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 MƠ HÌNH HỐ Q 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 sống nói chung, vấn đề bảo vệ và cung cấp nước sạch
cho sự sống của mn lồi sinh vật là vơ cùng quan trọng. Con người, các lồi
động thực vật trên trái đất không thể tồn tại và phát triển khi khơng có nước
nhưng cũng khơng thể tồn tại và phát triển khi nguồn nước bị ơ nhiễm. Vì vậy
việc bảo vệ và cung cấp nước sạch, việc thải và xử lý nước bị ô nhiễm trước
khi đổ vào nguồn nước là một vấn đề bức xúc đối với toàn thể lồi người.
Nguồn nước thải nếu khơng xử lý sẽ làm ô nhiễm nguồn nước mặt, ngấm vào

nguồn nước ngầm, làm ô nhiễm các nguồn cung cấp nước sạch, làm ảnh
hưởng môi trường sống, đến sức khoẻ cộng đồng những người chịu tác động
trực tiếp bởi nguồn nước thải này.
Trong nước giàu nguồn Nitơ và Photpho, đặc biệt là Photpho, sẽ là điều
kiện rất tốt cho tảo phát triển. Tảo phát triển làm cho nước có màu sắc, tảo
phát triển cịn gây cho nước có nhiều mùi khó chịu, như mùi cỏ, mùi mỡ ơi
khét, mùi thối… Nhìn chung tảo khơng gây độc, nhưng sự phát triển khơng
thể kìm hãm của chúng sẽ là nguyên nhân của sự mất cân bằng sinh thái trong
nguồn nước chúng tồn tại, làm giảm lượng Oxy hoà tan trong nước. Ngoài ra
thân xác của chúng làm ách tắc cho bơm, lọc, đường ống, làm giảm độ keo tụ
cặn và làm giảm chất lượng nước, đặc biệt về mầu và mùi… Ngoài ra, sự phát
triển quá mức của tảo sẽ là nguyên nhân gây ra hiện tượng phú dưỡng cho
nguồn nước, là nguyên nhân gây ra sự ơ nhiễm thứ cấp. Vì vậy cần phải xử lý
Photpho tồn tại trong nguồn nước thải trước khi chúng được thải ra môi
trường.
Để xử lý nước thải chứa nhiều Photpho có nhiều phương pháp khác
nhau, trong đó phổ biến nhất là phương pháp kết tủa hoá học và phương pháp
sinh học. Trong luận văn tốt nghiệp với đề tài “Nghiên cứu mơ hình hố q
trình khử 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 hoá xảy ra trong hệ thống xử lý Photpho bằng

phương pháp sinh học, nghiên cứu các thành phần và các cấu tử tham gia vào
q trình này. Từ đó thiết lập nên các phương trình cân bằng vật liệu cho các
cấu tử trong hệ thống thông qua các biểu thức toán học biểu diễn mối quan hệ
tương hỗ giữa các cấu tử và các quá trình. áp dụng phương pháp số để giải bài
toán cân bằng vật liệu với nồng độ các cấu tử đầu vào đã biết (số liệu thu từ
thực nghiệm) và kết quả nhận được các thông số đầu ra của hệ thống xử lý
lượng Photpho đã được xử lý. Trên cơ sở kết quả nhận được, từ đó có thể đưa
ra quyết định, vận hành, điều khiển, kiểm soát hệ thống một cách tối ưu nhất,
đánh giá hiệu xuất xử lý của hệ thống đang hoạt động và trợ giúp cho việc
thiết kế cơng trình xử lý nước thải.
Luận văn bao gồm các chương sau:
Chương I: Tổng quan về phương pháp xử lý sinh học.
Chương II: Lý thuyết về quá trình khử photpho trong nước thải bằng
phương pháp sinh học.
Chương III: Mơ hình hố q trình khử photpho bằng phương pháp sinh
học
Chương IV: Áp dụng mụ hỡnh.

Nguyễn Thị Vân Anh

viện khoa học công nghệ và m«i tr-êng


Luận văn thạc sĩ khoa học

-4-

CC CH VIT TT TRONG LUẬN VĂN
ADP

Adenozin diphotphat

ATP

Adenozin triphotphat

EMP

Con đường Embden - Meyerhof - Parnas

NAD

Nicotinamit adenin dinucleotit

PAOs

Vi sinh vật tích luỹ photpho

PHA

Poly - hydroxyalkanotes

PHB

Poly - hydroxybutyrat

PHV

Poly - hydroxyvalerat

TCA

Chu trình Tricarboxylic acid (Chu trình Krebs)

VFA

Axit béo bay hi

Nguyễn Thị Vân Anh

viện khoa học công nghệ và m«i tr-êng


Luận văn thạc sĩ khoa học

-5-

MC LC
LI NểI U .................................................................................................. 2
CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN ................................................. 4
MỤC LỤC ......................................................................................................... 5
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ SINH HỌC ........ 7
1.1.

Nguyên lý chung của quá trình xử lý sinh học .................................... 7

1.2.

