Khóa luận Tổng quan về các quá trình sinh học trong xử lý nước thải thủy sản

ại…). 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 nhiều hơn, ví dụ với men rượu (Sacharomyces 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. Vi khuẩn Escherichia coli Nấm men Saccharomyces Tảo tiểu cầu Nấm sợi Alternaria Hình 3.1. Sự sinh sôi của các vi sinh vật d) Có năng lực thích ứng mạnh và dễ dàng phát sinh biến dị: Trong quá trình tiến hoá lâu dài vi sinh vật đã tạo cho mình những cơ chế điều hoà 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 trên 1,3at, hay có nồng độ phóng xạ đến 750.000rad. 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 một số lượng rất lớn các cá thể biến dị ở 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 hoạ 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 cực vào việc thực hiện các vòng tuần hoàn sinh-địa-hoá 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 (littoral zone), vùng nước sông (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 nhóm 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 vi dinh dưỡng khác nhau: quang tự dưỡng, quang dị dưỡng, hoá tự dưỡng, hoá dị dưỡng, tự dưỡng chất sinh trưởng, dị dưỡng chất sinh trưởng… f) Là sinh vật phát triển đầu tiên trên trái đất: Trái đất hình thành cách đây 4,6 tỉ name nhưng cho đến nay mới chỉ tìm thấy dấu vết của sự sống cách đây 3,5 tỷ name. Đó là các vi sinh vật hoá thạch còn để lại vết tích trên các tầng đá cổ. Vi sinh vật hoá 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 đến 1 – 2mm và có thành tế bào khá dày. Trước đó các nhà khoa học đã tìm thấy vết tích của chi Gloeodiniopsic 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 vi khuẩn lam Vết tích Gloeodiniops Vết tích Palaeolyngbya cách đây 3,5 tỷ năm cách đây 3,5 tỷ năm cách đây 950 triệu năm Hình 3.2. Vết tích của một số loài vi khuẩn 3.1.2. Phân loại vi sinh vật Hiện nay có 2 cách phân loại vi sinh vật. Cách theo hệ thống, và cách thứ 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) + Schi zophiceae (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 thuỷ hay nhóm có nhân phân hoá (prokaryotic): bao gồm tất cả vi sinh vật chưa có nhân thực thụ mà chỉ là một vùng sẫm gồm protein và AND. + Nhóm nhân that 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. 3.1.3. 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 – Firmicues – Actinobacteria – Planctomycetes – Chlamydiae/Nhóm Chlorobia – Fusobacteria – Dictyoglomi. Việc phân ngành dựa trên các đặc điểm hình thái, sinh lý, sinh hoá, sinh thái… Căn cứ vào tỷ lệ G + C trong AND người ta xây dựng được cây phát sinh chủng loại (Phyloenetic tree) và chia vi khuẩn thành các nhóm sau đây: Nhóm oxy hoá 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 thuỷ, 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 nảy nở nhờ hình thức tự nhân đôi. Vi khuẩn có thể xem là một trong những sinh vật sống nhỏ bé nhất, có đường kính 0,5 – 2 micromet và chiều dài từ 1 – 10 micromet. 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 huỷ 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 hoá, 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 huỷ 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 là 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 huỷ 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 huỷ 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 đoạn đó. Tất cả các vi khuẩn kí sinh và hoại sinh cần có thức ăn để oxy và đồng hoá. Một số loài trong số vi khuẩn này chỉ có thể hô hấp bằng oxy hoà tan trong nước gọi là vi khuẩn hiếu khí, còn quá trình phân huỷ chất hữu cơ của chúng gọi là quá trình hiếu khí hay quá trình oxy hoá. Một số loài khác trong số các vi khuẩn này không thể tồn tại được khi có oxy hoà tan trong nước. Những vi khuẩn này gọi là vi khuẩn kỵ khí và quá trình phân huỷ này gọi là quá trình kỵ khí, qua strình 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 oxy hoà 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 cso sự thay đổi của oxy hoà tan cảu vi khuẩn hoại sinh là rất quan trọng trong qui trình phân huỷ chất hữu cơ của nước thải trong các công trình xử lý. Peseudomonas Desulfovibrio (phân huỷ dratcacbon, nitrat hoá) (khử sunfat, khử nitrat) Bacillus Nitrosomonas (nitrat hoá) (phân huỷ hydratcacbon, protein) Microthrix parvicella Zoogloea Hình 3.3. 