công nghệ sinh học môi trường bài 1 trao đổi chất của vi khuẩn trong các hệ thống xử lý nước thải

CÔNG NGHỆ SINH HỌC
MÔI TRƯỜNG
THS: VƯU NGỌC DUNG
CHƯƠNG TRÌNH HỌC
BÀI 1: TRAO ĐỔI CHẤT CỦA VI KHUẨN TRONG
CÁC HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI
BÀI 2: XỬ LÝ CÁC HỢP CHẤT HỮU CƠ KHÓ
PHÂN HỦY
BÀI 3: XỬ LÝ ĐẤT VÀ THẢI BỎ
BÀI 4: XỬ LÝ Ô NHIỄM TẠI CHỖ (IN-SITU)
BÀI 5: XỬ LÝ CHẤT THẢI HỮU CƠ
BÀI 6: XỬ LÝ KHÍ THẢI
PHẠM VI NGHIÊN CỨU
ĐẤT
NƯỚC
KHÔNG KHÍ
CÔNG CỤ XỬ LÝ
• VI SINH VẬT
• ĐỘNG VẬT KHÔNG XƯƠNG SỐNG
• THỰC VẬT
Ảnh hưởng của CNSHMT
CNSHMT
ĐỘNG
VẬT
VI SINH
VẬT
THỰC
VẬT
TIÊU THỤ VÀ XỬ LÝ
ĐẤT
NƯỚC

KHÔNG KHÍ
TIÊU THỤ VÀ
PHÂN HỦY
TIÊU THỤ VÀ
XỬ LÝ
BÀI 1: TRAO ĐỔI CHẤT CỦA VI KHUẨN
TRONG CÁC HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI
1. GIỚI THIỆU
2. SỰ PHÂN HUỶ CÁC HỢP CHẤT CARBON HỮU CƠ
TRONG HỆ SINH THÁI TỰ NHIÊN VÀ NHÂN TẠO
3. QUÁ TRÌNH LOẠI NITƠ TRONG HỆ THỐNG XỬ LÝ
NƯỚC THẢI
4. QUÁ TRÌNH LOẠI PHOSPHATE BẰNG BIỆN PHÁP
TĂNG CƯỜNG SINH HỌC
5. XỬ LÝ CÁC ION KIM LOẠI TỪ NƯỚC THẢI BỊ Ô
NHIỄM
1.1. GIỚI THIỆU
• Nước thải được định nghĩa là nước đã qua quá
trình sử dụng.
• Nước bị biến đổi tính chất vật lý (chẳng hạn
như bị gia tăng nhiệt độ chỉ cần hạ thấp nhiệt
là có thể thải bỏ an toàn vào hệ thống nước
mặt)
• Nếu nước bị ô nhiễm hóa chất thì cần phải xử
lý bằng các biện pháp cơ học, hoá học và sinh
học hay có thể kết hợp các biện pháp với nhau.
1.2. SỰ PHÂN HUỶ CÁC HỢP CHẤT CARBON HỮU
CƠ TRONG HỆ SINH THÁI TỰ NHIÊN VÀ NHÂN TẠO
• Thông qua các quá trình dị hoá của vi sinh vật, tảo, nấm men và
vi nấm, chuyển hoá trực tiếp hoặc gián tiếp.

• Quá trình cố định carbonic thông qua quang hợp tạo thành sinh
khối thực vật, các thực vật là nguồn thức ăn cho động vật (tạo
thành chất mùn, phân, nước tiểu )
• Các nguồn carbon cũng có thể quay trở lại nguồn gốc sinh học
ban đầu từ dầu, khí thiên nhiên, hoặc than đá. Trong điều kiện kỵ
khí và thiếu thông qua quá trình biến đổi sinh học và/hoặc địa
hoá.
• Carbon hoá đi vào chu trình CO
2
không khí ngay khi các hợp
chất này bị đốt làm nhiên liệu hoặc được sử dụng làm nguồn tạo
năng lượng trong công nghiệp hoặc trong sinh hoạt.
• Quá trình phân huỷ sinh học xảy ra trong điều kiện có oxy
phân tử thông qua hô hấp, không đủ oxy thông qua việc khử
nitrate, hoặc kỵ khí thông qua quá trình tạo methane và
sulfide.
- Quá trình hô hấp: các chất hữu cơ hoà tan, các chất cao phân
tử sinh học (polymer sinh học) ngoại bào có thể hoà tan
được như carbohydrate, protein, chất béo hoặc lipid trong
hệ thống bùn hoạt tính sẽ hình thành CO
2
, nước và một
lượng lớn bùn dư và một ít NH
3
và H
2
S có thể hình thành
do phân huỷ các amino acid.
- Các tác nhân khử nitrate chính là những vi sinh vật hiếu khí
có khả năng chuyển từ quá trình biến dưỡng hô hấp sang sử

dụng nitrate hoặc nitrite như là chất nhận điện tử cuối cùng
nếu tăng trưởng trong điều kiện thiếu oxy. Khi lượng
nitrate trong sinh khối được sử dụng hết hoàn toàn, thế oxi
hoá khử sẽ xuống đủ thấp cho quá trình tăng trưởng của vi
sinh vật kỵ khí nghiêm ngặt, như các vi khuẩn sinh methane
và vi khuẩn khử sulfate.
- Nếu giữa các bông bùn trong hệ thống bùn hoạt tính có hình
thành các vùng kỵ khí, bằng cách giới hạn nguồn cung cấp
oxy, các vi khuẩn sinh methane và vi khuẩn khử sulfate có
thể phát triển ở giữa bông bùn và tạo ra một lượng nhỏ
methane và H
2
S tìm thấy trong dòng khí đầu ra.
- Trong điều kiện kỵ khí hoàn toàn, các hợp chất carbon hoà
tan bị phân huỷ từng bước thành CH
4
, CO
2
, NH
3
và H
2
S
thông qua hiện tượng tương tác cộng dưỡng (syntrophic
interation) của vi khuẩn lên men và sinh acetate với vi
khuẩn sinh methane và vi khuẩn khử sulfate. Trong môi
trường kỵ khí và không có sulfate thì methane và CO
2
là các
sản phẩm chính, tuy nhiên, trong môi trường có sự hiện diện

của sulfate thì sản phẩn chính là CO
2
và sulfide.
Đánh giá tổng quát về sự chọn lựa hệ thống
xử lý nước thải hiếu khí hay kỵ khí
Nếu thiết lập hệ thống xử lý nước thải và rác thải theo phương
pháp hiếu khí hay kỵ khí, sau đây là một số điểm cần xem
xét:
• Xử lý kỵ khí nhìn chung không cho kết quả giá trị các chỉ
tiêu ô nhiễm COD, BOD
5
hay TOC thấp như hệ thống hiếu
khí và không đủ để đạt tiêu chuẩn theo các luật về môi
trường.
• Xử lý kỵ khí cho rác thải và nước thải thường được xem là
quy trình tiền xử lý để làm tối giảm nhu cầu oxy và sự hình
thành bùn thừa cho giai đoạn xử lý hiếu khí tiếp theo sau.
• Nước thải có hàm lượng chất ô nhiễm cao nên xử lý theo
phương pháp kỵ khí do có khả năng tái tạo năng lượng nhờ
khí sinh học và tạo ra lượng bùn thừa cần thải bỏ ít hơn nhiều.
• Nước thải có hàm lượng chất ô nhiễm hữu cơ thấp nên xử lý
bằng phương pháp hiếu khí.
• Hiệu quả phân huỷ COD đối với sinh khối trong bùn thải hay
nước thải đậm đặc thể tích lớn nhìn chung dường như là
tương đương giữa vi khuẩn kỵ khí và hiếu khí.
• Tốc độ phân huỷ trong quy trình xử lý hiếu khí có thể nhanh
hơn trong quy trình xử lý kỵ khí.
• Hệ thống xử lý hiếu khí có giá thành cao hơn và tạo ra lượng
bùn dư cần thải bỏ nhiều hơn.
• Hệ thống xử lý kỵ khí có chi phí thiết kế cao hơn nhưng chi

phí vận hành thấp hơn so với hệ thống xử lý hiếu khí.
1.3. QUÁ TRÌNH LOẠI NITƠ TRONG HỆ
THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI
• Các hợp chất có chứa nitơ trong nước thải bao gồm chất hữu cơ
và chất vô cơ.
• Cùng với phosphate, các chất này chính là nguồn chính gây nên
sự phú dưỡng cho nước mặt.
• Quá trình loại nitơ cần phải trải qua tối đa 3 giai đoạn theo thứ
tự: ammonia hoá, nitro hoá, và khử nitro hoá.
• Phản ứng cắt urea bởi enzyme urease:
• NH
2
CONH
2
+ H
2
O → CO
2
+ 2 NH
3
1.3.1. Quá trình ammonia hóa
Quá trình phân huỷ protein và các amino acid theo nhiều cơ chế
ammonia hoá khác nhau, bao gồm khử amin theo thuỷ phân, oxi
hoá, khử và khử bão:
R–NH
2
+ H
2
O → R–OH + NH
3