Vi sinh vật............................................................................................ 9

1.2.1. Vi sinh vật trong quá trình xử lý sinh học ....................................... 9
1.2.2. Nhu cầu chất dinh dưỡng cho sự phát triển vi sinh vật ................. 11
1.2.3. Sự tăng trưởng của vi khuẩn .......................................................... 13
1.3.

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

1.4.

Động lực học của quá trình xử lý ...................................................... 16

1.4.1. Tốc độ tăng trưởng của các vi khuẩn ............................................. 16
1.4.2. ¶nh hưởng của sự hơ hấp nội bào .................................................. 18
1.5.

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý ........................................ 19

1.5.1. Nhiệt độ .......................................................................................... 19
1.5.2. pH ................................................................................................... 20
1.5.3. ¶nh hưởng của oxi và chất nền được mơ tả qua phương trình động
học sau: ................................................................................................... 20
1.5.4. ¶nh hưởng của các chất kìm hãm ................................................... 21
1.5.5. ¶nh hưởng của các chất độc ........................................................... 22
CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT VỀ QUÁ TRÌNH KHỬ PHOTPHO TRONG
NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC ..................................... 23
2.1.

Photpho trong nước thải và ảnh hưởng của P đối với hệ sinh thái ... 23

2.2.

Các phương pháp khử Photpho trong nước thải ............................... 26

2.2.1. Phương pháp kết tủa hố học ......................................................... 26
2.2.2. Phương pháp sinh học .................................................................... 30

Ngun 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 bằng phương pháp sinh học ............. 35

2.3.1. Cơ chế hoá sinh .............................................................................. 35
2.3.2. Vi sinh vật tích luỹ Photpho (PAOs) ............................................. 44
2.3.3. Nguồn Cacbon................................................................................ 45
2.3.4. Các quá trình xử lý ......................................................................... 46
CHƯƠNG 3: MƠ HÌNH HỐ Q TRÌNH KHỬ PHOTPHO BẰNG
PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC ......................................................................... 56
3.1.

Khái qt về mơ hình hố.................................................................. 56

3.1.1. Sơ lược về phương pháp mơ hình hố ........................................... 56

3.1.2. Đặc điểm của phương pháp mơ hình hố ....................................... 57
3.1.3. Vai trị của mơ hình hố trong lĩnh vực nghiên cứu về xử lý nước
thải ............................................................................................................ 58
3.2. Giới thiệu một số nghiên cứu về mơ hình hố ứng dụng trong cơng
nghiệp........................................................................................................... 59
3.3. Mơ hình hố q trình khử Photpho bằng phương pháp sinh học ....... 61
3.3.1. Các cấu tử trong mơ hình ............................................................... 61
3.3.2. Các thơng số hệ số tỷ lượng trong mơ hình ................................... 63
3.3.3. Các q trình trong mơ hình........................................................... 64
3.3.4. Các mơ hình ................................................................................... 68
3.3.5. Xác định các thơng số của mơ hình ............................................... 69
3.3.6. Thiết lập phương trình cân bằng vật liệu cho các cấu tử trong quá
trình khử Photpho trong nước thải bằng phương pháp sinh học .............. 75
CHƯƠNG 4: ÁP DỤNG MÔ HÌNH .............................................................. 91
4.1. Nồng độ các thành phần trong mơ hình ................................................ 91
4.2. Kết quả tính tốn ................................................................................... 95
TÀI LIỆU 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 PHÁP XỬ LÝ SINH HỌC
1.1. NGUYÊN LÝ CHUNG CỦA QUÁ TRÌNH XỬ LÝ SINH HỌC

Các chất hữu cơ hồ tan, các chất keo và phân tán nhỏ sẽ được chuyển
hoá bằng cách hấp phụ và keo tụ sinh học trên bề mặt của tế bào vi sinh vật.
Tiếp đó, trong quá trình trao đổi chất, dưới tác dụng của men nội bào, các chất
hữu cơ sẽ bị phân huỷ. Quá trình vi sinh vật tiêu thụ chất bẩn từ nước thải
gồm ba giai đoạn sau:
+ Di chuyển các chất gây ô nhiễm từ pha lỏng tới bề mặt của vi sinh vật
do khuyếch tán đối lưu và phân tử.
+ Di chuyển chất bẩn từ bề mặt ngoài tế bào qua màng bán thấm bằng
khuyếch tán do sự chênh lệch nồng độ các chất ở trong và ngoài tế bào.
+ Quá trình chuyển hố các chất ở trong tế bào vi sinh vật với sự sản
sinh năng lượng và quá trình tổng hợp các chất mới của tế bào với sự hấp thụ
năng lượng.
Nồng độ các chất ở xung quanh tế bào giảm dần, các thành phần thức ăn
mới từ môi trường bên ngồi (mơi trường nước thải) lại khuyếch tán và bổ
xung thay thế. Thường quá trình khuyếch tán trong mơi trường chậm hơn q
trình hấp thụ qua màng tế bào nên nồng độ các chất dị dưỡng xung quanh tế
bào bao giờ cũng thấp. Song đối với sản phẩm của tế bào tiết ra thì nhiều hơn
so với những nơi xa tế bào.
Giai đoạn hấp thụ và hấp phụ là cần thiết trong việc tiêu thụ chất hữu cơ
của vi sinh vật song khơng phải có ý nghĩa quyết định trong q trình xử lý
nước thải mà đóng vai trị chủ yếu quyết định là q trình diễn 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 hố các chất hữu cơ khi ơxi hố sinh hố

