Tài liệu giảng dạy Vi hóa sinh kỹ thuật môi trường

i khuẩn làm cho nhu cầu tiêu thụ oxy rất cao. Nếu không giữ được ở điều kiện hiếu khí, tức là không đảm bảo oxy hòa tan, thì tốc độ trao đổi sẽ không theo qui luật log, nhưng vẫn theo cấp số cộng cho đến khi oxy không còn là yếu tố giới hạn nữa. Protozoa sẽ bị ảnh hưởng ngược lại nếu điều kiện yếm khí cứ kéo dài mãi. Tỷ lệ thức ăn – vi sinh vật (F:M) giảm rất nhanh vì thức ăn đã bị cạn và những tế bào mới lại sinh sản ra. Tới một thời điểm nhất định, thức ăn chỉ vừa đủ và là yếu tố giới hạn trong việc sinh trưởng tiếp theo. Pha sinh trưởng log bắt đầu chuyển sang pha Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 42 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG sinh trưởng chậm dần. Sự sinh trưởng tiếp theo tỷ lệ thuận với thức ăn còn lại. Cả vi khuẩn lẫn Protozoa đều bắt đầu giảm. Một ít tế bào bắt đầu chết và bắt đầu hình thành bông keo tụ. Trong bể aeroten chảy rối, những vi khuẩn thường xuyên tiếp xúc với nhau. Chừng nào vi khuẩn có đủ năng lượng thì chúng phân hủy càng nhanh và tiếp tục chức năng trao đổi bình thường của chúng. Khi năng lượng của hệ giảm, càng nhiều vi khuẩn bị thiếu năng lượng để khắc phục lực hấp dẫn giữa hai tế bào, ngay tức khắc chúng liên kết keo. Hai tế bào chuyển động như một, chẳng bao lâu ba rồi bốn… Cứ như thế cho tới khi hạt nhỏ dạng bông được hình thành. Nồng độ thức ăn tiếp tục giảm và vi sinh vật tiếp tục tăng, nhưng với tốc độ chậm dần. Tỷ lệ F:M trở nên nhỏ nhất, kết thúc pha sinh trưởng chậm dần và bắt đầu pha hô hấp nội bào. Tỷ lệ F:M được giữ không đổi trong suốt pha hô hấp nội bào. Có thể nói hệ rất ổn định ở pha hô hấp nội bào. Chỉ có một lượng rất ít thức ăn còn lại không bị phân hủy (trao đổi) hoặc bị phân hủy với tốc độ rất chậm. Nhu cầu tiêu thụ năng lượng để giữ cho vi khuẩn sống rất thấp so với năng lượng tiêu thụ cho sinh trưởng. Vi khuẩn không thể có đủ năng lượng từ phần thức ăn còn lại trong nước bao quanh chúng, nên chúng bắt đầu phân hủy phần thức ăn dự trữ trong tế bào riêng của mình. Mỡ dư và hydratcacbon bị tiêu hao trước và sau đó là protein. Mức năng lượng vừa giảm thì tốc độ tạo bông lại tăng rất nhanh. Những loài Protozoa giả túc bơi tự do phải vất vả mới tìm được đủ vi khuẩn để sinh sống và chúng cũng bắt đầu chết. Khi đó, loài Protozoa có chân bắt đầu phát triển và chúng chiếm vị trí chủ đạo trong suốt pha trao đổi nội bào. Vi khuẩn bắt đầu chết nhiền hơn. Enzyme nội bào của chúng tan rất nhanh trong thành tế bào, chất dinh dưỡng (còn lại trong tế bào) khuếch tán ra ngoài để cung cấp một chút thức ăn nữa cho các tế bào khác còn sống sót. Khái niệm cho rằng vi khuẩn ăn nhau là không có lý. Chất nhầy cho phép vi khuẩn còn sống lấy được chất dinh dưỡng từ vi khuẩn chết ở bên cạnh, nhưng chỉ sau khi tế bào chết. Vấn đề quan tâm nữa là: phần còn lại của vi khuẩn là phần bền vững, không phân hủy được, là hợp phần không nhầy nội bào. Chất chủ yếu cấu tạo nên thành tế bào phải là hợp chất nhầy polysaccarit thì cũng có thể phân hủy màng tế bào vì lớp màng nhầy cũng là sản phẩm thải của thành tế bào. Vi