Nghiên cứu mô hình hoá quá trình khử photpho trong nước thải bằng phương pháp sinh học

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH HOÁ QUÁ TRÌNH KHỬ PHOTPHO
TRONG NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC

NGÀNH: CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG
NGUYỄN THỊ VÂN ANH

Người hướng dẫn khoa học: TS. ĐẶNG XUÂN HIỂN

HÀ NỘI 2005


Luận văn thạc sĩ khoa học

-2-

LI NểI U
Trong mụi trng sng núi chung, vn bo v v cung cp nc sch
cho s sng ca muụn loi sinh vt l vụ cựng quan trng. Con ngi, cỏc loi
ng thc vt trờn trỏi t khụng th tn ti v phỏt trin khi khụng cú nc
nhng cng khụng th tn ti v phỏt trin khi ngun nc b ụ nhim. Vỡ vy
vic bo v v cung cp nc sch, vic thi v x lý nc b ụ nhim trc
khi vo ngun nc l mt vn bc xỳc i vi ton th loi ngi.
Ngun nc thi nu khụng x lý s lm ụ nhim ngun nc mt, ngm vo
ngun nc ngm, lm ụ nhim cỏc ngun cung cp nc sch, lm nh
hng mụi trng sng, n sc kho cng ng nhng ngi chu tỏc ng

trc tip bi ngun nc thi ny.
Trong nc giu ngun Nit v Photpho, c bit l Photpho, s l iu
kin rt tt cho to phỏt trin. To phỏt trin lm cho nc cú mu sc, to
phỏt trin cũn gõy cho nc cú nhiu mựi khú chu, nh mựi c, mựi m ụi
khột, mựi thi Nhỡn chung to khụng gõy c, nhng s phỏt trin khụng
th kỡm hóm ca chỳng s l nguyờn nhõn ca s mt cõn bng sinh thỏi trong
ngun nc chỳng tn ti, lm gim lng Oxy ho tan trong nc. Ngoi ra
thõn xỏc ca chỳng lm ỏch tc cho bm, lc, ng ng, lm gim keo t
cn v lm gim cht lng nc, c bit v mu v mựi Ngoi ra, s phỏt
trin quỏ mc ca to s l nguyờn nhõn gõy ra hin tng phỳ dng cho
ngun nc, l nguyờn nhõn gõy ra s ụ nhim th cp. Vỡ vy cn phi x lý
Photpho tn ti trong ngun nc thi trc khi chỳng c thi ra mụi
trng.
x lý nc thi cha nhiu Photpho cú nhiu phng phỏp khỏc
nhau, trong ú ph bin nht l phng phỏp kt ta hoỏ hc v phng phỏp
sinh hc. Trong lun vn tt nghip vi ti Nghiờn cu mụ hỡnh hoỏ quỏ
trỡnh kh Photpho trong nc thi bng phng phỏp sinh hc nhm

Nguyễn Thị Vân Anh

viện khoa học công nghệ và môi tr-ờng


Luận văn thạc sĩ khoa học

-3-

nghiờn cu cỏc quỏ trỡnh sinh hoỏ xy ra trong h thng x lý Photpho bng
phng phỏp sinh hc, nghiờn cu cỏc thnh phn v cỏc cu t tham gia vo
quỏ trỡnh ny. T ú thit lp nờn cỏc phng trỡnh cõn bng vt liu cho cỏc

cu t trong h thng thụng qua cỏc biu thc toỏn hc biu din mi quan h
tng h gia cỏc cu t v cỏc quỏ trỡnh. ỏp dng phng phỏp s gii bi
toỏn cõn bng vt liu vi nng cỏc cu t u vo ó bit (s liu thu t
thc nghim) v kt qu nhn c cỏc thụng s u ra ca h thng x lý
lng Photpho ó c x lý. Trờn c s kt qu nhn c, t ú cú th a
ra quyt nh, vn hnh, iu khin, kim soỏt h thng mt cỏch ti u nht,
ỏnh giỏ hiu xut x lý ca h thng ang hot ng v tr giỳp cho vic
thit k cụng trỡnh x lý nc thi.
Lun vn bao gm cỏc chng sau:
Chng I: Tng quan v phng phỏp x lý sinh hc.
Chng II: Lý thuyt v quỏ trỡnh kh photpho trong nc thi bng
phng phỏp sinh hc.
Chng III: Mụ hỡnh hoỏ quỏ trỡnh kh photpho bng phng phỏp sinh
hc
Chng IV: p dng mụ hỡnh.

Nguyễn Thị Vân Anh

viện khoa học công nghệ và môi tr-ờng


Luận văn thạc sĩ khoa học

-4-

CC CH VIT TT TRONG LUN VN
ADP

Adenozin diphotphat

ATP

Adenozin triphotphat

EMP

Con ng Embden - Meyerhof - Parnas

NAD

Nicotinamit adenin dinucleotit

PAOs

Vi sinh vt tớch lu photpho

PHA

Poly - hydroxyalkanotes

PHB

Poly - hydroxybutyrat

PHV

Poly - hydroxyvalerat

TCA

Chu trỡnh Tricarboxylic acid (Chu trỡnh Krebs)

VFA

Axit bộo bay hi

Nguyễn Thị Vân Anh

viện khoa học công nghệ và môi tr-ờng


Luận văn thạc sĩ khoa học

-5-

MC LC
LI NểI U .................................................................................................. 2
CC CH VIT TT TRONG LUN VN ................................................. 4
MC LC ......................................................................................................... 5
CHNG I: TNG QUAN V PHNG PHP X Lí SINH HC ........ 7
1.1.

