Xử lý nước thải bằng phương pháp vi sinh vật

MỞ ĐẦU
Hiện nay, xã hội đang trên đà phát triển, các công nghệ kỹ thuật tiên
tiến được áp dụng vào quá trình xây dựng và phát triển cơ sở hạ tầng cũng
như đầu tư vào quy trình công nghệ sản xuất ngày càng phong phú, đặc biệt
trong các ngành công nghiệp, cùng với sự phát triển đó môi trường cũng bị
ảnh hưởng và chủ yếu là theo hướng tiêu cực, đặc biệt là môi trường nước.
Bất kỳ loại hình công nghiệp nào cũng sử dụng một lượng lớn nước tiêu
dùng và thải ra không ít nước thải từ quá trình sản xuất, vấn đề đặt ra ở đây
là làm thế nào để lượng nước thải sau xử lý đủ tiêu chuẩn để có thể đổ ra
môi trường hoặc tái sử dụng nhằm tiết kiệm về nguồn năng lượng cũng như
kinh tế cho sản xuất.
Xử lí nước thải là quá trình phân huỷ các hợp chất gây ô nhiễm thành những
chất ít hoặc không gây ô nhiễm, keo tụ và làm trong nước thải. Trong một số trường
hợp, thay vì phân hủy có thể chuyển hóa các chất ô nhiễm thành những chất có ích
như năng lượng hay sinh khối. Hiện nay, trong lĩnh vực nước thải có tới 80% lượng
nước thải được coi là có thể xử lý bằng công nghệ sinh học. Đó là nước thải sinh
hoạt chứa chất ô nhiễm hữu cơ, các hợp chất N, P; nước thải công nghiệp chứa các
hợp chất hữu cơ sinh hủy được, ở mức độ nhất định công nghệ sinh học xử lý được
cả các hóa chất độc, kể cả các kim loại nặng thường có nguồn gốc nhân tạo.
Quá trình xử lý nước thải trong môi trường chủ yếu là các vi sinh vật như
virus, vi khuẩn, tảo đơn bào...Vì vậy, với mục đích xử lý nước thải người ta thường
quan tâm chủ yếu đến nhóm vi sinh vật trong nước.
Từ yêu cầu của xã hội cũng như vai trò của vi sinh vật trong nước đã
nêu trên, nhóm chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu đề tài “ Xử lý nước thải
bằng phương pháp vi sinh vật”.
B – NỘI DUNG
1
1. Cơ sở khoa học ( lý thuyết ) của phương pháp:
Mục đích oxi hóa hết các hợp chất hữu cơ có khả năng hòa tan. Sử dụng hoạt
động của VSV để phân hủy hết các hợp chất hữu cơ gây nhiễm bẩn trong nước thải.
VSV sử dụng chất hữu cơ làm nguồn dinh dưỡng, năng lượng. Trong quá trình dinh

dưỡng chúng nhận chất dinh dưỡng tạo tế bào mới, sinh trưởng, sinh sản nên tế bào
của chúng tăng lên. Quá trình phân hủy chất hữu cơ nhờ VSV là quá trình OXH
sinh hóa.
VSV có vai trò quyết định chúng có thể sử dụng hợp chất hữu cơ ở thể rắn cũng
như hòa tan trong nước và phân giải chúng đến muối vô cơ, CO
2
và nước. trong
những trường hợp thuận lợi nhất của môi trường chúng đóng vai trò quan trọng
trong chuyển hóa chất gây ô nhiễm nhưu chúng có thể cung cấp oxi cho môi trường
nước, tiết vào môi trường các chất có khả năng kìm hãm sinh trưởng của VSV có
hại, ngoài ra chúng có thể hấp thụ các kim loại nặng.
• Một số VSV điển hình trong nước thải:
- VSV phân giải protein:
Protein → NH
3
→ No
2
→ NO
3
Ví dụ ở vi khuẩn Pseudomomas
Quá trình phân giải pr hay quá trình amon hóa chất hữu cơ chứa Nito phổ biến là
là protein bởi các vi khuẩn amon điển hình là vi khuẩn Pseudomonas. Nhờ men
ngoại bào của vi khuẩn này mà pr sẽ bị phân giải thành các hợp chất đơn giản hơn
như polipeptit, oligopeptit….nhờ enzim peptitaza phân giải thành các axit amin.
Một phần các axit amin sẽ được VSV sử dụng tổng hợp protein xây dựng tế bào
mới, một phần sẽ bị phân giải tiếp theo những con đường khác nhau tạo ra các sản
phẩm trung gian khác.
- VSV phân giải chất béo: nhiều VSV có khả năng phân giải chất béo Bacillas,
Serratina, Psendomonas… với sự có mặt của VSV này chất béo bị thủy phân nhờ
enzim lipaza nội bào hoặc ngoại bào tạo thành Gliserin và axit béo sau đó Gliserin