khuẩn phải vừa tạo ra vừa phải chứa enzyme đó, nên chúng được coi như một bình chứa muối toàn năng. Nếu thời gian làm thoáng cứ tiếp tục thì quần thể vi khuẩn sẽ tiếp tục giảm. Loài Protozoa giả túc bơi tự do cũng chết hết, loài Protozoa có chân tiêm mao cũng bắt đầu giảm, nhưng tích trùng Rotifers lại bắt đầu tăng. Tích trùng Rotifers có thể ăn những hạt bông keo tụ nhỏ mà không tùy thuộc những tế bào cá thể. Nếu thời gian làm thoáng rất dài thì làm cho tất cả mọi loài sinh vật đều chết và chỉ còn lại phần trơ bền vững của tế bào. Không bao giờ được phép làm thoáng bùn hoạt tính quá lâu vì phải mất nhiều tháng mới đạt được trạng thái hoạt tính ban đầu. Thông thường khi đạt được tới pha hô hấp nội bào thì phải tích bông bùn đã hình thành bằng cách lắng. Bông đậm đặc lại được tuần hoàn nuôi dưỡng ở bể bùn hoạt tính giàu chất hữu cơ. Vì lượng vi sinh vật cao hơn lúc ban đầu nên tỷ lệ F:M thấp hơn và vi khuẩn lại bắt đầu phát triển nhưng ở điểm cao hơn trong chu trình sinh trưởng. Thời gian làm thoáng không đổi sẽ cho phép hệ cứ tăng tiến dần đến pha hô hấp nội bào theo từng chu trình. Kết quả sẽ tạo được bông tốt hơn và nước ra khỏi hệ trong hơn. Như vậy tốc độ khử chất hữu cơ sẽ nhanh nhất ở pha sinh trưởng, còn việc tạo bông bùn sẽ tốt nhất ở pha hô hấp nội bào. Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 43 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Lý thuyết vận hành Trong hệ bùn hoạt tính, bể bùn hoạt tính có kích thước cố định, khi có thời gian làm thoáng cũng cố định ứng với lưu lượng nước đã cho. Như vậy, thời gian để đạt hoạt tính sinh học sẽ bị giới hạn theo sự biến đổi lưu lượng dòng chảy trong bể. Với nước thải sinh hoạt, bể bùn hoạt tính được thiết kế với thời gian trung bình nước lưu lại trong đó và tải trọng trung bình gBOD/m3 bể trong ngày đêm. Với thời gian trung bình, vi sinh vật sẽ biến đổi theo chu kỳ một cách liên tục dọc theo đường cong sinh trưởng. Khi bùn tuần hoàn được khuấy trộn với nước thải, tỷ lệ F:M sẽ quyết định thời gian mà vi sinh vật lặp lại đường cong sinh trưởng. Thời gian nước lưu lại trong bể bùn hoạt tính sẽ xác định thời gian phản ứng diễn ra dọc theo đường cong sinh trưởng. Với tải trọng chất hữu cơ từ 0,3 – 0,5kgBOD/mngđ và thời gian nước lưu lại 6 – 8giờ vi sinh vật sẽ ở pha sinh trưởng chậm dần trong 2 giờ, thời gian còn lại là pha oxy hóa nội bào. Pha oxy hóa nội bào với thời gian dài sẽ cho phép hệ thống làm việc tốt. Nước ra khỏi bể bùn hoạt tính sẽ dễ lắng, chứa ít chất hữu cơ, nhưng lại hạn chế hệ khi phải làm việc với chế độ tải trọng tăng đột ngột. Một trong những chướng ngại đối với bể bùn hoạt tính là độ không ổn định của nước vào: Quá trình vận hành bị nặng nề nhất khi lưu lượng nước thải và tải trọng chất bẩn hữu cơ biến động lớn. Vì lý do này cho nên bể bùn hoạt tính chỉ được áp dụng đối với các đô thị lớn, nơi có sự ổn định tương đối về lưu lượng và nồng độ chất bẩn. Ở những bể bùn hoạt tính thường vi sinh vật phải chịu đựng sự không ổn định và những chu kỳ dao động này. Khi vi sinh vật đạt tới cuối giai đoạn làm thoáng, chúng sẽ ở trạng thái cân bằng với