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 mẽ ở nhiệt độ 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 hiệu quả cao nhất. Tuy nhiên, tất cả các vi khuẩn đều có lợi cho quá trình sinh hoá, một vài trong số chúng là loại 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 vứoi 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 khác có hại khác tồn tại trong lượng bọt dư trong các bể phản ứng sinh hoá, 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 và 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 mêtan 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 elip, 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 nấm men là: chiều dài 9 – 10 micromet, chiều rộng 2 – 7 micromet. 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 rãi 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. 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 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 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 – 450nm. Chúng có các đặc điểm chính như: không có cấu tạo tế bào, thành phần hoá học rất đơn giản, chỉ bao gồm protein và axit nucleic, virut chỉ chứa AND hoặc ARN; không có khả năng sinh sản trong môi trường dinh dưỡng tổng hợp; một số có khả năng tạo thành ty thể. 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 gay,…; 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 của vi khuẩn, nhưng có chiều dài lớn hơn chiều dài của vi khuẩn; chưa có nhân phân hoá rõ 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 chhuyển 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. Mặc 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 tạp hơn, lớn hơn các vi khuẩn. Kích thước các động vật nguyên sinh thay đổi trong 4 – 500 micromet. 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 nhu amip (lướt đi trong nước, hình dạng của chúng thay đổi theo các động tác di chuyển này). Các động vật nguyên sinh ăn các chất hữu cơ để sống và thức ăn ưa 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. Giardia lambia- cá thể dinh dưỡng dạng roi Amip Hình ảnh về Vorticella Convallaria Hình 3.4. Một số động vật nguyên sinh trong xử lý nước thải. h) Ricketxi: Theo phân loại của Bergey, Ricketxi được chia làm 2 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 – 0,6 micromet), 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 AND thường chiếm 9% so với trọng lượng khô tế bào, còn hàm lượng ARN thì không ổn 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 AND 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 Archae 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 bão hoà; 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 hoá, chúng đóng vai trò khá quan trọng trong việc tạo ra CH4. 3.1.4. 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 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 trong nước, đồng thời kéo theo sự phát triển của các giới thuỷ 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 huỷ, chuyển hoá thành vật liệu xậy dựng tế bào, đồng thời chúng cũng phân huỷ 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 hoà 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 hoá và đồng hoá. Quá trình dị hoá là quá trình phân huỷ 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 huỷ nội bào (hô hấp hay oxy hoá tiếp) hay chuyển sang quá trình đồng hoá. 