Nguyờn lý chung ca quỏ trỡnh x lý sinh hc .................................... 7

1.2.

Vi sinh vt............................................................................................ 9

1.2.1. Vi sinh vt trong quỏ trỡnh x lý sinh hc ....................................... 9
1.2.2. Nhu cu cht dinh dng cho s phỏt trin vi sinh vt ................. 11

1.2.3. S tng trng ca vi khun .......................................................... 13
1.3.

Enzim ................................................................................................. 15

1.4.

ng lc hc ca quỏ trỡnh x lý ...................................................... 16

1.4.1. Tc tng trng ca cỏc vi khun ............................................. 16
1.4.2. ảnh hng ca s hụ hp ni bo .................................................. 18
1.5.

Cỏc yu t nh hng n quỏ trỡnh x lý ........................................ 19

1.5.1. Nhit .......................................................................................... 19
1.5.2. pH ................................................................................................... 20
1.5.3. ảnh hng ca oxi v cht nn c mụ t qua phng trỡnh ng
hc sau: ................................................................................................... 20
1.5.4. ảnh hng ca cỏc cht kỡm hóm ................................................... 21
1.5.5. ảnh hng ca cỏc cht c ........................................................... 22
CHNG 2: Lí THUYT V QU TRèNH KH PHOTPHO TRONG
NC THI BNG PHNG PHP SINH HC ..................................... 23
2.1.

Photpho trong nc thi v nh hng ca P i vi h sinh thỏi ... 23

2.2.

Cỏc phng phỏp kh Photpho trong nc thi ............................... 26

2.2.1. Phng phỏp kt ta hoỏ hc ......................................................... 26
2.2.2. Phng phỏp sinh hc .................................................................... 30

Nguyễn Thị Vân Anh

viện khoa học công nghệ và môi tr-ờng


Luận văn thạc sĩ khoa học

2.3.

-6-

Kh Photphor trong nc thi bng phng phỏp sinh hc ............. 35

2.3.1. C ch hoỏ sinh .............................................................................. 35
2.3.2. Vi sinh vt tớch lu Photpho (PAOs) ............................................. 44
2.3.3. Ngun Cacbon................................................................................ 45
2.3.4. Cỏc quỏ trỡnh x lý ......................................................................... 46
CHNG 3: Mễ HèNH HO QU TRèNH KH PHOTPHO BNG
PHNG PHP SINH HC ......................................................................... 56
3.1.

Khỏi quỏt v mụ hỡnh hoỏ.................................................................. 56

3.1.1. S lc v phng phỏp mụ hỡnh hoỏ ........................................... 56
3.1.2. c im ca phng phỏp mụ hỡnh hoỏ ....................................... 57
3.1.3. Vai trũ ca mụ hỡnh hoỏ trong lnh vc nghiờn cu v x lý nc

thi ............................................................................................................ 58
3.2. Gii thiu mt s nghiờn cu v mụ hỡnh hoỏ ng dng trong cụng
nghip........................................................................................................... 59
3.3. Mụ hỡnh hoỏ quỏ trỡnh kh Photpho bng phng phỏp sinh hc ....... 61
3.3.1. Cỏc cu t trong mụ hỡnh ............................................................... 61
3.3.2. Cỏc thụng s h s t lng trong mụ hỡnh ................................... 63
3.3.3. Cỏc quỏ trỡnh trong mụ hỡnh........................................................... 64
3.3.4. Cỏc mụ hỡnh ................................................................................... 68
3.3.5. Xỏc nh cỏc thụng s ca mụ hỡnh ............................................... 69
3.3.6. Thit lp phng trỡnh cõn bng vt liu cho cỏc cu t trong quỏ
trỡnh kh Photpho trong nc thi bng phng phỏp sinh hc .............. 75
CHNG 4: P DNG Mễ HèNH .............................................................. 91
4.1. Nng cỏc thnh phn trong mụ hỡnh ................................................ 91
4.2. Kt qu tớnh toỏn ................................................................................... 95
TI LIU THAM KHO ............................................................................. 100

Nguyễn Thị Vân Anh

viện khoa học công nghệ và môi tr-ờng


Luận văn thạc sĩ khoa học

-7-

CHNG 1
TNG QUAN V PHNG PHP X Lí SINH HC
1.1. NGUYấN Lí CHUNG CA QU TRèNH X Lí SINH HC
Cỏc cht hu c ho tan, cỏc cht keo v phõn tỏn nh s c chuyn
hoỏ bng cỏch hp ph v keo t sinh hc trờn b mt ca t bo vi sinh vt.