chất hữu cơ bao quanh. Ở thời điểm này, số sinh vật sống tỷ lệ thuận với lượng chất hữu cơ trong nước. Trong bùn hoạt tính người ta đánh giá rằng chỉ khoảng 25- 30% chất lơ lửng không tro trong thành phần cấu tạo của vi sinh vật sống. Phần còn lại của chất hữu cơ không tro là chất hữu cơ trơ bền vững, và xác tế bào chết lẫn với nước ra. Tuần hoàn bùn đã lắng về đầu bể bùn hoạt tính sẽ tăng làm tăng tức thời tỷ lệ F:M và kích thích việc tổng hợp nhanh chóng các tế bào mới. Vi sinh vật lại trao đổi và phân hủy chất hữu cơ, đồng thời lại phục hồi sự cân bằng. Với chu kỳ bình thường của nước sinh hoạt, lưu lượng và nồng độ thấp về ban đêm và tăng lên về ban ngày. Nghĩa là vi sinh vật kéo dài thời gian trao đổi nội bào về ban đêm và không được chuẩn bị để tiếp nhận sự tăng đột ngột tải trọng chất bẩn hữu cơ mà lại giảm thời gian nước lưu lại lúc buổi sáng sớm. Kết quả là làm giảm hiệu suất quá trình. Ban ngày, lưu lượng, nồng độ tăng lên, thời gian trao đổi bị giảm với giá trị min – thấp nhất. Kích thước của bể phải đủ để cho phép vi sinh vật đạt được và thực hiện giai đoạn trao đổi nội bào.Trong suốt khoảng thời gian mà lưu lượng và tải trọng chất hữu cơ cao nhất (max), nếu bể bùn hoạt tính không đủ lớn để giai đoạn đó diễn ra thì lưu lượng nước ra khỏi bể sẽ đục và lẫn nhiều vi sinh vật. Sự dao động thường xuyên và sự không cân bằng liên tục của vi sinh vật là vấn đề cơ bản cần lưu ý để thiết kế, vận hành có hiệu quả hệ thống bể hiếu khí với bùn hoạt tính. Nhu cầu oxy Quá trình với bùn hoạt tính là một quá trình hiếu khí, yêu cầu có oxy dư ít nhất 0,5mg/l trong suốt thời gian, bất kỳ ở thời điểm nào nếu như hệ hoạt động liên tục. Nếu để hệ biến thành yếm khí thì sẽ có hại cho Protozoa, vì Protozoa lại cần thiết cho việc Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 44 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG làm trong nước. Như vậy phải kéo dài thời gian cần thiết cho quá trình ổn định diễn ra. Oxy là yếu tố khống chế đầu tiên trong hệ với bùn hoạt tính. Nhu cầu oxy là hàm số thuận của quá trình trao đổi sinh học. Nhu cầu oxy lớn nhất ở đầu bể aeroten khi thức ăn và vi sinh vật khuấy trộn với nhau. Nếu nhu cầu oxy lớn hơn lượng cung cấp thì sẽ tạo điều kiện yếm khí và vấn đề vận hành sẽ trở nên phức tạp hơn. Nồng độ oxy hòa tan thấp sẽ làm cho nước ra khỏi hệ bị đục. Protozoa không phát triển được để hòa tan chức năng của mình; vi khuẩn dạng chỉ sẽ phát triển, ngăn cản việc tạo bông mịn và lắng kém. Để cung cấp oxy người ta dùng hệ phân phối không khí bằng máy nén hoặc cơ khí. Để xử lý nước thải sinh hoạt, khối lượng không khí cần cung cấp khoảng 4 – 8m3 không khí cho 1m3 nước thải với hiệu suất vận chuyển oxy khoảng 5%. Ở hệ làm thoáng với dùng máy nén khí, không khí nén được phân phối qua ống khoan lỗ hoặc qua tấm xốp. Oxy từ các bọt không khí sẽ được khuếch tán vào nước, rồi vào bông bùn và vi sinh vật. Tốc độ chuyển vận oxy tùy thuộc gradien nồng độ oxy giữa bọt khí và nước, diện tích tiếp xúc giữa nước và khí, thời gian tiếp xúc, nhiệt độ và đặc tính của nước… Tốc độ vận chuyển oxy lớn nhất khi nồng