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 hoá học và tự làm sạch sinh học. Quá trình tự làm sạch sinh học diễn ra thường xuyên và mạnh mẽ nhất, quá trình này quyết định mức độ tự làm sạch toàn diện của nước. Quá trình tự làm sạch sinh học xảy ra do động 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. Khuyếch tán và hấp thụ các chất ô nhiễm nước qua màng bán thấm vào trong tế bào vi sinh vật. Chuyển hoá 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 đoạn này có mối quan 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 huỷ các chất hữu cơ chủ yếu xảy ra trong tế bào vi sinh vật. Quá trình chuyển hoá vật chất trong tế bào vi sinh vật gồm hàng loạt các phản ứng hoá sinh với hai quá trình đồng hoá và dị hoá, chủ yếu là các phản ứng oxy hoá khử. Mỗi phản ứng oxy hoá đều có enzyme xúc tác thích ứng. Phản ứng dị hoá 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 lượng sinh học. Phản ứng đồng hoá thành các chất hữu cơ phức tạp từ các chất hợp phần đơn giản (các sản phẩm trung gian của quá trình dị hoá) và cần cấp năng lượng sinh học (thường lấy từ năng lượng được giải phóng của các phản ứng dị hoá). 3.2. SỰ TĂNG TRƯỞNG CỦA TẾ BÀO SINH HỌC: Sự tăng 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 thể vi sinh vật. Hiệu quả của sự dinh dưỡng (đồng thời là sự giảm BOD, COD, TOC, …) là quá trình tổng hợp các bộ phận của cơ thể tế bào và sự tăng sinh khối. Tất cả những biến đổi về hình thái, sinh lý trong cơ thể được tổng hợp thành khái niệm “phát triển”. Trong quá trình xử lý nước thải sự sinh trưởng cũng là sự tăng số lượng tế bào, và sự thay đổi kích thước tế bào được phản ánh qua sự tăng sinh khối của vi sinh vật. Tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật phụ thuộc vào điều kiện bên ngoài, đặc tính sinh lý và trạng thái tế bào. Vi sinh vật sinh sản chủ yếu bằng cách phân đôi tế bào. Thời gian để tăng gấp đôi số lượng vi sinh vật tối thiểu được gọi là thời gian sinh trưởng/thời gian thế hệ thường từ 20 phút đến vài ngày. Khi các chất dinh dưỡng cạn kiệt, pH và nhiệt độ… của môi trường thay đổi ngoài các trị số tối ưu thì quá trình sinh sản bị dừng lại. 3.2.1. Vi sinh vật trong các công trình xử lý nước thải: Các vi sinh vật dùng trong xử lý nước thải gồm nhiều loại khác nhau như: vi khuẩn, nấm, tảo, nguyên sinh động vật và động thực vậy. Tuỳ theo công nghệ xử lý mà người ta có thể sử dụng nhóm này hay nhóm khác. 3.2.1.1. Vi sinh vật lên men kỵ khí: Nhiều nghiên cứu đã cho thấy có rất nhiều loại vi sinh vật tham gia vào quá trình phân huỷ chất hữu cơ ở điều kiện kỵ khí: Giai đoạn thuỷ phân: thuỷ phân các hydratcacbon, protein, lipid thành các monomer để có thể hấp thụ qua màng tế bào bởi các vi sinh vật kỵ khí tuỳ tiện có chứa các hệ men ngoại bào như proteaza, lipaza, cellulaza… Các vi sinh vật này rất phổ biến và phát triển nhiều trong tự nhiên trong đó có cả nhóm vi khuẩn E.coli, B.subtilus. Giai đoạn lên men axit: nhóm khuẩn, nấm mốc và Protozoa không tạo CH4 thực hiện việc lean men axit các sản phẩm thuỷ phân thành các chất hữu cơ đơn giản. Trong 3 nhóm vi khuẩn hiếu khí, kỵ khí tuyệt đối và kỵ khí tuỳ tiện thì vi khuẩn kỵ khí tuỳ tiện là nhóm tạo axit chủ yếu. Những vi khuẩn kỵ khí tuỳ tiện phân huỷ protit và vi khuẩn amon hoá axit amin, thường gặp có thể kể đến là Clostridium spp, Lactobacillus spp, Desulfovibrio spp, Corynebacterium spp, Actinomyces; Staphylococcus, Escherichia coli. Vài loại vi khuẩn hiếu khí cũng tham gia vào giai đoạn đầu của quá trình lên men kỵ khí axit như loài Pseudomonas, Flavobacterium, Alcaligenes, Micrococcus, Sarcinavulgaris, Escherichia coli. Trong bể phân huỷ kỵ khí còn thấy sự có mặt các vi khuẩn khử sunfat như Desulflovibrio, các vi khuẩn phân huỷ protid tạo hydrosunfua. Nhiều loại nấm mốc như Benicillium, Fusarium, Mucor,… các Protozoa cũng tham gia vào quá trình lên axit. Nhưng nhìn chung giai đoạn này vi khuẩn kỵ khí đóng vai trò chủ yếu còn vi khuẩn hiếu khí, nấm mốc, Protozoa chỉ đóng vai trò thứ yếu. Giai đoạn lên men kiềm: các axit béo dễ bay hơi và các sản phẩm trung gian sẽ tiếp tục phân huỷ thành CH4 và CO2 làm cho môi trường trở nên kiềm hoá. Trong giai đoạn chuyển từ lên men axit sang lên men kiềm, các vi sinh vật hiếu khí bị ti