Tip ú, trong quỏ trỡnh trao i cht, di tỏc dng ca men ni bo, cỏc cht
hu c s b phõn hu. Quỏ trỡnh vi sinh vt tiờu th cht bn t nc thi
gm ba giai on sau:
+ Di chuyn cỏc cht gõy ụ nhim t pha lng ti b mt ca vi sinh vt
do khuych tỏn i lu v phõn t.
+ Di chuyn cht bn t b mt ngoi t bo qua mng bỏn thm bng
khuych tỏn do s chờnh lch nng cỏc cht trong v ngoi t bo.
+ Quỏ trỡnh chuyn hoỏ cỏc cht trong t bo vi sinh vt vi s sn
sinh nng lng v quỏ trỡnh tng hp cỏc cht mi ca t bo vi s hp th
nng lng.
Nng cỏc cht xung quanh t bo gim dn, cỏc thnh phn thc n
mi t mụi trng bờn ngoi (mụi trng nc thi) li khuych tỏn v b
xung thay th. Thng quỏ trỡnh khuych tỏn trong mụi trng chm hn quỏ
trỡnh hp th qua mng t bo nờn nng cỏc cht d dng xung quanh t
bo bao gi cng thp. Song i vi sn phm ca t bo tit ra thỡ nhiu hn
so vi nhng ni xa t bo.
Giai on hp th v hp ph l cn thit trong vic tiờu th cht hu c
ca vi sinh vt song khụng phi cú ý ngha quyt nh trong quỏ trỡnh x lý
nc thi m úng vai trũ ch yu quyt nh l quỏ trỡnh din ra trong t bo
vi sinh vt.

Nguyễn Thị Vân Anh

viện khoa học công nghệ và môi tr-ờng


Luận văn thạc sĩ khoa học

-8-

Hỡnh 1.1: Quỏ trỡnh chuyn hoỏ cỏc cht hu c khi ụxi hoỏ sinh hoỏ

1. Cht bn trc khi x lý.
2. Cht bn b gi li trờn b mt t bo.
3. Cht bn cũn li trong mụi trng sau khi x lý.
4. Cht bn b ụxi hoỏ trc tip thnh CO2, H2O, H.
5. Cht bn b ng hoỏ c tng hp tng sinh khi.
6. T ụxi hoỏ ca vi sinh vt thnh CO2 v H2O do men hụ hp ni bo.
7. Phn d ca vi sinh vt.
Nc thi tip xỳc bựn hot tớnh, mt phn ln cht bn b gi li trờn b
mt t bo, phn cũn li ra ngoi theo dũng ra, trong mt phn cht bn b gi
li ch cú mt phn b ụxi hoỏ hon ton thnh CO2 v H2O, mt phn s b
ng hoỏ tng hp t bo tc l sinh khi ca vi sinh vt tng lờn. ng
thi, song song vi quỏ trỡnh ng hoỏ trong t bo vi sinh vt cũn din ra quỏ
trỡnh d hoỏ, phõn hu cỏc cht cú trong t bo sng. Nh vy, mt phn trong
s cỏc cht sng ó c tng hp li t ụxi hoỏ.
+ Oxy hoỏ cỏc hp cht hu c:
CxHyOzN + (x + y/4 + z/3 + 3/4) O2

Enzym

xCO2 + (y - 3)/2 H2O + NH3 + H

+Tng hp xõy dng t bo:
Enzym

Nguyễn Thị Vân Anh

viện khoa học công nghệ và môi tr-ờng

Luận văn thạc sĩ khoa học

-9-

C5H7NO2 + C2O + H2O + H

CxHyOzN + NH3 + O2
+Hụ hp ni sinh:
C5H7NO2 + 5O2

Enzym

5CO2 + 2H2O + NH3 + H

1.2. VI SINH VT
1.2.1. Vi sinh vt trong quỏ trỡnh x lý sinh hc
a.

Vi khun:

L c th sng n bo, cú kh nng phỏt trin v tng trng trong cỏc
bụng cn l lng hoc dớnh bỏm vo b mt vt cng. Vi sinh vt cỏc kh
nng sinh sn rt nhanh khi tip xỳc vi cht dinh dng cú trong nc thi,
chỳng hp th nhanh thc n qua mng t bo. Vi khun úng vai trũ quan
trng trong vic phõn hu cht hu c v bin cht hu c thnh cht n nh
to thnh bụng cn d lng.
+ Xột v hỡnh dng bờn ngoi, vi khun cú th chia ra thnh 3 nhúm: Cu
khun (ng kớnh 0,5 ~ 1,0m); Trc khun (chiu di: 0,5 ~ 1,0m; chiu
rng 1,5 ~ 3m); Xun khun (di 0,5 ~ 5; rng 6 ~ 15m). Chỳng cú trong

nc thi di dng t tp li thnh mng mng nh li hoc liờn kt vi
nhau thnh khi nh bụng cn. Song cng cú loi vi khun dng si
(filamentous) kt vi nhau thnh li nh ni lờn b mt lm ngn cn quỏ
trỡnh lng b lng t 2.
+ Cụng thc hoỏ hc gn ỳng ca t bo l C5H7NO2. Khi Photpho
c xem xột thỡ cụng thc hoỏ hc l C60H87O23N12P.
+ Nhit nc thi cú nh hng ln n quỏ trỡnh hot ng v sinh
sn ca vi khun, phn ln vi khun hoi sinh hot ng cú hiu qu cao v
phỏt trin mnh m nhit 20 ~ 400C. Mt s loi vi khun cú trong quỏ
trỡnh x lý cn phỏt trin nhit 50 ~ 600C.

Nguyễn Thị Vân Anh

viện khoa học công nghệ và môi tr-ờng


Luận văn thạc sĩ khoa học

- 10 -

+ pH ca mụi trng cng l yu t chớnh trong s phỏt trin ca vi sinh
vt, phn ln vi khun khụng th chu ng c pH > 9,5 v pH < 4,5.
Nhỡn chung pH ca s phỏt trin vi khun: pHOP = 6,5 ~ 7,5.