độ oxy trong nước bằng 0. Tuy nhiên trong bể bùn hoạt tính không có nơi nào nồng độ oxy bằng 0 cả. Diện tích tiếp xúc giữa không khí và nước sẽ tăng khi kích thước các bọt khí giảm, cho nên các bọt khí càng nhỏ thì sự chuyển vận oxy sẽ cao hơn so với các bọt khí lớn. Nhưng mặt khác, các bọt khí càng nhỏ thì sức kháng đối với sự chuyển vận oxy từ khí sang nước (ở biên giới phân chia) lại tăng thêm. Oxy khuếch tán từ bọt vào nước, bão hòa ở màng nước quanh bọt. Tiếp đó nhờ dòng chảy rối và tùy thuộc độ bão hòa, các màng nước quanh bọt sẽ đổi chổ cho nhau và cuối cùng bọt khí nổi lên mặt nước rồi bung ra. Bọt khí nổi lên phía mặt nước rất nhanh nên thời gian tiếp xúc với nước rất ngắn, sự vận chuyển oxy vào nước sẽ ít hơn so với những bọt cùng kích thước nhưng nổi lên chậm. Thời gian tiếp xúc có thể tăng (hoặc giảm) khi giảm tốc độ (hoặc chiều cao) nổi lên của bọt. Nhưng nếu giảm quá nhiều về tốc độ nổi lên của bọt thì sẽ làm giảm độ khuấy trộn của hỗn hợp và tạo nên những vùng chết trong bể. Nhiệt độ tăng sẽ làm giảm độ hòa tan oxy trong nước, nhưng lại tăng tốc độ vận chuyển oxy vì nó ảnh hưởng tới những đặc điểm khác của quá trình vận chuyển oxy. Đặc tính hóa học của nước ảnh hưởng tới nhiều sự vận chuyển oxy. Nồng độ muối hoặc các chất hữu cơ cao thì sẽ làm giảm tốc độ chuyển vận oxy. Bản thân nước thải cũng làm chậm sự chuyển vận oxy. Ngày nay trong nước thải chứa nhiều chất tẩy rửa – hoạt tính bề mặt, cũng ảnh hưởng nhiều tới sự chuyển vận oxy. Nhưng ở nước thải, chất tẩy rửa tổng hợp không làm giảm tốc độ chuyển vận oxy nhiều hơn so với các hợp phần hữu cơ khác. Vấn đề này đã và đang được nghiên cứu. Như vậy hiệu suất chuyển vận oxy ở đầu bể, nơi nước thải và bùn bắt đầu sáo trộn với nhau, sẽ thấp hơn ở khoảng sau đó một ít, khi một phần chất hữu cơ đã bị trao đổi – phân hủy. Khi nhu cầu oxy giảm thì hiệu suất chuyển vận oxy cũng giảm. Ở nơi diễn ra giai đoạn hô hấp nội bào nhu cầu oxy rất ít, hiệu suất chuyển vận oxy sẽ thấp. Nhu cầu chất dinh dưỡng và những yếu tố khác Trong tất cả các hệ xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học, đều cần phải cung cấp các nguyên tố dinh dưỡng cho vi sinh vật để chúng xây dựng tế bào. Nước thải sinh hoạt chứa đủ các nguyên tố mà vi khuẩn cần. Nhưng nhiều loại nước thải công Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 45 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG nghiệp thiếu các nguyên tố tối cần thiết. Đó là Nitơ, Photpho. Lượng cần thiết của các nguyên tố này có thể tính được theo từng điều kiện cụ thể. Các yếu tố môi trường quan trọng là: pH, nhiệt độ và thế oxy hóa – khử. Khoảng giá trị pH = 6,5 – 9 được coi là bình thường đối với hệ bùn hoạt tính. Nếu dưới 6,5 thì nấm bắt đầu phát triển và ở pH = 4,5 thì nấm làm chủ hoàn toàn. Nếu trên 9 thì tốc độ trao đổi chất sẽ bị chậm và ngừng. Thế năng oxy hóa khử là thế năng giữa những tác nhân oxy hóa và khử, chưa kể tới lượng của từng loại chất đó hoặc tính sinh học của chúng. Giá trị thế oxy hóa khử rất quan trọng đối với việc vận hành hệ thống. Nó không phải là nguyên nhân mà là kết quả của phản ứng