1. Chất bẩn trước khi xử lý.
2. Chất bẩn bị giữ lại trên bề mặt tế bào.
3. Chất bẩn còn lại trong môi trường sau khi xử lý.
4. Chất bẩn bị ôxi hoá trực tiếp thành CO2, H2O, H.
5. Chất bẩn bị đồng hoá được tổng hợp để tăng sinh khối.
6. Tự ơxi hố của vi sinh vật thành CO2 và H2O do men hô hấp nội bào.
7. Phần dư của vi sinh vật.
Nước thải tiếp xúc bùn hoạt tính, một phần lớn chất bẩn bị giữ lại trên bề
mặt tế bào, phần cịn lại ra ngồi theo dịng ra, trong một phần chất bẩn bị giữ
lại chỉ có một phần bị ơxi hố hồn tồn thành CO2 và H2O, một phần sẽ bị
đồng hoá để tổng hợp tế bào tức là để sinh khối của vi sinh vật tăng lên. Đồng
thời, song song với q trình đồng hố trong tế bào vi sinh vật cịn diễn ra q
trình dị hố, phân huỷ các chất có trong tế bào sống. Như vậy, một phần trong
số các chất sống đã được tổng hợp lại tự ơxi hố.
+ Oxy hố các hợp chất hữu cơ:
CxHyOzN + (x + y/4 + z/3 + 3/4) O2

Enzym

xCO2 + (y - 3)/2 H2O + NH3 + H

+Tổng 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
+Hô hấp nội sinh:
C5H7NO2 + 5O2

Enzym

5CO2 + 2H2O + NH3 + H

1.2. VI SINH VẬT
1.2.1. Vi sinh vật trong quá trình xử lý sinh học
a.

Vi khuẩn:

Là cơ thể sống đơn bào, có khả năng phát triển và tăng trưởng trong các
bông cặn lơ lửng hoặc dính bám vào bề mặt vật cứng. Vi sinh vật các khả
năng sinh sản rất nhanh khi tiếp xúc với chất dinh dưỡng có trong nước thải,
chúng hấp thụ nhanh thức ăn qua màng tế bào. Vi khuẩn đóng vai trò quan
trọng trong việc phân huỷ chất hữu cơ và biến chất hữu cơ thành chất ổn định
tạo thành bông cặn dễ lắng.
+ Xét về hình dạng bên ngồi, vi khuẩn có thể chia ra thành 3 nhóm: Cầu

khuẩn (đường kính 0,5 ~ 1,0m); Trực khuẩn (chiều dài: 0,5 ~ 1,0m; chiều
rộng 1,5 ~ 3m); Xuắn khuẩn (dài 0,5 ~ 5; rộng 6 ~ 15m). Chúng có trong
nước thải dưới dạng tụ tập lại thành màng mỏng như lưới hoặc liên kết với
nhau thành khối như bông cặn. Song cũng có loại vi khuẩn dạng sợi
(filamentous) kết với nhau thành lưới nhẹ nổi lên bề mặt làm ngăn cản quá
trình lắng ở bể lắng đợt 2.
+ Cơng thức hố học gần đúng của tế bào là C5H7NO2. Khi Photpho
được xem xét thì cơng thức hố học là C60H87O23N12P.
+ Nhiệt độ nước thải có ảnh hưởng lớn đến q trình hoạt động và sinh
sản của vi khuẩn, phần lớn vi khuẩn hoại sinh hoạt động có hiệu quả cao và
phát triển mạnh mẽ ở nhiệt độ 20 ~ 400C. Một số loại vi khuẩn có trong q
trình xử lý cặn phát 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 mơi trường cũng là yếu tố chính trong sự phát triển của vi sinh
vật, phần lớn vi khuẩn không thể chịu đựng được ở pH > 9,5 và pH < 4,5.
Nhìn chung pH của sự phát triển vi khuẩn: 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 là hiếu khí nghiêm ngặt, có khả năng tăng trưởng dưới độ
ẩm thấp và có thể chịu đựng mơi trường với pH tương đối thấp (pH = 2 ~ 9;
pHOP = 5,6). Tuy nhiên, vì các kích thước lớn, tỷ trọng nhẹ, nấm nếu phát
triển mạnh sẽ nổi lên trên mặt nước gây cản trở đến quá trình lắng ở bể lắng
đợt hai.
c.

Động vật nguyên sinh:

Thường lớn hơn vi khuẩn và thường ăn vi khuẩn như nguồn năng lượng.
Động vật ngun sinh hoạt động như bộ phận đánh bóng dịng ra từ quá trình
xử lý nước thải sinh học bởi chúng ăn vi khuẩn và chất hữu cơ dạng hạt.
d.