Nguyễn Thị Vân Anh

viện khoa học công nghệ và môi tr-ờng


Luận văn thạc sĩ khoa học

b.

- 11 -

Nm:

Phn ln nm l hiu khớ nghiờm ngt, cú kh nng tng trng di
m thp v cú th chu ng mụi trng vi pH tng i thp (pH = 2 ~ 9;
pHOP = 5,6). Tuy nhiờn, vỡ cỏc kớch thc ln, t trng nh, nm nu phỏt
trin mnh s ni lờn trờn mt nc gõy cn tr n quỏ trỡnh lng b lng
t hai.
c.

ng vt nguyờn sinh:

Thng ln hn vi khun v thng n vi khun nh ngun nng lng.
ng vt nguyờn sinh hot ng nh b phn ỏnh búng dũng ra t quỏ trỡnh
x lý nc thi sinh hc bi chỳng n vi khun v cht hu c dng ht.
d.

To:

Cú vai trũ quan trng trong quỏ trỡnh x lý sinh hc vỡ:
+ To cú kh nng to ra ụxi nh phn ng quang hp. Do ú, to cung
cp ụxi cho vi khun hiu khớ v l cn thit cho s sng i vi sinh thỏi ca
mụi trng nc.
+ Do Nit v Photpho l ngun thc n cho to nờn khi Nit, Photpho
nhiu s dn n s phỏt trin mnh m ca to gõy ra hin tng phỳ dng
nờn cn phi kh Nit, Photpho di nng cho phộp trc khi x ra ngun

tip nhn.
1.2.2. Nhu cu cht dinh dng cho s phỏt trin vi sinh vt
+ Ngun nng lng v Cacbon: thng c gi l cht nn, gm cú 2
ngun Cacbon ph bin nht i vi vi sinh vt l cht hu c v CO2. Nu vi
sinh vt s dng Cacbon dng hp cht hu c tng hp t bo gi l
sinh vt d dng, cũn s dng Cacbon dng CO2 thỡ c gi l sinh vt t
dng.
Nng lng cn thit tng hp t bo cú th c cung cp bi ỏnh
sỏng hoc bi phn ng hoỏ hc. Nhng vi sinh vt cú th s dng ỏnh sỏng

Nguyễn Thị Vân Anh

viện khoa học công nghệ và môi tr-ờng


Luận văn thạc sĩ khoa học

- 12 -

nh ngun nng lng c gi l sinh vt quang dng (phototrops). Sinh
vt ny cú th l d dng hoc t dng (to v vi khun quang hp) cũn
nhng vi sinh vt m nng lng ca chỳng c ly t phn ng ụxi hoỏ hoỏ
hc thỡ c gi l sinh vt hoỏ dng (chemotrops). Cng nh vi sinh vt
quang dng, sinh vt hoỏ dng cng cú th l d dng (ng vt nguyờn
sinh, nm, vi khun) hoc t dng (vi khun nitrat). Nhng sinh vt hoỏ t
dng nhn nng lng t s ụxi hoỏ cỏc hp cht vụ c nh NH3, NO2-, SO2cũn sinh vt hoỏ d dng nhn nng lng t s ụxi hoỏ cỏc hp cht hu c.
Bng1.1: Phõn loi vi sinh vt theo ngun Cacbon v nng lng
Phõn loi

Ngun nng lng

Ngun Cacbon

nh sỏng

CO2

Phn ng ụxi hoỏ kh
hp cht vụ c

CO2

nh sỏng

C- dng hp cht

Phn ng ụxi hoỏ kh
hp cht hu c

C- dng hp cht

Vi sinh vt t dng
Vi sinh vt quang t dng
Vi sinh vt hoỏ t dng
Vi sinh vt d dng
Vi sinh vt quang d dng
Vi sinh vt hoỏ d dng

+Nhu cu cht dinh dng v nhõn t tng trng:
- Cht dinh dng vụ c ch yu cn thit cho vi sinh vt l: P, N, S, K,

Mg, Ca, Fe, Na, Cl. Ngoi ra, cũn cn nhng cht dinh dng quan trng th
yu khỏc bao gm: Zn, Mn, Mo, Se, Co, Cu, Ni, V v W.
- Cht dinh dng hu c (c bit nh l cỏc nhõn t cho s tng
trng) gm: aminoaxit, purin (C5H4N4), pirydin (C5H5N) v vitamin.
Cỏc nguyờn t N, P v K cn c m bo mt lng cn thit trong x
lý sinh hoỏ. Hm lng nguyờn t dinh dng ph thuc vo thnh phn ca
nc thi v t l gia chỳng c xỏc nh bng thc nghim:

Nguyễn Thị Vân Anh

viện khoa học công nghệ và môi tr-ờng


Luận văn thạc sĩ khoa học

- 13 -

BOD : N : P = 100 : 5 : 1
1.2.3. S tng trng ca vi khun
Vi sinh vt cú th ny n thờm nh sinh sn phõn ụi, sinh sn gii tớnh
v ny mm nhng ch yu chỳng phỏt trin bng cỏch phõn ụi. Thi gian
phõn ụi t bo thng c gi l thi gian sinh sn, cú th dao ng t 20
phỳt n vi ngy.
Vi khun s khụng th tip tc sinh sn n vụ tn bi nhng gii hn
mụi trng khỏc nhau nh nng cht nn, nng cht dinh dng, pH,
nhit thay i ra ngoi phm vi ti u

X (mg/l)