sinh học. Ngày nay người ta đã nghiên cứu áp dụng rất nhiều loại hình về cấu tạo cũng như sơ đồ công nghệ của bể bùn hoạt tính như: bể bùn hoạt tính kết hợp lắng hai, bể bùn hoạt tính với bể tái sinh riêng biệt bùn hoạt tính, bể bùn hoạt tính nhiều bậc – xử lý triệt để tới hai giai đoạn nitrat hóa và khử nitrat… 6.3. Bể Mêtan Bể mêtan là bể kín. Cả hai loại vi sinh vật Organotrophe đều tham gia các chất thải trong bể mêtan. Các vi sinh vật Orgatrophe phân giải các chất như hydrat cacbon, mỡ, protit và các hợp chất hữu cơ khác để tạo các sản phẩm khác là: các axit béo bậc thấp. Giai đoạn này gọi là giai đoạn tạo axit hay lên mem axit. Những vi sinh vật Litrophe sẽ phân giải sản phẩm của giai đoạn trước để tạo thành mêtan và cacbonic. Giai đoạn này là giai đoạn tạo khí hay lên men kiềm. Hai nhóm vi sinh vật cùng đồng thời tồn tại trong bể, do vậy cả hai giai đoạn tạo axit và tạo khí cùng diễn ra song song. Với điều kiện làm việc bình thường của bể, các sản phẩm tạo ra khi lên men sẽ được các vi sinh vật của giai đoạn sau phân giải hết ngay, cho nên trong bể mêtan quá trình thường diễn ra tới giai đoạn lên men kiềm. Cần thấy rằng, lúc đầu người ta thiết kế xây dựng bể mêtan chứa cặn bùn tới hai, ba tháng. Khi đó vi sinh vật phân giải hết các chất rất chậm. Vì lượng cặn bùn ngày càng tăng nhiều, yêu cầu quá trình phải diễn ra nhanh hơn để giảm dung tính bể. Vì vậy người ta gia nhiệt cho bể để tăng cường quá trình sinh hóa và giảm thời gian lên men. Thêm vào đó, khuấy trộn bằng cơ khí hoặc sục bùn vào cũng làm cho quá trình diễn ra nhanh hơn. Khi đó thời gian lên men có thể chỉ còn 30 ngày thay cho thời gian 4 - 6 tháng trước đó. Lý thuyết cơ sở - cơ chế quá trình Hỗn hợp các chất hữu cơ còn ở dạng cặn không tan nên các vi sinh vật chưa thể phân giải ngay được. Đầu tiên để công phá, chúng phải dùng men ngoại bào. Những men này sẽ thực hiện thủy phân các hỗn hợp thành các chất tan đơn giản mà vi khuẩn có thể sử dụng ngay được. Xenlulo và tinh bột sẽ bị thủy phân thành đường, protein thành axit amin. Chỉ có axit béo là không cần công phá bằng men ngoại bào mà thôi. Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 46 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Từ đó vi sinh vật bắt đầu phân giải chất hữu cơ như ở các chương phần I đã nói. Trong điều kiện yếm khí, vi khuẩn không có nhiều chất nhận hydro, nên quá trình phân giải bị hạn chế trong một thời hạn nhất định. Vi khuẩn buộc phải sử dụng một phần chất hữu cơ đã bị phân giải làm chất nhận hydro. Kết quả là tạo số Mol bằng nhau giữa các chất hữu cơ đã bị oxy hóa. Sự cân bằng giữa oxy hóa và khử tùy thuộc oxy hóa học của chất hữu cơ đang bị phân hủy. Những hydratccbon với tỷ số C:O = 1:1 là những chất bị phân hủy hoàn toàn. Trong khi đó, các axit béo mạch dài thì chưa bị phân hủy ngay. Quá trình trao đổi chất như vậy sẽ dẫn tới việc tạo thành axit và làm cho pH môi trường giảm xuống. Sản phẩm cuối cùng của giai đoạn là một axit nên gọi là giai đoạn axit. Nồng độ cao của axit làm cho pH giảm thấp và làm chậm quá trình trao đổi của vi khuẩn. Tất yếu hệ sinh học cũng sẽ tiến tới sự cân bằng. Nhóm vi khuẩn thứ hai phát triển, sử dụng axit hữu cơ và tạo mêtan, cacbonic. Axit amin bị phân hủy giải phóng amon và trung hòa với axit còn lại. Cứ như vậy, pH lại tăng lên và tạo điều kiện thuận lợi cho vi khuẩn phát triển. Giai đoạn hai này còn gọi là giai đoạn lên men mêtan. Quá trình lên men mêtan có thể giữ cân bằng số vi khuẩn tạo thành axit và vi khuẩn tạo mêtan. Chất hữu cơ cho vào bể sẽ được nhanh chóng chuyển hóa thành mêtan và cacbonic. Khi đột ngột cho vào quá nhiều cặn bùn hữu cơ thì sẽ tạo quá nhiều axit, pH giảm làm hoạt tính của vi khuẩn cũng giảm. Vi khuẩn mêtan rất nhạy cảm với việc giảm pH, dù chỉ giảm rất ít. Vì vậy khi vận hành bể mêtan phải tường xuyên kiểm tra xác định các axit volatin – hữu cơ. Tất nhiên axit hữu cơ chỉ là chỉ tiêu gián tiếp về sự rối loạn đáng lo ngại mà thôi. Khi lên men cặn, hàm lượng axit hữu cơ tăng lên trên 2000 mg/l thì sẽ làm giảm pH tới ngưỡng đáng lo ngại. Nhiều người đổ lỗi cho axit hữu cơ, trong quan hệ giữa chúng và quá trình lên men. Thực ra không hoàn toàn như vậy. Thí nghiệm đã chỉ ra rằng bản thân axit hữu cơ không độc lập với vi khuẩn mêtan. Với điều kiện thích hợp, có thể điều khiển bể mêtan làm việc tốt, tạo nhiều khí, thậm chí với hàm lượng axit hữu cơ 20.000 mg/l. Ở nồng độ đó, nếu giữ pH ở giá trị 6,5 thì vi khuẩn mêtan vẫn hoạt động. Ở điều kiện đó, tốc độ phân giải các chất hữu cơ của vi khuẩn mêtan tùy thuộc nồng độ những cation cần để trung hòa axit hữu cơ, để tạo pH ở những giá trị mong muốn. Giữ pH ở những giá trị mong muốn là một việc khó, nhưng có thể thực hiện được bằng cách cho thêm vôi, nhất là lúc bắt đầu đưa bể vào vận hành. Những ion hóa trị 1 dễ tan như: Na+, K+, NH4+. Những ion hóa trị 2 khó tan: Mg++ và Ca++ kém tan nhất. Iôn này sẽ khử các iôn dư và lại biến thành dung dịch cần trung hòa. Ở bể mêtan hoạt động bình thường, trong thời gian lên men, nồng độ những cation trở nên rất quan trọng, nhất là ion amon. Đối với một số cặn nước thải công nghiệp, người ta cho thêm phân và nước tiểu. Nhưng tăng nồng độ iôn amon trên ngưỡng giới hạn (với nước tiểu) thì lại làm chậm quá trình tạo mêtan. Các loại vi sinh vật z Giai đoạn lên men axit Ở giai đoạn này, người ta thấy nhiều loại sinh vật trong bể mêtan: bao gồm nấm, vi khuẩn Protozoa – là những loài lẫn trong bùn hoạt tính. Trong bể có hai nhóm vi khuẩn là: yếm khí tùy tiện và yếm khí tuyệt đối. Những vi khuẩn tạo axit chủ yếu là loại Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 47 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG tùy tiện. Những vi khuẩn trong bùn hoạt tính, tức là những vi khuẩn hiếu khí cũng chính là những vi khuẩn tồn tại trong giai đoạn đầu của quá trình lên men yếm khí. Những vi khuẩn loài Pseudomonas, Flavobacterium, Alealigrnes, Mircoccua, Sareina Vulgaris, Escherichia Coli – là những vi khuẩn tồn tại trong điều kiện hiếu khí, đồng thời cũng phân bố ở giai đoạn đầu tạo axit, ở bể mêtan. Những vi khuẩn ở giai đoạn này thuộc những nhóm sinh lý khác nhau. Thường gặp nhất là những vi khuẩn phân hủy protit và vi khuẩn amon hóa phân hủy axit