Tảo:

Có vai trị quan trọng trong q trình xử lý sinh học vì:
+ Tảo có khả năng tạo ra ơxi nhờ phản ứng quang hợp. Do đó, tảo cung
cấp ơxi cho vi khuẩn hiếu khí và là cần thiết cho sự sống đối với sinh thái của
môi trường nước.
+ Do Nitơ và Photpho là nguồn thức ăn cho tảo nên khi Nitơ, Photpho

nhiều sẽ dẫn đến sự phát triển mạnh mẽ của tảo gây ra hiện tượng phú dưỡng
nên cần phải khử Nitơ, Photpho dưới nồng độ cho phép trước khi xả ra nguồn
tiếp nhận.
1.2.2. Nhu cầu chất dinh dưỡng cho sự phát triển vi sinh vật
+ Nguồn năng lượng và Cacbon: thường được gọi là chất nền, gồm có 2
nguồn Cacbon phổ biến nhất đối với vi sinh vật là chất hữu cơ và CO2. Nếu vi
sinh vật sử dụng Cacbon ở dạng hợp chất hữu cơ để tổng hợp tế bào gọi là
sinh vật dị dưỡng, còn sử dụng Cacbon ở dạng CO2 thì được gọi là sinh vật tự
dưỡng.
Năng lượng cần thiết để tổng hợp tế bào có thể được cung cấp bởi ánh
sáng hoặc bởi phản ứng hố học. Những vi sinh vật có thể sử dụng ỏnh sỏng

Nguyễn Thị Vân Anh

viện khoa học công nghệ và m«i tr-êng


Luận văn thạc sĩ khoa học

- 12 -

nh ngun nng lượng được gọi là sinh vật quang dưỡng (phototrops). Sinh
vật này có thể là dị dưỡng hoặc tự dưỡng (tảo và vi khuẩn quang hợp) còn
những vi sinh vật mà năng lượng của chúng được lấy từ phản ứng ôxi hố hố
học thì được gọi là sinh vật hố dưỡng (chemotrops). Cũng như vi sinh vật
quang dưỡng, sinh vật hoá dưỡng cũng có thể là dị dưỡng (động vật nguyên
sinh, nấm, vi khuẩn) hoặc tự dưỡng (vi khuẩn nitrat). Những sinh vật hố tự
dưỡng nhận năng lượng từ sự ơxi hố các hợp chất vơ cơ như NH3, NO2-, SO2cịn sinh vật hoá dị dưỡng nhận năng lượng từ sự ôxi hoá các hợp chất hữu cơ.
Bảng1.1: Phân loại vi sinh vật theo nguồn Cacbon và năng lượng
Phân loại

Nguồn năng lượng

Nguồn Cacbon

Ánh sáng

CO2

Phản ứng ơxi hố khử
hợp chất vơ cơ

CO2

Ánh sáng

C- dạng hợp chất

Phản ứng ơxi hố khử
hợp chất hữu cơ

C- dạng hợp chất

Vi sinh vật tự dưỡng
Vi sinh vật quang tự dưỡng
Vi sinh vật hoá tự dưỡng
Vi sinh vật dị dưỡng
Vi sinh vật quang dị dưỡng
Vi sinh vật hoá dị dưỡng

+Nhu cầu chất dinh dưỡng và nhân tố tăng trưởng:
- Chất dinh dưỡng vô cơ chủ yếu cần thiết cho vi sinh vật là: P, N, S, K,
Mg, Ca, Fe, Na, Cl. Ngồi ra, cịn cần những chất dinh dưỡng quan trọng thứ
yếu khác bao gồm: Zn, Mn, Mo, Se, Co, Cu, Ni, V và W.
- Chất dinh dưỡng hữu cơ (được biết như là các nhân tố cho sự tăng
trưởng) gồm: aminoaxit, purin (C5H4N4), pirydin (C5H5N) và vitamin.
Các nguyên tố N, P và K cần được đảm bảo một lượng cần thiết trong xử
lý sinh hoá. Hàm lượng nguyên tố dinh dưỡng phụ thuộc vào thành phần của
nước thải và tỷ lệ giữa chúng được xác định bằng thc nghim:

Nguyễn Thị Vân Anh

viện khoa học công nghệ và m«i tr-êng


Luận văn thạc sĩ khoa học

- 13 -

BOD : N : P = 100 : 5 : 1
1.2.3. Sự tăng trưởng của vi khuẩn
Vi sinh vật có thể nảy nở thêm nhờ sinh sản phân đơi, sinh sản giới tính
và nảy mầm nhưng chủ yếu chúng phát triển bằng cách phân đôi. Thời gian
phân đôi tế bào thường được gọi là thời gian sinh sản, có thể dao động từ 20
phút đến vài ngày.
Vi khuẩn sẽ không thể tiếp tục sinh sản đến vô tận bởi những giới hạn
môi trường khác nhau như nồng độ chất nền, nồng độ chất dinh dưỡng, pH,
nhiệt độ thay đổi ra ngoài phạm vi tối ưu…

X (mg/l)