Hỡnh 1.2: Quỏ trỡnh tng trng ca vi sinh vt

Thời gian t

Da trờn c tớnh sinh lý v tc sinh sn ca vi sinh vt, quỏ trỡnh
phỏt trin ca chỳng c chia thnh nhiu giai on:
* Giai on 1: Giai on tim tng
Vi sinh vt cha thớch nghi vi mụi trng v ang bin i thớch
nghi. n cui giai on ny t bo vi sinh vt mi bt u sinh trng. Cỏc
t bo mi ch tng v kớch thc nhng cha tng v s lng.
X = X0
Trong ú:
X v X0: mt t bo thi im t v t = 0

Nguyễn Thị Vân Anh

(mg/l)

viện khoa học công nghệ và môi tr-ờng


Luận văn thạc sĩ khoa học

- 14 -

dX
=0
dt

Tc tng trng ca t bo

* Giai on 2: Giai on lu tin
Vi sinh vt phỏt trin vi tc riờng khụng i. Sau mt thi gian nht
nh tng s t bo, trng lng t bo tng lờn mnh m theo cp s nhõn.
Trong giai on ny tc sinh trng t bo

=

xa m

dX
t l thun vi X.
dt

1 Xd
*
X td

Trong ú:
dX
: Tc tng trng t bo
dt

max : Tc tng trng riờng ln nht

X2
dX 2
ln
=

.

dt
X X t max X 1 = max.(t 2 t1 )
1
1

X2

t

Vi tg: Thi gian sinh trng gp ụi t bo, c xỏc nh vi X2=2.X1.
ln2 = max .tg t g =

ln 2

max

=

0,639

max

* Giai on 3: Giai on chm dn
Giai on tng ng vi s cn kit ca mụi trng nuụi cy cựng vi
s bin mt ca mt hoc nhiu phn t cn thit cho s tng trng ca vi
sinh vt. Trong mt s trng hp, giai on ny c gõy ra do s tớch t
cỏc sn phm c ch sinh ra trong quỏ trỡnh chuyn hoỏ vi khun. Trong giai
on chm dn X c tip tc tng nhng

dX

li gim.
dt

* Giai on 4: Giai on n nh
X t ti tr s cc i Xmax, s t bo mi sinh ra va bự vo s t
bo gi ci cht i.
* Giai on 5: Giai on suy gim (hoc cỏc giai on ni sinh)

Nguyễn Thị Vân Anh

viện khoa học công nghệ và môi tr-ờng


Luận văn thạc sĩ khoa học

- 15 -

Mt cỏc t bo gim xung vỡ cỏc t bo b cht i v tc cht vt
xa tc sinh sn ra t bo mi. Trong giai on ny cỏc vi sinh vt buc
phi thc hin quỏ trỡnh trao i cht bng chớnh cỏc nguyờn sinh cht cú
trong t bo vỡ nng cỏc cht dinh dng cp cho t bo b cn kit.
1.3. ENZIM
Enzym c coi l cht xỳc tỏc sinh hc quan trng nht cỏc quỏ trỡnh
chuyn hoỏ trong t bo vi sinh vt xy ra nhanh chúng do nú cú cng lc
xỳc tỏc mnh, mnh hn nhiu ln so vi xỳc tỏc thụng thng. Enzym c
sinh ra trong cỏc t bo vi sinh vt, nú lm tng tc phn ng lờn nhiu ln
m bn thõn Enzym khụng b bin i v thnh phn hoỏ hc.
C ch tỏc dng ca Enzym c gii thớch theo cỏc quan im hin nay
nh sau: trong phn ng cú xỳc tỏc Enzym, nh s to thnh phc trung gian
Enzym-c cht (E-S) m c cht c hot hoỏ. iu ny cú th gii thớch bi

vỡ khi c cht kt hp vo Enzym, do kt qu s phõn cc hoỏ, s chuyn
dch cỏc electron v s bin dng ca cỏc liờn kt tham gia trc tip vo cỏc
phn ng dn ti lm thay i ng nng cng nh th nng, kt qu lm cho
c cht hot ng hn, nh ú phn ng chuyn hoỏ trong t bo vi sinh vt
d dng hn. Nng lng hot hoỏ khi cú xỳc tỏc Enzym rt nh so vi khi
khụng cú Enzym xỳc tỏc.
C ch ca quỏ trỡnh to phc - c cht, bin i thnh sn phm, gii
phúng Enzym thng tri qua 3 giai on theo s sau:
E

+

S

ES

P + E

* Giai on 1: Enzim (E) kt hp vi c cht (S) bng cỏc liờn kt yu
to thnh phc Enzym-c cht (ES) khụng bn. Phn ng ny xy ra nhanh v
ũi hi nng lng hot hoỏ thp.
* Giai on 2: Xy ra s bin i c cht dn ti s kộo cng v phỏ v
cỏc liờn kt ng hoỏ tr tham gia phn ng.