amin, tới 1-3 triệu/ml. Trong bể mêtan còn có vi khuẩn khử sunphat. Đó là Desulurvibrio. Số lượng vi khuẩn này tùy thuộc hàm lượng sunphat, khoảng dưới 1 triệu/ml. Số vi khuẩn khử nitrat và vi khuẩn phân hủy xenlulo ít hơn, khoảng dưới 100 ngàn/ml. Ngoài ra còn có cả vi khuẩn phân hủy protit tạo sunphua hydro. Tổng số vi khuẩn hiếu khí trong cặn bùn khoảng 1 – 130 triệu/ml, vi khuẩn yếm khí 15tỷ/ml. Trong giai đoạn lên men axit còn có nhiều nấm và mốc. Các loài nấm như Penicilium, Fusarium, Mucor… Ngoài ra còn có cả Protozoa thảo trùng, trích trùng… Nhìn chung trong bể mêtan, vi khuẩn hiếu khí đóng vai trò chủ yếu khi phân giải các hợp chất hữu cơ, những vi khuẩn hiếu khí trong bùn hoạt tính như vi khuẩn nitrat hóa, nấm, Protozoa chỉ đóng vai trò thứ yếu. z Giai đoạn lên men kiềm Các sản phẩm tạo ra ở giai đoạn một, chưa bị oxy hóa hoàn toàn như: các axit béo bậc thấp, rượu bậc thấp thì tiếp tục bị phân hủy để tạo thành mêtan và cacbonic. Các axit hữu cơ bị phân hủy nên môi trường trở nên kiềm tính. Vì vậy, người ta gọi giai đoạn hai là giai đoạn lên men kiềm hay tạo khí. Ở giai đoạn này, những vi khuẩn mêtan đóng vai trò chủ yếu. Chúng là loài yếm khí tuyệt đối và rất khó phân lập. Do vậy người ta biết về nó rất ít, nhất là về sinh lý. Những vi khuẩn có thể phân lập được là: Methanobacterium, Methanosacrina, Methaococcus. Tất cả những vi khuẩn mêtan đều không tạo nha bào. Về hình thái, chúng có thể lá cầu khuẩn, xoắn khuẩn hoặc trực khuẩn. Về sinh lý thì chúng giống nhau và không thể sinh trưởng khi nồng độ oxy vượt quá 0,1%. Trong điều kiện thí nghiệm người ta có thể nuôi cấy ở môi trường với thế năng oxy hóa khử khoảng 0,36V. Trong điều kiện tự nhiên những vi khuẩn mêtan phát triển cùng với những vi khuẩn yếm khí khác. Những vi sinh vật khác sống hoạt động bên cạnh sẽ tạo thế năng thấp cần thiết cho vi khuẩn mêtan. Những vi khuẩn không thể phân hủy các hợp chất polyme, thậm chí cả hydrat cacbon. Quá trình tạo mêtan cần đối với vi khuẩn mêtan để chúng thu năng lượng. Tất cả những vi khuẩn mêtan đều có thể khử được cacbonic nhờ hydro… Ngoài ra nhiều loại còn có thể tạo mêtan từ các hợp chất hữu cơ đơn giản. Zavarin GA đã kiến nghị chia vi khuẩn mêtan thành 4 nhóm: Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 48 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG 4H2 + CO2 CH4 + 2H2O Hoặc 4HCOOH 4H2 + 4CO2 CH4 + 3CO2 + 2H2O Nhóm ngoài phản ứng trên còn có thể tạo mêtan từ axit axêtic: CH3COOH 4H2 + 4CO2 CH4 + 3CO2 + 2H2O Nhóm ngoài hai phản ứng trên còn có thể sử dụng cả mêtanol, diễn ra quá trình oxy hóa khử giữa hai phân tử rượu: CH3OH + CH3OH CH4 + HCOOH + H2 HCOOH H2+CO2 2CH3OH + 2H2 2CH4 + 2H2O 4CH3OH 3CH4 + CO2 + 2H2O Nhóm có khả năng sử dụng axit hữu cơ: 2CH3CH2CH2COOH + CO2 + H2 2CH3CH2COOH + 2CH3COOH + CH4 Hoặc 4CH3CH2COOH + 2H2O 4CH3COOH + CO2 + CH4 Như vậy, trong số vi khuẩn mêtan có cả Organotrophe và Litotrophe. Những vi khuẩn mêtan thường cạnh tranh với vi khuẩn khử sunphat là loại yếm khí tùy tiện. Hai quá trình tạo sunphua hydo và tạo mêtan thường khử lẫn nhau. Vì vậy trong bể mêtan, ở giai đoạn đầu tạo