Hình 1.2: Quá trình tăng trưởng của vi sinh vật

Thêi gian t

Dựa trên đặc tính sinh lý và tốc độ sinh sản của vi sinh vật, quá trình
phát triển của chúng được chia thành nhiều giai đoạn:
* Giai đoạn 1: Giai đoạn tiềm tàng
Vi sinh vật chưa thích nghi với mơi trường và đang biến đổi để thích
nghi. Đến cuối giai đoạn này tế bào vi sinh vật mới bắt đầu sinh trưởng. Các
tế bào mới chỉ tăng về kích thước nhưng chưa tăng về số lượng.
X = X0
Trong đó:
X và X0: mật độ tế bào ở thời 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 trưởng của tế bào

* Giai đoạn 2: Giai đoạn luỹ tiến
Vi sinh vật phát triển với tốc độ riêng không đổi. Sau một thời gian nhất
định tổng số tế bào, trọng lượng tế bào tăng lên mạnh mẽ theo cấp số nhân.
Trong giai đoạn này tốc độ sinh trưởng tế bào

=

xa m

dX
tỷ lệ thuận với X.
dt

1 Xd
*
X td

Trong đó:
dX
: Tốc độ tăng trưởng tế bào
dt

max : Tốc độ tăng trưởng riêng lớn nhất

X2
dX 2
ln
=


.
dt
X X t max  X 1 =  max.(t 2 − t1 )
1
1

X2

t

Với tg: Thời gian sinh trưởng gấp đôi tế bào, được xác định với X2=2.X1.
ln2 = max .tg  t g =

ln 2

 max

=

0,639

 max

* Giai đoạn 3: Giai đoạn chậm dần
Giai đoạn tương ứng với sự cạn kiệt của môi trường nuôi cấy cùng với
sự biến mất của một hoặc nhiều phần tử cần thiết cho sự tăng trưởng của vi
sinh vật. Trong một số trường hợp, giai đoạn này được gây ra do sự tích tụ
các sản phẩm ức chế sinh ra trong q trình chuyển hố vi khuẩn. Trong giai
đoạn chậm dần X được tiếp tục tăng nhưng

dX
lại giảm.
dt

* Giai đoạn 4: Giai đoạn ổn định
X đạt tới trị số cực đại Xmax, số tế bào mới sinh ra vừa đủ bù vào số tế
bào già cỗi chết đi.
* Giai đoạn 5: Giai đoạn suy giảm (hoặc các giai đoạn nội sinh)

Nguyễn Thị Vân Anh

viện khoa học công nghệ và môi tr-êng


Luận văn thạc sĩ khoa học

- 15 -

Mt cỏc tế bào giảm xuống vì các tế bào bị chết đi và tốc độ chết vượt
xa tốc độ sinh sản ra tế bào mới. Trong giai đoạn này các vi sinh vật buộc
phải thực hiện quá trình trao đổi chất bằng chính các ngun sinh chất có
trong tế bào vì nồng độ các chất dinh dưỡng cấp cho tế bào bị cạn kiệt.
1.3. ENZIM
Enzym được coi là chất xúc tác sinh học quan trọng nhất để các q trình
chuyển hố trong tế bào vi sinh vật xảy ra nhanh chóng do nó có cường lực
xúc tác mạnh, mạnh hơn nhiều lần so với xúc tác thông thường. Enzym được
sinh ra trong các tế bào vi sinh vật, nó làm tăng tốc độ phản ứng lên nhiều lần
mà bản thân Enzym khơng bị biến đổi về thành phần hố học.
Cơ chế tác dụng của Enzym được giải thích theo các quan điểm hiện nay

như sau: trong phản ứng có xúc tác Enzym, nhờ sự tạo thành phức trung gian
Enzym-cơ chất (E-S) mà cơ chất được hoạt hố. Điều này có thể giải thích bởi
vì khi cơ chất kết hợp vào Enzym, do kết quả sự phân cực hoá, sự chuyển
dịch các electron và sự biến dạng của các liên kết tham gia trực tiếp vào các
phản ứng dẫn tới làm thay đổi động năng cũng như thế năng, kết quả làm cho
cơ chất hoạt động hơn, nhờ đó phản ứng chuyển hoá trong tế bào vi sinh vật
dễ dàng hơn. Năng lượng hoạt hố khi có xúc tác Enzym rất nhỏ so với khi
khơng có Enzym xúc tác.
Cơ chế của q trình tạo phức - cơ chất, biến đổi thành sản phẩm, giải
phóng Enzym thường trải qua 3 giai đoạn theo sơ đồ sau:
E

