Chuong1 QTSH DH 2010

BK
TPHCM

BÀI GIẢNG MÔN HỌC
CÁC QUÁ TRÌNH SINH HỌC TRONG
KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

CHƯƠNG 1
KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ XỬ LÝ CHẤT
THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC
Biên soạn: PGS. Nguyễn Phước Dân
GVHD: TS. Lê Hoàng Nghiêm
Email:



BK
TPHCM

Tổng quan

• Mục tiêu các quá trình sinh học trong công nghệ môi
trường:
– Biến đổi các thành phần dễ phân hủy sinh học thành các
sản phẩm cuối chấp nhận được
– Khử các chất dinh dưỡng như N, P
– Bắt giữ các chất rắn/hạït keo vào các hạt keo và hạt lơ lững
vào bông bùn sinh học (biological floc) hay màng sinh vật
(biofilm)
– Khử các thành phần/chất
organic/constitutent)

hữu

cơ

vết

(trace

• Bốn loại chất cần xử lý (pollutants) của quá trình
trên: CHC hòa tan, CHC không tan, chất vô cơ không
tan và chất vô cơ hòa tan.
• Vai trò của quá trình sinh hoá (biochemical
processes) trong XLNT thể hiện trong sơ đồ sau:
2

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM


Tổng quan

BK
TPHCM

Xử lý sơ bộ
Preliminary
physical unitä

Xử lý bổ sung
Additional

treatment

Xử lý bậc 1
Preliminary
physical
unitä

Nén bùn

Thickening

Quá trình
sinh hóa

Biochemical
process

n đònh bùn
Biochemical
processä

Tách-Lắng
Physical unitä

Xử lý bậc
cao
Advanced
treatment

Nén-tách

nước

ThickeningDewatering

SOM: Soluble organic matter
IOM: Insoluble organic matter
SIM: Soluble inorganic matter
IIM: Insoluble inorganic matter
Biomass
3

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM


BK
TPHCM

Tổng quan

• Phân loại quá trình sinh hóa dựa trên ba quan
điểm sau:
– Biến đổi sinh hóa: (1) chuyển hóa (oxy hóa) các
thành phần có thể phân hủy sinh học và loại bỏ
chất dinh dưỡng
– Môi trường sinh hóa: quá trình sinh hóa thực hiện
trong điều kiện kò khí, hiếu khí, thiếu khí.
– Hình dạng bể sinh học: chia làm hai nhóm chính,
phụ thuộc hình thái sinh trưởng của vi sinh: Lơ lửng
và bám dính trên giá thể rắn

4

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM


BK
TPHCM

Tổng quan

Sự khác biệt giữa quá trình sinh học và hóa học
– Quá trình sinh học, được thực hiện với sự tham gia của vi sinh vật,
khác với quá trình hoá học ở các điểm sau:
Tính phức tạp của hỗn hợp các chất phản ứng
Sự gia tăng sinh khối diễn ra cùng với sự chuyển hoá sinh học
Khả năng của vi sinh vật tự tổng hợp các xúc tác cho riêng
mình (men vi sinh)
Khó giữ vận tốc chuyển hoá không đổi (tính không ổn đònh của
quá trình)
Tiến hành quá trình chỉ trong pha lỏng (nước)
Nồng độ cơ chất và sản phẩm tương đối thấp

5

– Tất cả các phản ứng vi sinh học đều là dò thể vì chúng xảy ra với
sự tham gia của ít nhất 2 pha: pha rắn, là vi sinh vật và pha lỏng
(nước). Đôi khi trong quá trình có thể tham gia pha khí, pha lỏng và
pha rắn khác (không khí hoặc oxi trong hệ thông hiếu khí và CO2
trong hệ kỵ khí)
TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

BK
TPHCM

Tổng quan (tt)