sunphua hydro và giai đoạn hai tạo mêtan. Sẩn phẩm cuối cùng của giai đoạn hai, ngoài mêtan còn có CO2 Phân tích cơ chất trong bể mêtan cho thấy chứa rất nhiều loại men. Trong cặn có rất nhiều loại men Dehydrogenaza (trong đó có Nicotinamidadenindinucleotit, Nicotinamidadenuclcotidphotphat, Cofeemen A, Kinaza B12, Enolaza, Transamilaza, Liaza, các men tham gia trong chu trình axit tricacbonic, thậm chí cả men thuộc nhóm xitochom). Do đó cơ chế của quá trình phân giải yếm khí các hợp chất hữu cơ cũng tương tự như quá trình oxy hóa hiếu khí. Điều khác nhau cơ bản là: khi phân giải yếm khí, chất nhận điện tử là hợp chất hữu cơ, dioxyt cacbon chứ không phải oxy phân tử. Ngoài các men oxy hóa khử, trong bể mêtan còn có cả men Glicolitic ngoại bào, như men Proteaza, Amilaza, Lipaza, tức là những men phân hủy chất đạm, xơ, tinh bột, mỡ. Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 49 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Khi phân hủy proteit, nhờ men Proteaza sẽ tạo thành polypeptit và axit amim. Tiếp đó bằng nhiều cách khác nhau, tùy thuộc loại vi sinh vật tham gia quá trình, những axit amin sẽ phân hủy do men Transaminaza, tạo các nhóm amin và axit béo. Trong điều kiện yếm khí mỡ sẽ nhờ men Lipaza, đầu tiên thành glixerin và axit béo, sau đó glixerin qua giai đoạn tạo aldehit photpho – glierinoic rồi biến thành axit piruvic, còn các chuỗi dài của axit béo bị phân hủy bằng cách oxy hóa nguyên tử cacboxyl, gọi là bêta – oxy hóa. Chất nhận điện tử khi oxy hóa yếm khí các axit béo là CO2 sẽ tạo ra axetat (theo Macaty 1996). Lý thuyết vận hành Xem qua, tưởng rằng quá trình lên men yếm khí đơn giản hơn so với quá trình hiếu khí. Nhưng thực chất đó là vấn đề khá phức tạp liên quan với động học quần thể của hệ yếm khí. Nhũng vi khuẩn yếm khí phải thực hiện trao đổi chất – phân hủy chất hữu cơ nhiều hơn so với quần thể hiếu khí. Nếu giữ quần thể vi khuẩn không đổi thì hệ yếm khí phải được cung cấp chất hữu cơ nhiều gấp 5 lần so với hệ hiếu khí. Thực tế phải thiết kế bể mêtan với tải trọng cặn bùn nước thải là 1,6kg chất khô không tro trong ngày đêm trên 1m3 bể. Vì tới 40 – 50% chất khô không tro không bị phân hủy sinh học, cho nên thực tế tải trọng chỉ khoảng 0,5kg/mgđ mà thôi, là phân hủy được. Trong khi đó ở bể aeroten thông thường thì tải trọng BOD5 khoảng 0,5kg/mngđ. Bể mêtan được vận hành với thời gian bùn lưu lại lâu hơn nhiều với nồng độ theo chất khô cao hơn. Sinh khối hoạt tính của vi sinh vật rất nhỏ, chỉ dưới 1% so với tổng chất khô bị khử. Với sinh khối hoạt tính nhỏ như vậy, rõ ràng sẽ ít chất hữu cơ (dễ bị oxy hóa) chứa trong cặn sau khi xả khỏi bể mêtan. Nguồn BOD chủ yếu chứa trong nước cặn do phần nitơ amon giải phóng ra khi phân hủy protein vẫn còn chưa kịp nitrat hóa. Quần thể vi sinh vật rất ít cho nên bể mêtan rất nhạy cảm đối với sự thay đổi tải trọng. Người ta xác định được rằng, trong bể mêtan, tới 70 – 75% mêtan tạo ra do phân hủy axit axêtic, còn lại 25 – 30% mêtan tạo ra do tổng hợp từ CO2 và H Lượng vi khuẩn tạo mêtan từ hydro nhiều hơn lượng vi khuẩn tạo mêtan do phân hủy axit béo. Trong