình đồng hóa và dị hóa, chủ yếu là các phản ứng oxy hóa khử. Mỗi phản ứng oxy hóa đều có enzyme xúc tác thích ứng. Phản ứng dị hóa cắt các chất hữu cơ mạch dài, phân chia các chất hữu cơ phức tạp thành các đoạn đơn giản hơn kèm theo sự giải phóng năng lương sinh học. Phản ứng đồng hóa thành các chất hữu cơ phức tạp từ các chất hợp phần đơn giản (các sản phẩm trung gian của quá trình dị hóa) và cần cấp năng lượng sinh học (thường lấy từ năng lượng được giải phóng của các phản ứng dị hóa). 3.3.3. Sự tăng trưởng của tế bào vi sinh vật Sự sinh trưởng của vi sinh vật là quá trình sinh sản (tăng số lượng, kích thước tế bào) và tăng sinh khối (tăng khối lượng) quần th