R–CHNH
2
COOH + H
2
O → R–CO–COOH + 2 (H) + NH
3
R–CHNH
2
–COOH +
2
(H) → R–CH
2
-COOH + NH
3
R–CH
2
–CHNH
2
–COOH → R–CH=CH–COOH + NH
3
Một lượng đáng kể ammonia tạo ra từ quá trình cắt urea và từ
quá trình ammonia hoá các amino acid sẽ bị các vi khuẩn đồng hoá
cho quá trình tăng trưởng trong quy trình xử lý hiếu khí (tạo thành
bùn thừa).
Có thể ước lượng rằng vi khuẩn chứa vào khoảng 50% protein
và tỉ lệ nitơ trong protein là vào khoảng 16%. Do đó, để tổng hợp
thành 1 g sinh khối vi khuẩn, lượng N-ammonia cần tiêu thụ vào
khoảng 0,08 g.
1.3.2. Quá trình nitrate hóa ammonia
1.3.2.1. Nitrate hóa tự dưỡng

Vi khuẩn nitro hoá tự dưỡng là các vi sinh vật hiếu khí oxi hoá
ammonia thành nitrite
Quá trình oxi hoá ammonia thành nitrte hay oxi hoá nitrite
thành nitrate là các quá trình tạo ra năng lượng dùng cho sự
tăng trưởng tự dưỡng của các vi khuẩn nitro hoá.
CO
2
được đồng hoá qua chu trình Calvin.
1.3.2.2. Nitrate hóa dị dưỡng
Một vài loài vi khuẩn thuộc chi Arthrobacter,
Flavobacterium và Thiosphaera có khả năng xúc tác quá trình
nitro hoá dị dưỡng của các cơ chất hữu cơ chứa nitơ:
R–NH
2
→ R–NHOH → R–NO → NO
3
–
Các vi khuẩn nitro hoá dị dưỡng oxi hoá các hợp chất nitơ có
tính khử, như hydroxylamine và các chất chứa nitơ vòng thơm
và nitơ không vòng, nhưng ngược với quá trình nitro hoá tự
dưỡng, quá trình nitro hoá dị dưỡng không tạo ra năng lượng
khi hình thành nitrate.
Một vài loại vi khuẩn nitro hoá dị dưỡng có khả năng khử
nitrate hoặc nitrite trong điều kiện tăng trưởng hiếu khí.
1.3.3. Khử nitrate hóa
(loại bỏ nitrate khỏi nước thải)
Nhiều loại vi khuẩn hiếu khí dường như có khả năng chuyển
từ cơ chế oxi hoá sang quá trình hô hấp nitrate.
Tương tự như quá trình hô hấp oxy, quá trình hô hấp nitrate
của các vi khuẩn dị dưỡng cần có một nguồn carbon phức hợp

làm nguồn cung cấp điện tử cho quá trình khử nitrate
Quá trình khử nitrate bắt đầu bằng việc khử nitrate thành
nitrite nhờ enzyme khử nitrate A gắn trên màng tế bào (a). Sau
đó, enzyme khử nitrite gắn trên màng tế bào (b) xúc tác quá
trình hình thành NO. Cuối cùng, enzyme khử NO (c) và
enzyme khử N
2
O (d) tạo ra N
2
.
1.3.4. Ôxy hóa ammonia kị khí (Anamox®)
Hai loài vi khuẩn oxi hoá ammonia kỵ khí thuộc bộ
Planctomycetales là Brocardia anammoxidans và Kuenenia
stuttgartiensis.
Trong quy trình Anamox, ammonia bị oxi hoá thành nitơ, nitrite
đóng vai trò chất nhận điện tử, nitrite bị khử thành hydroxylamine
(Phản ứng 1), sau đó, phản ứng với ammonia tạo thành hydrazine
(N
2
H
4
, Phản ứng 2). Qua quá trình oxi hoá hydrazine thành nitơ
phân tử (Phản ứng 3),
2 HNO
2
+ 4 XH
2
→ 2 NH
2
OH + 2 H

2
O + 4 X (1)
2 NH
2
OH + NH
3
→ 2 N
2
H
4
+ 2 H
2
O (2)
2 N
2
H
4
+ 4 X → 2 N
2
+ 4 XH
2
(3)
• Trong môi trường có lượng oxy giới hạn (ví dụ như mặt
giao giữa vùng có oxy và thiếu oxy của màng sinh học hoặc
bông bùn), các vi khuẩn oxi hoá ammonia kỵ khí và hiếu
khí là kết hợp với nhau một cách tự nhiên.
• Ammonia bị oxi hoá thành nitrite và đồng thời, hàm lượng
oxy giảm. Vi khuẩn anammox chuyển đổi nitrite và lượng
ammonia còn lại thành N
2