và axit béo bị ô xi hóa theo nhiều con đường khác nhau.
- Phân giải Gluxit ( tinh bột) trong điều kiện hiếu khí có vi khuẩn
pseudomonas, Astiomyces, Bacilulus… trong trường hợp này tinh bột bị phân giải
thành đường, đường lại bị phân giải thành CO
2
và sản phẩm khác. Trong điều kiện
2
kỵ khí vi khuẩn gây thối như Clotridium phân giải thành etanol, axit Focmic, axit
acetic…
Bảng 1- Các họ vi khuẩn và đối tượng chất thải công nghiệp xử lý được
Loại chất thải Họ (genus) vi khuẩn (vi sinh)
Hydro carbon no Achromobacter
Acinetobacter
Arthrobacter
Bacillus
Flavobacterium
Micrococcus
Mycobacterium
Pseuodmonas
Vibrio
HC nông nghiệp (trừ sâu, diệt cỏ) Achromobacter
Alcaligenes
Arthrobacter
Athiorocaceae
Corneybacterium*
Flavobacterium
Methylomonas
Penicillium*
Pseudomonas
Zylerion*

Phẩm màu Aeromonas
Micrococcus
Klebsiella
Pseudomonas
Phaneorchaete*
Shigella
Trametes*
Thực phẩm, giết mổ Acinetobacter
Arthrobacter
Bacillus
Brevibacterium
Nitrosomonas
Pseudomonas
Rhodococcus
Vibrio
Kim loại Aeromonas
Alteromonas
Bacillus
Enterobacter
Pseudomonas
Saccharomyces
Giấy, bột giấy Arthrobacter
Eisenia
Chromobacter
Sporotrichum*
Talaromyces*
Trichoderma*
Xanthomonas
Dung môi Alcaligenes
Citrobacter

Desulfomonite
Enterobacter
Morganeela
Mycobacterium
Nitrosomonas
Nocardia
Pseudomonas
Rhodococcus
Xanthobacter
2. Hoạt động và các quá trình xử lý chính của vi sinh vật
3
Ở trong nước thải còn mới có ít vi sinh vật, nếu trong nước thải có nhiều chất
độc cần xử lý sơ bộ để giảm nồng độ chất độc và phù hợp với sự phát triển của
VSV. Sau một thời gian VSV thích nghi, sinh sản phát triển tăng sinh khối tạo thành
quần thể VSV có trong nước kéo theo sự phát triển của giới thủy sinh. Các VSV
sống trong nước thải chủ yếu là nhóm VSV hoại sinh và dị dưỡng.
Quá trình hấp thụ các hợp chất hữu cơ nhờ VSV trải qua 3 giai đoạn: chất
hữu cơ tiếp xúc với màng vi sinh vật, khuyế tán các chất qua màng tế bào VSV,
chuyển hóa các chất trong nội bào. Các giai đoạn này có mối liên quann chặt chẽ,
chính nhờ khả năng chuyển hóa các chất có khả năng phân hủy ở trong nước.
2.1 Quá trình hiếu khí:
* Chuyển hóa C: Phương trình mẫu chuyển hoá hiếu khí 1 mol gluco (M =180 g)
là:
1C
6
H
12
O
6
+ 6O

2
→ 6CO
2
+ 6H
2
O + E = 2.870 kJ (1)
(1) Nếu tải BOD cao (khoảng >0.6 kg m
–3
d
–1
BOD), nghĩa là dư thừa thức ăn so với
sinh khối thì khoảng 0,5 mol (90 g) sẽ được ôxi hoá thành CO
2
và nước, ứng với
nhu cầu 3 mol O
2
(96 g), sinh ra 19 mol ATP (Hình 1). Còn lại 0,5 mol gluco (90 g)
chuyển hoá thành pyruvat theo một trong ba cơ chế chuyển hoá gluco (glycolytic
pathways), khi đó sẽ tạo thành 0,5–1 mol ATP. Pyruvat sẽ chuyển hoá tiếp tạo các
sản phẩm, ví dụ như axetat hoặc đicarboxylic axit được sử dụng làm nguyên liệu để
tổng hợp tế bào vi sinh mới.
4
Hình 1- Cân bằng chất và năng lượng trong quá trình vi sinh hiếu khí
Tối đa ta có 20 mol ATP tham gia vào tổng hợp tế bào (Hình 1). Ở pH = 7, quá trình
thuỷ phân ATP thành ADP và phosphat vô cơ sinh ra 44 kJ/1 mol ATP. Tính trung
bình để sinh ra 4,75 g sinh khối vi khuẩn hiếu khí cần 1 mol ATP (Lui, 1998), 90 g
sinh khối cần 180 g gluco. Thiêu nhiệt của 1g sinh khối khô = 22 kJ, khoảng 890 kJ
(2870 – 980 kJ) tiêu thụ (Hình 1) là tổng năng lượng toả ra trong quá trình hô hấp
và tái tạo tế bào.
(2) Nếu tải BOD thấp, phần gluco tích luỹ dưới dạng sinh khối sẽ giảm. Khi đó

khoảng gần 0,7 mol (126 g) gluco được ôxi hoá thành CO
2
, ứng với tiêu thụ 4,2 mol
O
2
(134,4 g). Khi đó chỉ có 30% lượng cacbon chuyển hoá thành sinh khối (trường
hợp đầu là 50% lượng cacbon).
Có thể áp dụng các phép tính này để đánh giá gần đúng quá trình xử lí trong hồ, bồn
hiếu khí thực tế. Ví dụ, ta có nước đầu vào chứa 3,6 g L
–1
(chất hữu cơ trong nước
thải) và nếu 50% chất hữu cơ bẩn được phân huỷ sinh học sinh ra 0,9 g L
–1
sinh
khối mới, khi đó 2,7 g L
–1
chất bẩn sẽ còn lại ( = 3,6 – 1,8 + 0,9) trong nước đầu ra
(kể cả sinh khối). Nếu lắng hết sinh khối nước đầu ra chứa 1,8 g/L.
* Nitrat hoá:
Khi trong hệ có amôni, sau khi hữu cơ ôxi hoá gần hết sẽ xảy ra sự ôxi hoá amôni
trước hết thành nitrit, rồi thành nitrat. Các vi khuẩn nitrit hoá là Nitrosomonas,
5
Nitrosococcus, Nitrosolobus, Nitrosospira, và Nitrosovibrio; nitrat hoá là các loại
(genera) Nitrobacter, Nitrococcus, and Nitrospira. Phản ứng nối tiếp như sau:
NH
4
+
+ 1,5O
2
→ NO

2
–
+ 2H
+
+ H
2
O (xx)
NO
2
–
+ 0,5O
2
→ NO
3
–
(xx)
Tuy ôxi hoá amoni là quá trình toả nhiệt nhưng các loại vi khuẩn đã nêu thuộc nhóm
tự dưỡng (autotrophs), khi đó CO
2
(hoặc HCO
3
-
) là nguồn cacbon để tổng hợp tế
bào qua chu trình Calvin. Do thế ôxi hoá của các hợp chất N dạng ôxi hoá khá cao
nên khó tạo thành NADH
2
để khử CO
2
, NADH
2

buộc phải tổng hợp thông qua quá
trình trao đổi điện tử ngược thu nhiệt. Vì vậy hiệu suất tạo sinh khối nitrit và nitrat
hoá thấp. Ví dụ: Nitrosomonas sp. phải ôxi hoá tới 30g NH
3
mới tạo được 1g sinh
khối (Schlegel, 1992).
2.2. Quá trình yếm khí:
Phương trình tổng của phản ứng yếm khí phân huỷ chất hữu cơ như sau:
C
c
H
h
O
o
N
n
S
s
+ 1/4(4c–h–2o+3n+2s)H
2
O
→ 1/8(4c –h+2o+3n+2s)CO
2
+ 1/8(4c + h – 2o – 3n – 2s)CH
4
+ nNH
3
+ sH
2
S

Thành phần khí (được gọi là biogas-khí sinh học) và giá trị nhiệt lượng phụ thuộc
vào thành phần đầu vào và được cho ở bảng 2.
Bảng 2- Sự phụ thuộc thành phần biogas và dự trữ năng lượng biogas vào thành phần thải
Cơ chất Luợng, cm
3
/g
Biogas
%CH
4
%CO
2
Thiêu nhiệt
kWh/m
3(d)
Cacbonhyđrat
a
Chất béo
b
Đạm
746,7
1434
636
50
71
60
50
29
40
4,95
7,02

5,93
a
Tính cho đường hexoza;
b
Tính cho triglixerit với 3 mol axit palmitic;
c
Tính cho polyalanin với sự
phân huỷ N thành NH
4
+
rồi thành (NH
4
)
2
CO
3
Tính chung cho các chất thải quá trình YK bao gồm 3 giai đoạn với sản phẩm cuối
là biogas (CH
4
+ CO
2
) được mô tả như sơ đồ rút gọn sau:
6