• ng dụng của quá trình sinh học trong lónh vực môi
trường
– Xử lý nước thải: trong quá trình này vi sinh vật được sử dụng
để chuyển hoá chất thải do hoạt động sống của con người
thành sản phẩm có giá trò nhất đònh nào đó. Sự chuyển hoá
này đạt được là nhờ trong nước thải sinh hoạt và công
nghiệp chứa một lượng lớn các chất ô nhiễm có khả năng
phân hủy sinh học.
– Xử lý chất thải rắn: chất thải rắn sinh hoạt chứa phần lớn
thành phần hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học. Vi sinh
vật sử dụng chúng làm nguồn thức ăn và chuyển hóa thành
phân compost.
– Tham gia vào quá trình tự làm sạch môi trường (đất, nước,
không khí).
– Xử lý khí thải: vi sinh vật sử dụng các chất ô nhiễm trong khí
thải làm nguồn cacbon như xử lý VOC
6

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM


BK
TPHCM

Thành phần và phân loại vi sinh vật

• Thành phần tế bào vi sinh vật
– Nước và muối khoáng

Nước có trong tế bào VSV khoảng 75-90%
Hàm lượng chất khô trong tế bào VSV khoảng 1030%, hàm lượng muối khoáng trong chát khô
khoảng 5-10%
– Các hợp chất hữu cơ

Các loại hydrat cacbon: gồm monosacarit và
polysacarit
Lipit: hàm lượng mỡ và các chất béo
Protit: gồm protein (protit đơn giản) và proteic
(protit phức tạp)
Các loại axit nucleic
7

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM


BK
TPHCM

Thành phần và phân loại vi sinh vật (tt)

• Cấu trúc tế bào vi khuẩn:
–
–

–
–
–
–
–

8

Màng nhầy
Vách tế bào
Màng nguyên sinh chất
Nguyên sinh chất
Nhân
Tiêm mao
Bào tử

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM


BK
TPHCM

•

Thành phần và phân loại vi sinh vật (tt)

Phân loại vi sinh vật
– Vi khuẩn
– Nấm
– Tảo: tảo khuê, tảo lam,...

– Động vật nguyên sinh: trùng roi, thảo trùng,...
– Thực vật nước bậc cao

9

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM


Trao đổi chất và năng lượng của vi sinh vật

BK
TPHCM

Quá trình trao đổi chất ở VSV bao gồm 2 quá trình cơ
bản:
– Quá trình đồng hóa: tổng hợp vật chất trong tế bào
Năng lượng được cung cấp bởi quá trình di hóa
Vật chất được lấy từ môi trường và được tổng hợp xảy ra
trong tế bào
– Quá trình dò hóa: phân giải vật chất trong và ngoài tế bào
Dò hóa ngoài tế bào cung cấp vật chất cho tế bào nhờ
các enzym ngoại bào (được tổng hợp trong tế bào và
thực hiện các phản ứng ngoài tế bào)
Dò hóa trong tế bào được thực hiện nhờ enzym nội bào
(được tổng hợp trong tế bào và thực hiện các phản ứng
trong tế bào)
10

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

Trao đổi chất và năng lượng của vi sinh vật (tt)

BK
TPHCM

Quá trình trao đổi chất bao gồm:
– Quá trình chuyển hóa vật chất từ ngoài tế bào vào trong tế
bào
– Quá trình tổng hợp vật chất trong tế bào
– Quá trình thải bỏ các chất dư thừa từ tế bào ra môi trường

Quá trình trao đổi năng lượng bao gồm tất cả các
quá trình oxy hóa phân hủy có kèm theo giải phóng
năng lượng

11

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM


BK
TPHCM

12

Quá trình trao đổi chất của vi sinh vật (tt)

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

BK
TPHCM

Sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật

•

Điều kiện nuôi cấy tónh
không thêm dinh dưỡng cũng không
loại bỏ các sản phẩm cuối cùng của trao đổi chất

•

Quá trình nuôi cấy liên tục và nuôi cấy đồng bộ chất dinh
dưỡng được thêm vào liên tục và các sản phẩm thừa của trao
đổi chất luôn được lấy khỏi môi trường

•

Đường cong sinh trưởng của quần thể vi khuẩn:

13

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM


Sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật (tt)