.
• Khi hàm lượng ammonia bị giới hạn, ái lực của các vi
khuẩn oxi hoá ammonia kỵ khí và hiếu khí có thể làm cho
mối cộng tác tự nhiên thay đổi trở thành cạnh tranh.
1.4. QUÁ TRÌNH LOẠI PHOSPHATE BẰNG
BIỆN PHÁP TĂNG CƯỜNG SINH HỌC
• Vi sinh vật hấp thu lượng phosphate cần thiết cho quá trình
tăng trưởng tế bào.
• Phosphate chiếm đến 12% khối lượng tế bào trong các tế
bào vi khuẩn tích luỹ polyphosphate (Acinetobacter sp.),
trong khi ở vi khuẩn không tích luỹ phosphat, tỉ lệ này chỉ
là 1 – 3%
• Acinetobacter sp. trải qua quá trình hô hấp β-
hydroxybutyrate để thu năng lượng cho quá trình tăng
trưởng , duy trì hoạt động sống, quá trình tạo glycogen và
quá trình trùng hợp phosphate hấp thu trong nước thải.
• Các vi khuẩn tích luỹ polyphosphate trải qua các điều kiện
môi trường kỵ khí và hiếu khí theo trình tự.
• Photpho được xử lý một phần vào tạo tế bào vsv, một phần
tạo năng lượng và số khác là các chất sinh ra như acid béo
hữu cơ.
• 10 30% photpho được khử trong quá trình khử BOD.
• Trong điều kiện kỵ khí, sulfate bị khử thành sulfide, một
lượng nhỏ sulfide cần thiết cho sự tăng trưởng của vi khuẩn
nhưng sẽ gây độc cho vi khuẩn nếu tồn tại dưới dạng H
2
S ở
hàm lượng cao.
• pH kiềm nhẹ trong điều kiện kỵ khí, hầu hết sulfide kết tủa
dưới dạng sulfide kim loại nặng, do đó, không gây độc cho

vi sinh vật và môi trường.
1.5. XỬ LÝ CÁC ION KIM LOẠI TỪ NƯỚC
THẢI BỊ Ô NHIỄM
• Hầu hết các thành phần vô cơ trong nước thải tồn tại ở dạng
hoà tan hoặc ion.
• Nhiều ion dương và ion âm ở hàm lượng vết là các chất vi lượng
thiết yếu cho sự tăng trưởng của vi khuẩn.
• Các chất ô nhiễm ion kim loại trong nước thải có thể được loại
bỏ nhờ vi sinh vật thông qua tác động trực tiếp hoặc gián tiếp
lên trạng thái oxi hoá khử của các ion kim loại hoặc thông qua
quá trình hấp phụ sinh học các ion kim loại lên bề mặt tế bào.
• Một số loại vi sinh vật cũng phát triển cơ chế kháng lại các kim
loại gây độc bằng cách thay đổi trạng thái oxi hoá để không làm
tác động đến quá trình tăng trưởng kỵ khí.
• Một số loài vi khuẩn, nấm men, nấm vào tảo nhất định có
thể tích luỹ chủ động các ion kim loại bên trong tế bào
ngược gradient nồng độ.
• Quy trình tích luỹ sinh học các ion kim loại phụ thuộc vào
hoạt động sống và biến dưỡng của tế bào. Một quy trình thụ
động không cần năng lượng, cũng có thể thực hiện bởi các
vật chất tế bào bất hoạt.
• Quá trình hấp phụ sinh học các ion kim loại gồm các cơ chế
như trao đổi ion, tạo phức, bẫy ma trận, hấp phụ bề mặt
• Sau quá trình hấp phụ sinh học hoạt loại bỏ chủ động các
ion kim loại từ nước thải hoặc đất ô nhiễm, sinh khối chứa
kim loại cần phải được tách biệt và đốt hoặc tái chế thông
qua quá trình giải hấp hoặc tái linh động hoá các kim loại.
Bảng: Các kim loại đóng vai trò chất nhận điện tử trong hô hấp
kỵ khí
• Các kim loại hoá trị bốn có thể loại bỏ bằng các chất tạo

phức (như EDTA) hoặc cố định trong sinh khối từ môi
trường ô nhiễm.
• Nấm có khả năng rửa các muối kim loại dạng hoà tan cũng
như không tan, do nấm tiết ra các acid hữu cơ như acid
citric, acid fumaric, acid lactic, acid gluconic,…các acid
này hoà tan các muối kim loại và tạo thành phức với ion
kim loại.