Nguyễn Thị Vân Anh

viện khoa học công nghệ và môi tr-ờng


Luận văn thạc sĩ khoa học

- 16 -

* Giai on 3: To thnh sn phm, Enzym c gii phúng di dng
t do v tip tc tham gia cỏc phn ng tip theo.
Cỏc loi liờn kt v tng tỏc hỡnh thnh trong phc Enzym C cht l
tng tỏc tnh in, liờn kt hyrụ, tng tỏc Val der Vaals.
Trong phn ng sinh hoỏ tu theo tớnh cht m ngi ta chia lm 2 loi
Enzym:
* Enzym ngoi bo (extracellular enzym): Loi Enzym ny thng c
to ra khi xung quanh t bo vi sinh vt l nhng c cht khú, khụng di
chuyn qua mng t bo c. Nh s hot hoỏ ca cỏc Enzym ny m c
cht cú th khuych tỏn qua mng t bo c d dng hn.
* Enzym ni bo (intracellular enzym): õy thc cht l cỏc phn ng
chuyn hoỏ bờn trong t bo.
Vi s cú mt ca cỏc Enzym tc phn ng cht nn n sn phm
cui cựng tng lờn rt cao. Tuy nhiờn hot ng ca Enzym chu nh hng
rt nhiu vo cỏc yu t mụi trng, pH, nhit , nng Enzym v nng
c cht
1.4. NG LC HC CA QU TRèNH X Lí
m bo cho quỏ trỡnh x lý sinh hc din ra mt cỏch hiu qu phi
to c iu kin mụi trng: pH, nhit , cht dinh dng, cht nn, thi
gian tt nht cho h vi sinh vt.
1.4.1. Tc tng trng ca cỏc vi khun
rg = .X

(1.1)

Trong ú:
rg: Tc tng trng ca vi khun (mg/l ngy)

: Tc tng trng riờng (ngy -1)
X: Nng vi sinh vt trong b phn ng hay nng bựn hot tớnh
(mg/l)

Nguyễn Thị Vân Anh

viện khoa học công nghệ và môi tr-ờng


Luận văn thạc sĩ khoa học

rg =

dX
dt



- 17 -

dX
= .X
dt

* Tc tng trng ca vi khun () l khỏc nhau cỏc quỏ trỡnh khỏc
nhau v nú b nh hng bi nhiu yu t nh nng cht nn, nng oxy,
nng cht c, pH , nhit Trong ú Mụ hỡnh Monod l mụ hỡnh c
in nht, quen thuc nht v c dựng nhiu nht. ú l mụ hỡnh kinh
nghim:

= max.

S
KS + S

(1.2)

Trong ú:
S: Nng cht nn gii hn tng trng (mg/l)
KS: Hng s bỏn tc , th hin nh hng ca nng cht nn ti
thi im tc tng trng =1/2. max.
Hỡnh 1.3: th nh hng ca nng cht nn i vi s tng trng
riờng ca vi sinh vt.





Vy

rg= .X= max.

S
KS + S

(1.3)

Cỏc t bo hp th cht nn, mt phn cht nn c chuyn thnh t
bo mi, mt phn c oxy hoỏ to thnh cht vụ c v hu c n nh. S

Nguyễn Thị Vân Anh

viện khoa học công nghệ và môi tr-ờng


Luận văn thạc sĩ khoa học

- 18 -

t bo mi sinh ra li hp th cht nn v sinh sn tip nờn cú th thit lp mi
quan h gia tc tng trng v tc dựng cht nn ca vi khun.
rg= -Y. rsu

(1.4)

Trong ú:
rg: Tc tng trng t bo (mg/l ngy)
rsu: Tc dựng cht nn

(mg/l ngy)

Y: H s sn sinh max (mg/mg). c nh ngha l t s khi lng t
bo c hỡnh thnh /khi lng cht nn c dựng, c o trong sut mt
thi gian nht nh giai on phỏt trin logarit.
T (1.3) v (1.4) Ta cú:

rsu =

rg
Y

=

max.S. X
Y .(K S + S )

Nu t: k =

(1.5)

max
Y

k c nh ngha nh l: tc dựng cht nn max trờn n v khi
lng vi sinh vt. Thng giỏ tr ca k = 2~10 ngy 1, k tiờu biu = 5 ngy 1.
r su = -

k.S.X
KS + S

(1.6)

1.4.2. nh hng ca s hụ hp ni bo
Trong x lý nc thi, khụng phi tt c cỏc t bo vi sinh vt u
tui nh nhau v u giai on phỏt trin logarit m cú mt s ang giai
on cht v giai on tng trng chm. Do vy, khi tớnh toỏn tc tng
trng ca t bo phi tớnh toỏn t hp cỏc hin tng ny. Gi thit rng s
gim khi lng ca t bo do cht v tng trng chm t l vi nng ca
vi sinh vt cú trong nc thi v gi s gim khi lng t bo l do phõn ró
ni sinh.

rd = - kd . X

Nguyễn Thị Vân Anh

(1.7)

viện khoa học công nghệ và môi tr-ờng


Luận văn thạc sĩ khoa học

- 19 -

Trong ú:
kd: hng s phõn ró ni sinh(ngy-1)
Kt hp (1.3) & (1.7), ta cú:
rg = max.

S. X
k d .X = .X
KS + S

(1.8)

rg = -Y. rsu kd . X

(1.9)

rg: Tc tng trng thc ca vi khun (mg/l.ngy)

' = max.

S
kd
KS + S

(1.10)

Do nh hng ca hụ hp ni sinh nờn h s sinh sn thc c xỏc
nh:
Yobs =

rg'

(1.11)

rsu

1.5. CC YU T NH HNG N QU TRèNH X Lí
1.5.1. Nhit
S ph thuc nhit i vi quỏ trỡnh sinh hc cú th c biu din
di dng sau:
max (T)= max(20) . e k(T-20).
Trong ú:


max(T),

max(20): Tc tng trng riờng cc i nhit T oC v

20oC. max(20)=2 (ngy -1).
T: Nhit (oC).
Khi nhit tng

max(T)

tng tc tng trng ca vi sinh vt

tng (rgtng), song khi nhit tng quỏ ngng cho phộp thỡ vi khun s b
cht v khi nhit tng thỡ ho tan ca oxi trong nc b gim. Trong
thc t nhit nc thi trong h thng x lý thuc phm vi 10 oC 35oC v
nhit ti u (25 oC - 30 oC).

Nguyễn Thị Vân Anh

viện khoa học công nghệ và môi tr-ờng


Luận văn thạc sĩ khoa học

- 20 -

1.5.2. pH
ng lc hc ca pH c mụ t nh sau:
max (pH) = max (pH op) .

K pH
K pH + I

Trong ú: KpH: L hng s pH

i = 10pH op -pH-1.
Thng giỏ tr ca KpH = 150-250. V pH trong cỏc h thng x lý nc
thi hiu khớ thng thuc phm vi 5 9, pHop= 6,5 8,5.


1.5.3. nh hng ca oxi v cht nn c mụ t qua phng trỡnh ng
hc sau:

= max.

S o2
K So2 + S o2

.

S
.
KS + S

Trong ú:
max: Tc tng trng riờng cc i (ngy-1)
4S, So2: Nng cht nn, oxi ho tan (mgO2/l)
KO2, KS: Hng s bóo ho i vi oxi, cht nn (mg/l)
Trong thc t, nng oxi ho tan trong b aeroten s c duy trỡ 1,5
4 (mg/l). V giỏ tr 2 mg/l l giỏ tr c s dng ph bin, vi giỏ tr nng

Nguyễn Thị Vân Anh

viện khoa học công nghệ và môi tr-ờng

Luận văn thạc sĩ khoa học

- 21 -

oxi ln hn 4mg/l thỡ vic ci tin hot ng l khụng ỏng k nhng chi phớ
cho sc khớ li tng lờn ỏng k.
1.5.4. nh hng ca cỏc cht kỡm hóm
Cỏc cht kỡm hóm nh cht c, sn phm ca phn ng, s d cht nn
cú th gõy c, c ch n s bin i hiu khớ.
S c ch ca cht kỡm hóm cnh tranh:
= m

S
S + K S (1 +

I
)
KI

Khi cú cht kỡm hóm cnh tranh thỡ KS c tng lờn do cht kỡm hóm
cnh tranh vi cht nn lm gim ỏi lc gia E-S.
KS= KS(1+

I
)
KI

Trong ú:
KS: Hng s bóo ho i vi s cnh tranh

KS: Hng s bóo hũa khi khụng cú cnh tranh
Ki: hng s c ch.
i: Nng cht c ch (mg/l).
S c ch ca cht kỡm hóm khụng cnh tranh: nh hng n ng lc
hc tng trng bng s gim tc tng trng riờng.
max = max

K
KI + I

V

= m

S
( K S + S ).(1 + I / K I )

Gm:
* S kỡm hóm ca sn phm: Cỏc sn phm ca phn ng cú th tỏc
dng nh cht kỡm hóm khụng cnh tranh ca enzim.
*Kỡm hóm do tha cht nn:

Nguyễn Thị Vân Anh

viện khoa học công nghệ và môi tr-ờng


Luận văn thạc sĩ khoa học

= m

- 22 -

1
1+

KS
S
+
S
KI

1.5.5. nh hng ca cỏc cht c
Nhiu hoỏ cht l cỏc cht c i vi vi sinh vt nh: Kim loi nng v
mui ca cỏc kim loi nng Hg, Ag Pb, Cu Vi mt nng 1/100.000 cỏc
mui ny ó gõy tỏc hi, cũn i vi nng 1/100 thỡ lm cht vi sinh vt
trong khong vi phỳt.
Cỏc cht oxi hoỏ mnh nh: H2O2, KMnO4, O3, nc javen.
Cỏc axit, baz (gõy nờn s thu phõn protit), CO, CN, H2S (rt c vỡ
chỳng kt hp vi kim loi trong men hụ hp lm mt hot tớnh ca cỏc men
ny v quỏ trỡnh hụ hp b ỡnh ch).
Cỏc hp cht hu c nh ru, phờnol. Cỏc thuc nhum (tớm gential,
xanh metylen).

Nguyễn Thị Vân Anh

viện khoa học công nghệ và môi tr-ờng


Luận văn thạc sĩ khoa học

- 23 -

CHNG 2
Lí THUYT V QU TRèNH KH PHOTPHO
TRONG NC THI BNG PHNG PHP SINH HC
2.1. PHOTPHO TRONG NC THI V NH HNG CA PHOTPHO I
VI H SINH THI