+

S

ES

P + E

* Giai đoạn 1: Enzim (E) kết hợp với cơ chất (S) bằng các liên kết yếu
tạo thành phức Enzym-cơ chất (ES) không bền. Phản ứng này xảy ra nhanh và
địi hỏi năng lượng hoạt hố thấp.
* Giai đoạn 2: Xảy ra sự biến đổi cơ chất dẫn tới sự kéo căng và phá vỡ
các liên 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: Tạo thành sản phẩm, Enzym được giải phóng dưới dạng
tự do và tiếp tục tham gia các phản ứng tiếp theo.
Các loại liên kết và tương tác hình thành trong phức Enzym – Cơ chất là
tương tác tĩnh điện, liên kết hyđrô, tương tác Val der Vaals.
Trong phản ứng sinh hố tuỳ theo tính chất mà người ta chia làm 2 loại
Enzym:
* Enzym ngoại bào (extracellular enzym): Loại Enzym này thường được
tạo ra khi xung quanh tế bào vi sinh vật là những cơ chất khó, khơng di
chuyển qua màng tế bào được. Nhờ sự hoạt hoá của các Enzym này mà cơ
chất có thể khuyếch tán qua màng tế bào được dễ dàng hơn.
* Enzym nội bào (intracellular enzym): Đây thực chất là các phản ứng
chuyển hoá bên trong tế bào.
Với sự có mặt của các Enzym tốc độ phản ứng chất nền đến sản phẩm
cuối cùng tăng lên rất cao. Tuy nhiên hoạt động của Enzym chịu ảnh hưởng
rất nhiều vào các yếu tố môi trường, pH, nhiệt độ, nồng độ Enzym và nồng độ
cơ chất…
1.4. ĐỘNG LỰC HỌC CỦA QUÁ TRÌNH XỬ LÝ
Để đảm bảo cho quá trình xử lý sinh học diễn ra một cách hiệu quả phải
tạo được điều kiện môi trường: pH, nhiệt độ, chất dinh dưỡng, chất nền, thời
gian tốt nhất cho hệ vi sinh vật.
1.4.1. Tốc độ tăng trưởng của các vi khuẩn
rg = .X

(1.1)

Trong đó:
rg: Tốc độ tăng trưởng của vi khuẩn (mg/l ngày)
 : Tốc độ tăng trưởng riêng (ngày -1)
X: Nồng độ vi sinh vật trong bể phản 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

* Tốc độ tăng trưởng của vi khuẩn () là khác nhau ở các q trình khác
nhau và nó bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như nồng độ chất nền, nồng độ oxy,
nồng độ chất độc, pH , nhiệt độ … Trong đó Mơ hình Monod là mơ hình cổ
điển nhất, quen thuộc nhất và được dùng nhiều nhất. Đó là mơ hình kinh

nghiệm:

 =  max.

S
KS + S

(1.2)

Trong đó:
S: Nồng độ chất nền giới hạn tăng trưởng (mg/l)
KS: Hằng số bán tốc độ, thể hiện ảnh hưởng của nồng độ chất nền tại
thời điểm tốc độ tăng trưởng  =1/2.  max.
Hình 1.3: Đồ thị ảnh hưởng của nồng độ chất nền đối với sự tăng trưởng
riêng của vi sinh vật.





Vậy

rg= .X=  max.

S
KS + S

(1.3)

Các tế bào hấp thụ chất nền, một phần chất nền được chuyển thành tế

bào mới, một phần được oxy hoá tạo thành chất 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 lại hấp thụ chất nền và sinh sản tiếp nên có thể thiết lập mối
quan hệ giữa tốc độ tăng trưởng và tốc độ dùng chất nền của vi khuẩn.
rg= -Y. rsu

(1.4)

Trong đó:
rg: Tốc độ tăng trưởng tế bào (mg/l ngày)
rsu: Tốc độ dùng chất nền

(mg/l ngày)

Y: Hệ số sản sinh max (mg/mg). Được định nghĩa là tỷ số khối lượng tế
bào được hình thành /khối lượng chất nền được dùng, được đo trong suốt một
thời gian nhất định ở giai đoạn phát triển logarit.
Từ (1.3) và (1.4) Ta có:

rsu = −

rg
Y

=−

 max.S. X
Y .(K S + S )

Nếu đặt: k =

(1.5)

 max
Y

k được định nghĩa như là: tốc độ dùng chất nền max trên đơn vị khối
lượng vi sinh vật. Thường giá trị của k = 2~10 ngày –1, k tiêu biểu = 5 ngày –1.
r su = -

k.S.X
KS + S

(1.6)

1.4.2. Ảnh hưởng của sự hô hấp nội bào
Trong xử lý nước thải, không phải tất cả các tế bào vi sinh vật đều ở độ
tuổi như nhau và đều ở giai đoạn phát triển logarit mà có một số đang ở giai
đoạn chết và giai đoạn tăng trưởng chậm. Do vậy, khi tính tốn tốc độ tăng
trưởng của tế bào phải tính tốn tổ hợp các hiện tượng này. Giả thiết rằng sự
giảm khối lượng của tế bào do chết và tăng trưởng chậm tỷ lệ với nồng độ của

vi sinh vật có trong nước thải và gọi sự giảm khối lượng tế bào là 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 số phân rã nội sinh(ngày-1)
Kết hợp (1.3) & (1.7), ta có:
rg’ =  max.

S. X
− k d .X = ’.X
KS + S

(1.8)

rg’ = -Y. rsu – kd . X

(1.9)

rg’: Tốc độ tăng trưởng thực của vi khuẩn (mg/l.ngày)

 ' =  max.