BK

TPHCM

Pha lag
– Tính từ lúc bắt đầu cấy đến khi vi khuẩn đạt được tốc độ sinh
trưởng cực đại.
– Trong pha lag vi khuẩn chưa phân chia (chưa có khả năng sinh
sản) mà thích nghi dần với điều kiện môi trường.
– Trọng lượng và thể tích tế bào tăng lên rõ rệt do quá trình tổng hợp
các chất diễn ra mạnh mẽ.
– Độ dài của pha phụ thuộc trước hết vào tuổi, giống và thành phần
môi trường.
– Trong pha này diễn ra quá trình xây dựng lại các tế bào nghỉ thành
tế bào sinh trưởng logarit (hoặc sinh trưởng theo lũy thừa).
– Hệ số kinh tế đặc trưng cho hiệu suất sử dụng cơ chất:

Y=
14

X
X
=
S1 So − S

Trong đó:
Y : Hệ số kinh tế
X : Lượng sinh khối sinh trưởng, g
S1: Lượng cơ chất sử dụng, g
So: Lượng cơ chất ban đầu, g
S : Lượng cơ chất còn lại

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM


Sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật (tt)

BK
TPHCM

Pha logaric (Pha tăng trưởng)
– Trong pha này vi khuẩn sinh trưởng và phát triển theo hàm lũy thừa.
Kích thước tế bào, thành phần hóa học, hoạt tính sinh học,... Không
thay đổi theo thời gian.
– Sinh khối và khối lượng tế bào tăng theo phương trình N = No.2n

Pha ổn đònh

– Trong pha này quần thể vi khuẩn ở trạng thái cân bằng động, tốc
độ sinh trưởng phụ thuộc vào nồng độ cơ chất.
– Nguyên nhân tồn tại pha ổn đònh là do sự tích lũy các sản phẩm
của trao đổi chất và việc cạn kiệt chất dinh dưỡng.
– Thời gian pha ổn đònh sẽ khác nhau đối với mỗi loại VSV.
Pha tử vong
– Trong pha này số lượng tế bào có khả năng sống giảm dần theo
lũy thừa.
– Các tế bào tử vong bởi nhiều nguyên nhân: cạn kiệt chất dinh
dưỡng, các sản phẩm thừa của trao đổi chất bò tích lũy lại, tính
chất hóa lý môi trường thay đổi,...
15

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

BK
TPHCM

Quá trình sinh học hiếu khí

Quá trình sinh học hiếu khí
– Chuyển hoá (oxy hoá) các chất hoà tan và những chất dể
phân hủy sinh học thành những sản phẩm cuối cùng có thể
chấp nhận được (humic, fulvic,...);
– Hấp phụ và kết tụ cặn lơ lửng và chất keo không lắng thành
bông sinh học hay màng sinh học;
– Chuyển hoá/khử chất dinh dưỡng (N và photpho)

Vai trò của vi sinh vật hiếu khí trong xử lý nước thải
– Khử các chất hoà tan, BOD carbon và ổn đònh hợp chất hữu
cơ trong nước thải
– Sử dụng nhiều loại vi sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn.
– Những VSV oxy hoá các CHCơ hoà tan thành những sản
phẩm đơn giản và tăng sinh khối.
16

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM


BK
TPHCM

Quá trình sinh học hiếu khí (tt)

• Quá trình phân hủy hiếu khí
Oxi hóa va hơ h p n i bào

C.hữu cơ

O2

dinh dưỡng
(N,P)

CO2

H2O

Cặn không phân hủy
sinh học

17

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM


BK
TPHCM

Quá trình sinh học hiếu khí (tt)

• Quá trình phân hủy hiếu khí (tt)
Phân h y n i bào

O2

CO2

H2O

N,P

Cặn không phân hủy
sinh học

18

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM


BK
TPHCM

BOD

Đo đạc lượng DO sử dụng do vi sinh trong quá trình
oxy hóa CHC;
3 phản ứng sinh hóa xảy ra trong BOD test:
– Oxi hóa/hô hấp:
COHNS + O2
CO2 + H2O +NH3 + sản phẩm cuối +
năng lượng
– Tổng hợp:

COHNS + O2 + năng lượng
C5H7NO2
– Hô hấp nội bào:
C5H7NO2 + 5O2
5 CO2 + NH3 + 2H2O
• BOD 5 ngày = 60-70% oxi hóa hoàn toàn CHC
• BOD 20 ngày = 95-99% tổng lượng CHC
19