Theo quan im hoỏ hc, chu k Photpho l n gin. Photpho tn ti
trong vi sinh vt sng ch hoỏ tr (+5) hoc l dng Ion Photphate t do
(PO4-3) hoc l dng hp cht Photpho hu c (Phu c) ca t bo. Hu ht cỏc
hp cht Photpho hu c khụng th i vo t bo sng, m khi t bo cn
Photpho thỡ Photpho phi c hp th dng Ion Photphate. Sau ú cỏc hp
cht Photpho hu c c tng hp trong t bo v ti khi t bo cht thỡ Ion
Photphate c loi ra khi t bo mt cỏnh nhanh chúng bng quỏ trỡnh thu
phõn.
Photpho l nhõn t gii hn s sinh trng ca rt nhiu vi sinh vt vỡ
phn ln Photpho trong t nhiờn tn ti di dng mui khụng tan nh: mui
nhụm, mui st v mui canxi khụng tan. Cỏc dng sng trờn trỏi t ph
thuc vo kh nng ho tan ca cỏc Photphate khụng tan. õy l mt quỏ
trỡnh m vi sinh vt úng vai trũ quan trng.
Trong v trỏi t cha 0,08% Photpho, hu ht Photpho dng Apatite,
Apatite l CanxiPhotphate cha Floride (Ca5(PO4)3).(F, Cl, OH).
Trong mụi trng nc Photpho thng cỏc dng:
- Photpho cụ c: tn ti di dng Pyro-, Meta- v Poly-Photphate.
- OrthoPhotphate: tn ti di dng H3PO4, H2PO4-, HPO4-2, PO4-3.
- Photpho hu c: gn vi Cacbon v Oxi.

Nguyễn Thị Vân Anh

viện khoa học công nghệ và môi tr-ờng


Luận văn thạc sĩ khoa học

Pyro-

MetaH2PO4-

H3PO4

- 24 -

PolyHPO42-

PO43-

Photpho liờn kt vi cacbon v oxy

Photphate cụ c
Ortho photphate
Photpho hu c

Cỏc Photphate ny cú th dng ho tan hoc dng ht hoc l thnh
phn ca mụ ng vt v thc vt.
Dng ca OrthoPhotphate ph thuc vo pH mụi trng, trong phm vi pH=6
~ 8 thỡ dng H2PO4- v HPO4-2 chim u th. Dng OrthoPhotphate mui
Photphate ca axit Photphoric H2PO4-, HPO4-2, PO4-3 cú trong cỏc loi phõn
bún hoc c th ng vt, c bit l tụm, cỏ thi ra. Photphate cụ c c

s dng rng rói trong cỏc loi cht ty ra: PyrometaPhotphate-Na2(PO4)6,
TripolyPhotphate-Na5P3O10, PyroPhotphate-Na4P2O7.
Tt c cỏc dng Poly-Photphate u cú th chuyn hoỏ v OrthoPhotphate trong mụi trng nc, c bit l iu kin mụi trng axit v
nhit cao (nht l gn im sụi).
Photpho hu c l thnh phn trong cht thi con ngi v thc n d
tha.
Ngun nc thi cha Photpho:
-

Nc thi t phõn ng vt v con ngi.

-

Nc thi t cỏc quỏ trỡnh cụng nghip cú s dng cỏc hp cht

Photphate.
-

Nc thi cụng nghip cha nng Photpho cao: Nh mỏy ch

bin thc phm (tht, sa, thu sn), nh mỏy sn sut phõn bún, cỏc quỏ trỡnh
git ty.
Tng hm lng Photpho trong nc thi:
P = PHu c + Ortho-P + Poly-P

Nguyễn Thị Vân Anh

viện khoa học công nghệ và môi tr-ờng

Luận văn thạc sĩ khoa học

- 25 -

Bng 2.1: Photpho trong nc thi sinh hot cha x lý
Dng Photpho

Phm vi, mg/l

Photpho hu c

Trung bỡnh,
mg/l
3

1~5

Phm vi,
g/ngi.ngy
0,8 ~ 1,6

Photpho vụ c

6

3 ~ 15

1,1 ~ 1,3

- Ortho Photphate

5

2 ~ 10

1,1 ~ 1,3

- Poly Photphate

1

1~5

1,1 ~ 1,3

Tng P

9

4 ~ 20

1,9 ~ 4,9

* nh hng ca Photpho i vi h sinh thỏi
nh hng ca s ụ nhim Photpho s cp trong nc l s phỡ dng
bi vỡ Photpho l dinh dng gii hn s tng trng ca thc vt trong nc
t nhiờm. Nc thi cha hm lng ln Photpho ho tan dn n s phỡ
dng nhanh hn, kt qu l trong cỏc h v cỏc thu vc s tng trng
nhanh ca to l nguyờn nhõn lm gim tớnh trong ca nc, gim nng
oxi ho tan phỏt sinh ra cỏc mựi hụi thi, lm mt i mt s loi cỏ nh v s

tng trng nhanh ca cỏc sinh vt thu sinh hoang dó cỏc vnh nụng. Cỏc
dũng chy cha c ln lm ngn cn ỏnh sỏng cn thit cho s quang hp
khụng phi l nguyờn nhõn chớnh ti s phỡ dng, tuy nhiờn ti cỏc ca sụng
v cỏc dũng sụng chy chm cha b ụ nhim nu c kt hp vi cỏc ngun
thi s b nh hng bt li.
Quỏ trỡnh phỡ dng hoỏ úng vai trũ quan trng trong dõy chuyn thc
phm ca h sinh thỏi nc.
Trong nc, to s dng CO2, Ni t vụ c, orthophotphat v cỏc cht
dinh dng khỏc vi lng rt nh phỏt trin. To li l thc n ca ng
vt phự du. Mt s loi cỏ nh n ng vt phự du v rong to, mt s loi cỏ
ln li n loi cỏc nh. Nh vy nng sut ca dõy chuyn thc phm ph

Nguyễn Thị Vân Anh

viện khoa học công nghệ và môi tr-ờng