S
− kd
KS + S

(1.10)

Do ảnh hưởng của hô hấp nội sinh nên hệ số sinh sản thực được xác
định:
Yobs = −

rg'

(1.11)

rsu

1.5. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH XỬ LÝ
1.5.1. Nhiệt độ
Sự phụ thuộc nhiệt độ đối với q trình sinh học có thể được biểu diễn
dưới dạng sau:
 max (T)=  max(20) . e k(T-20).
Trong đó:


max(T),

max(20): Tốc độ tăng trưởng riêng cực đại ở nhiệt độ T oC và

20oC. max(20)=2 (ngày -1).
T: Nhiệt độ (oC).
Khi nhiệt độ tăng → 

max(T)

tăng → tốc độ tăng trưởng của vi sinh vật

tăng (rgtăng), song khi nhiệt độ tăng quá ngưỡng cho phép thì vi khuẩn sẽ bị
chết và khi nhiệt độ tăng thì độ hồ tan của oxi trong nước bị giảm. Trong
thực tế nhiệt độ nước thải trong hệ thống xử lý thuộc phạm vi 10 oC– 35oC và
nhiệt 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 học của pH được mô tả như sau:
 max (pH) =  max (pH op) .

K pH
K pH + I

Trong đó: KpH: Là hằng số pH
i = 10pH op -pH-1.
Thường giá trị của KpH = 150-250. Và pH trong các hệ thống xử lý nước
thải hiếu khí thường thuộc phạm vi 5 – 9, pHop= 6,5 – 8,5.


1.5.3. Ảnh hưởng của oxi và chất nền được mô tả qua phương trình động
học sau:

 =  max.

S o2
K So2 + S o2

.

S
.
KS + S

Trong đó:
 max: Tốc độ tăng trưởng riêng cực đại (ngày-1)
4S, So2: Nồng độ chất nền, oxi hoà tan (mgO2/l)
KO2, KS: Hằng số bão hoà đối với oxi, chất nền (mg/l)
Trong thực tế, nồng độ oxi hoà tan trong bể aeroten sẽ được duy trì 1,5 –
4 (mg/l). Và giá trị 2 mg/l là giá trị được sử 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 thì việc cải tiến hoạt động là khơng đáng kể nhưng chi phí
cho sục khí lại tăng lên đáng kể.
1.5.4. Ảnh hưởng của các chất kìm hãm
Các chất kìm hãm như chất độc, sản phẩm của phản ứng, sự dư chất nền
có thể gây độc, ức chế đến sự biến đổi hiếu khí.
Sự ức chế của chất kìm hãm cạnh tranh:
 = m

S
S + K S (1 +

I
)
KI

Khi có chất kìm hãm cạnh tranh thì KS được tăng lên do chất kìm hãm
cạnh tranh với chất nền làm giảm ái lực giữa E-S.
KS’= KS(1+

I
)
KI

Trong đó:
KS’: Hằng số bão hồ đối với sự cạnh tranh
KS: Hằng số bão hòa khi khơng có cạnh tranh
Ki: hằng số ức chế.
i: Nồng độ chất ức chế (mg/l).
Sự ức chế của chất kìm hãm không cạnh tranh: ảnh hưởng đến động lực
học tăng trưởng bằng sự giảm tốc độ tăng trưởng riêng.
 max ’=  max

K
KI + I

Và

 = m

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

Gồm:
* Sự kìm hãm của sản phẩm: Các sản phẩm của phản ứng có thể tác
dụng như chất kìm hãm khơng cạnh tranh của 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. Ảnh hưởng của các chất độc
Nhiều hoá chất là các chất độc đối với vi sinh vật như: Kim loại nặng và
muối của các kim loại nặng Hg, Ag Pb, Cu… Với một nồng độ 1/100.000 các
muối này đã gây tác hại, cịn đối với nồng độ 1/100 thì làm chết vi sinh vật
trong khoảng vài phút.
Các chất oxi hoá mạnh như: H2O2, KMnO4, O3, nước javen.
Các axit, bazơ (gây nên sự thuỷ phân protit), CO, CN, H2S (rất độc vì
chúng kết hợp với kim loại trong men hơ hấp làm mất hoạt tính của các men
này và q trình hơ hấp bị đình chỉ).
Các hợp chất hữu cơ như 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 VỀ QUÁ TRÌNH KHỬ PHOTPHO
TRONG NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC
2.1. PHOTPHO TRONG NƯỚC THẢI VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA PHOTPHO ĐỐI
VỚI HỆ SINH THÁI

Theo quan điểm hoá học, chu kỳ Photpho là đơn giản. Photpho tồn tại
trong vi sinh vật sống chỉ ở hoá trị (+5) hoặc là dạng Ion Photphate tự do
(PO4-3) hoặc là dạng hợp chất Photpho hữu cơ (Phữu cơ) của tế bào. Hầu hết các
hợp chất Photpho hữu cơ không thể đi vào tế bào sống, mà khi tế bào cần
Photpho thì Photpho phải được hấp thụ ở dạng Ion Photphate. Sau đó các hợp
chất Photpho hữu cơ được tổng hợp trong tế bào và tới khi tế bào chết thì Ion
Photphate được loại ra khỏi tế bào một cánh nhanh chóng bằng q trình thuỷ
phân.
Photpho là nhân tố giới hạn sự sinh trưởng của rất nhiều vi sinh vật vì
phần lớn Photpho trong tự nhiên tồn tại dưới dạng muối không tan như: muối
nhôm, muối sắt và muối canxi không tan. Các dạng sống trên trái đất phụ
thuộc vào khả năng hoà tan của các Photphate khơng tan. Đây là một q
trình mà vi sinh vật đóng vai trị quan trọng.
Trong vỏ trái đất chứa 0,08% Photpho, hầu hết Photpho ở dạng Apatite,
Apatite là CanxiPhotphate chứa Floride (Ca5(PO4)3).(F, Cl, OH).
Trong môi trường nước Photpho thường ở các dạng:
- Photpho cô đặc: tồn tại dưới dạng Pyro-, Meta- và Poly-Photphate.
- OrthoPhotphate: tồn tại dưới dạng H3PO4, H2PO4-, HPO4-2, PO4-3.
- Photpho hữu cơ: gắn với Cacbon v Oxi.

Nguyễn Thị Vân Anh

viện khoa học công nghệ và m«i tr-êng


Luận văn thạc sĩ khoa học

Pyro-

MetaH2PO4-

H3PO4

- 24 -

PolyHPO42-

PO43-

Photpho liờn kt với cacbon và oxy

Photphate cô đặc
Ortho photphate
Photpho hữu cơ

Các Photphate này có thể ở dạng hồ tan hoặc dạng hạt hoặc là thành
phần của mô động vật và thực vật.
Dạng của OrthoPhotphate phụ thuộc vào pH môi trường, trong phạm vi pH=6
~ 8 thì dạng H2PO4- và HPO4-2 chiếm ưu thế. Dạng OrthoPhotphate – muối

Photphate của axit Photphoric H2PO4-, HPO4-2, PO4-3 có ở trong các loại phân
bón hoặc cơ thể động vật, đặc biệt là tôm, cá thối rữa. Photphate cô đặc được
sử dụng rộng rãi trong các loại chất tẩy rửa: PyrometaPhotphate-Na2(PO4)6,
TripolyPhotphate-Na5P3O10, PyroPhotphate-Na4P2O7.
Tất cả các dạng Poly-Photphate đều có thể chuyển hố về OrthoPhotphate trong mơi trường nước, đặc biệt là ở điều kiện môi trường axit và
nhiệt độ cao (nhất là gần điểm sôi).
Photpho hữu cơ là thành phần trong chất thải con người và thức ăn dư
thừa.
Nguồn nước thải chứa Photpho:
-

Nước thải từ phân động vật và con người.

-

Nước thải từ các q trình cơng nghiệp có sử dụng các hợp chất

Photphate.
-

Nước thải công nghiệp chứa nồng độ Photpho cao: Nhà máy chế

biến thực phẩm (thịt, sữa, thuỷ sản), nhà máy sản suất phân bón, các quá trình
giặt tẩy.
Tổng hàm lượng Photpho trong nước thải:
 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 nước thải sinh hoạt chưa xử lý
Dạng Photpho

Phạm vi, mg/l

Photpho hữu cơ

Trung bình,
mg/l
3

1~5

Phạm vi,
g/người.ngày
0,8 ~ 1,6

Photpho vơ cơ

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

Tổng P

9

4 ~ 20

1,9 ~ 4,9

* Ảnh hưởng của Photpho đối với hệ sinh thái
Ảnh hưởng của sự ô nhiễm Photpho sơ cấp trong nước là sự phì dưỡng
bởi vì Photpho là dinh dưỡng giới hạn sự tăng trưởng của thực vật trong nước
tự nhiêm. Nước thải chứa hàm lượng lớn Photpho hồ tan dẫn đến sự phì
dưỡng nhanh hơn, kết quả là trong các hồ và các thuỷ vực sự tăng trưởng

nhanh của tảo là nguyên nhân làm giảm tính trong của nước, giảm nồng độ
oxi hồ tan phát sinh ra các mùi hôi thối, làm mất đi một số loài cá nhỏ và sự
tăng trưởng nhanh của các sinh vật thuỷ sinh hoang dã ở các vịnh nơng. Các
dịng chảy chứa độ đục lớn làm ngăn cản ánh sáng cần thiết cho sự quang hợp
không phải là ngun nhân chính tới sự phì dưỡng, tuy nhiên tại các cửa sơng
và các dịng sơng chảy chậm chưa bị ô nhiễm nếu được kết hợp với các nguồn
thải sẽ bị ảnh hưởng bất lợi.
Q trình phì dưỡng hố đóng vai trị quan trọng trong dây chuyền thực
phẩm của hệ sinh thái nước.
Trong nước, tảo sử dụng CO2, Ni tơ vô cơ, orthophotphat và các chất
dinh dưỡng khác với lượng rất nhỏ để phát triển. Tảo lại là thức ăn của động
vật phù du. Một số loại cá nhỏ ăn động vật phù du và rong tảo, một số loại cá
lớn lại ăn loại các nhỏ. Như vậy năng sut ca dõy chuyn thc phm ph

Nguyễn Thị Vân Anh

viện khoa học công nghệ và môi tr-ờng