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM


BK
TPHCM

Mô hình hóa phản ứng
ng BOD

• Mô hình hóa dựa trên lượng CHC còn lại ở
thời gian t biến đổi theo hàm bậc nhất:
dBODr
= −k1 × BODr
dt
Trong đó:

BOD r = UBOD × e − k1t

BODr = Lượng CHC còn lại ở thời gian t (ngày) tính theo lượng oxy
tương đương, mg/L
k1 = hằng số tốc độ phản ứng bậc nhất, ngày-1

UBOD = Tổng BOD hay BOD cuối cùng (ultimate), mg/L
t = Thời gian (ngày)

Như vậy BOD sử dụng ở thời gian t:

BODt = UBOD − BODr = UBOD ∗ (1 − e − k1t )
20

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM


BK
TPHCM

Mô hình hóa phản ứng
ng BOD
k1T = k120 × θ T − 20

Giá trò Kt ở nhiệt độ khác:

Giá trò Kt của nước thải sinh hoạt ở 20o (ngày -1)
Thông số

Dãy

Giá trò trung bình

Nước thài thô

0,12 – 0,46

0,23

NT sau xử lý

0,12 – 0,23

0,18

Giá trò Kt ở nhiệt độ khác

21

=1.056 ở 20oC và 1.135 ở 30oC

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM


BK
TPHCM

Hạn chế trong BOD test
Đòi hỏi vi khuẩn nuôi cấy thích nghi ban đầu;
Yêu cầu khử độc chất trong mẫu;
Khử ảnh hưởng của VK nitrate hóa;
Chỉ có chất dể phân hủy được đo (không đo được
chất khó phân hủy sinh học)
Test không có giá trò đẳng lượng sau khi CHC dể
phân hủy đã được tiêu thụ hết và

Thời gian test tương đối dài

22

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM


BK
TPHCM

Nitrate hóa trong BOD test
Nhu cầu oxy liên quan đến oxi hóa ammonia thành
nitrate: Nhu cầu oxy sinh hóa nitơ (Nitrogenous BOD);
Ammonia là sản phẩm thuỷ phân proteins.
VK chuyển hoá ammonia thành nitrite và nitrate:
Chuyển hóa ammonia thành nitrate (VK Nitrosomonas)
NH3 + 3/2 O2

HNO2 + H2O

Chuyển hóa nitrite thành nitrate (nitrobacter)
HNO2 + 2 O2

HNO3 + H2O

Nhu cầu oxy liên quan đến oxi hoá ammonia thành
nitrate gọi là NBOD;
Tốc độ oxi hóa của vi khuẩn nitrate chậm, thường
xảy ra trong ngày thứ 6 – ngày thứ 10
23

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM


BK
TPHCM

OXY CHO QUÁ TRÌNH OXY HÓA NBOD (1)

BOD nitơ (NBOD): kết quả của quá trình nitrat hóa (nitrification).
Ammonia lần lượt bò oxy hóa dưới điều kiện hiếu khí thành nitrite
bởi các vi khuẩn Nitrosomonas:

NH 4− + 1,5O2 → 2 H + + H 2 O + NO2−
Cần phải tiêu thụ 3.43 g oxy để oxy hóa 1 g nitơ thành nitrite.
Nitrite hình thành sau đó được oxy hóa thành nitrate do các vi
khuẩn Nitrobacter:
−
−
2
2
3

NO + 0,5O → NO

cần phải tiêu thụ 1.14 g oxy để oxy hóa 1 g nitơ ở dạng nitrite
thành nitrate.
Lượng oxy tổng cộng là 4,57 g oxy để oxy hóa 1 g nitơ ở dạng
ammonia thành nitrat.
24

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM


OXY CHO QUÁ TRÌNH OXY HÓA NBOD

BK
TPHCM

NBOD (LN) được tính toán gần đúng theo phản ứng bậc 1:

L = L [1 − exp (− K t )]
N

(2.16)

N
o
N
NBOD có thể được tính toán theo công thức:
N
o
o
a

L = 4,57(N + N

)

(2.17)

No và Na lần lượt là nồng độ nitơ ở dạng hữu cơ và ở dạng ammonia.
25

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM