Tài liệu Vi hóa sinh kỹ thuật môi trường

  • Số trang: 105 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 240 |
  • Lượt tải: 0
hoanggiang80

Đã đăng 20010 tài liệu

Mô tả:

Vi hóa sinh kỹ thuật môi trường
TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG MỤC LỤC Trang MỤC LỤC........................................................................................................................ 1 DANH SÁNH HÌNH ....................................................................................................... 4 DANH SÁCH BẢNG ...................................................................................................... 5 CHƯƠNG 1 SINH VẬT TRONG CÁC NGUỒN NƯỚC TỰ NHIÊN ...................... 1 1. CÁC NGUỒN NƯỚC............................................................................................... 1 2. SỰ NHIỄM BẨN NGUỒN NƯỚC.......................................................................... 2 2.1. Nhiễm bẩn tự nhiên............................................................................................ 2 2.2. Nhiễm bẩn nhân tạo ........................................................................................... 3 3. PHÂN LOẠI NGUỒN NƯỚC THEO MỨC ĐỘ NHIỄM BẨN. ............................ 4 CHƯƠNG 2 VI SINH VẬT TRONG NƯỚC THẢI.................................................... 6 1. LÝ THUYẾT XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC........... 6 1.1. Xử lý hiếu khí..................................................................................................... 7 1.2. Xử lý kỵ khí ....................................................................................................... 9 2. ĐỘNG HỌC CÁC QUẦN THỂ SINH VẬT TRONG CÁC CÔNG TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI ........................................................................................................ 10 2.1. Cùng tranh nhau một loại thức ăn .................................................................... 11 2.2. Loài này ăn loài khác ....................................................................................... 11 2.3. Mối quan hệ mật độ cá thể giữa các quần thể vi sinh vật ................................ 11 3. XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG CÁC QUÁ TRÌNH TỰ NHIÊN............................. 14 3.1. Cánh đồng tưới, cánh đồng lọc ........................................................................ 14 3.2. Hồ sinh vật hay hồ Oxy hóa............................................................................. 16 4. ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH TĂNG TRƯỞNG CỦA VI SINH VẬT..................... 19 4.1. Tăng trưởng tế bào ........................................................................................... 19 4.2. Ảnh hưởng của nồng độ chất nền..................................................................... 19 4.3. Tăng trưởng tế bào và sử dụng cơ chất ............................................................ 20 4.4. Ảnh hưởng của chuyển hóa nội bào................................................................. 21 4.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ ................................................................................... 22 5. QUÁ TRÌNH TỰ LÀM SẠCH CỦA NGUỒN NƯỚC MẶT ............................... 23 5.1. Quá trình tự làm sạch ....................................................................................... 23 5.2. Vai trò của các loài thuỷ sinh vật trong quá trình tự làm sạch nguồn nước..... 28 5.3. Ảnh hưởng của các chất bẩn đối với nguồn nước............................................ 29 6. XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC ................................ 32 6.1. Bể lọc sinh học nhỏ giọt.................................................................................. 32 6.2. Bể bùn hoạt tính ............................................................................................... 39 6.3. Bể Mêtan .......................................................................................................... 46 6.4. Bể tự hoại ......................................................................................................... 51 6.5. Bể lắng hai vỏ và bể lắng trong kết hợp lên men............................................. 51 CHƯƠNG 3 VI SINH VẬT TRONG CHẤT THẢI RẮN HỮU CƠ ...................... 52 1. VI SINH VẬT PHÂN HỦY CHẤT THẢI RẮN HỮU CƠ ................................... 52 2. ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY CỦA VI SINH VẬT ............................. 52 2.1 Động học của quá trình phân hủy hiếu khí chất thải rắn hữu cơ....................... 52 2.2 Động học của quá trình phân hủy kỵ khí chất thải rắn hữu cơ ......................... 53 3. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY CHẤT HỮU CƠ ..................................................................................................................................... 56 3.1 Các loại vi sinh vật............................................................................................ 56 3.2 Các loại quá trình trao đổi chất của vi sinh vật ................................................. 58 Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 1 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG 3.3 Nhu cầu dinh dưỡng cho sự phát triển của vi sinh vật ...................................... 59 4. COMPOST.............................................................................................................. 61 4.1 Quá trình làm phân compost hiếu khí ............................................................... 61 4.2 Ưu điểm và nhược điểm của quá trình làm phân compost................................ 63 5. BIOGAS.................................................................................................................. 64 6. BÃI CHÔN LẮP ..................................................................................................... 65 CHƯƠNG 4 VI SINH VẬT TRONG KHÔNG KHÍ ................................................. 66 1. SỐ LƯỢNG VÀ CHỦNG LOẠI VI SINH VẬT TRONG KHÔNG KHÍ............. 66 2. CÁC LOẠI BỆNH LIÊN QUAN ĐẾN KHÔNG KHÍ........................................... 66 3. KIỂM SOÁT VI SINH VẬT TRONG KHÍ ........................................................... 67 4. LẤY MẪU VI SINH VẬT TRONG KHÔNG KHÍ ............................................... 68 5. ẢNH HƯỞNG CỦA MƯA ĐỐI VỚI VI SINH VẬT TRONG KHÔNG KHÍ ..... 69 CHƯƠNG 5 VI SINH VẬT GÂY BỆNH VÀ CÁC CHỈ TIÊU VỆ SINH .............. 70 1. NHỮNG VI SINH VẬT GÂY BỆNH.................................................................... 70 1.1 Khái niệm về dịch tế bào học và các đường truyền bệnh ................................. 70 1.2 Những bệnh truyền nhiễm qua nước................................................................. 71 2. NHỮNG CHỈ TIÊU VỆ SINH VỀ VI SINH VẬT TRONG NƯỚC ..................... 74 2.1 Những khái niệm chung về những vi sinh vật chỉ thị vệ sinh........................... 74 2.2 Đánh giá nước dùng để ăn uống........................................................................ 76 CHƯƠNG 6 CÁC PHƯƠNG PHÁP KHỬ TRÙNG TRONG XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG....................................................................................................................... 80 1. PHƯƠNG PHÁP KHỬ TRÙNG BẰNG NHIỆT................................................... 80 1.1 Khử trùng trực tiếp bằng ngọn lửa .................................................................... 80 1.2 Khử trùng bằng nhiệt khô ................................................................................. 80 1.3 Khử trùng bằng nước sôi................................................................................... 80 1.4 Khử trùng bằng Autoclave áp suất, nhiệt độ..................................................... 81 1.5 Phương pháp khử trùng Fraction....................................................................... 83 1.6 Phương pháp khử trùng Pasteur ........................................................................ 83 1.7 Khử trùng bằng dầu nóng.................................................................................. 83 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP KHỬ TRÙNG VẬT LÝ ................................................... 83 2.1 Phương pháp lọc (Filtration) ............................................................................. 83 2.2 Khử trùng bằng tia cực tím (Ultraviolet Light)................................................ 84 2.3 Các dạng tia khử trùng khác (Other Type of Radiaton)................................... 85 2.4 Sóng siêu âm Ultrasonic Vibbration (U.V)....................................................... 85 3. CÁC PHƯƠNG PHÁP BẢO QUẢN ..................................................................... 86 3.1 Phương pháp làm khô ....................................................................................... 86 3.2 Phương pháp hạ nhiệt độ................................................................................... 86 4. CÁC NHÂN TỐ HÓA HỌC KHỬ TRÙNG QUAN TRỌNG............................... 87 4.1 Halogen ............................................................................................................. 88 4.2 Phenol và các hợp chất phenol.......................................................................... 89 4.3 Kim loại nặng.................................................................................................... 89 4.4 Alcohol (rượu)................................................................................................... 90 5. CÁC NHÂN TỐ HÓA HỌC KHÁC ...................................................................... 90 5.1 Formaldehyde.................................................................................................... 90 5.2 Ethylene Oxyde (EtO)....................................................................................... 91 5.3 Glutaraldehyde .................................................................................................. 91 5.4 Hydrogen Peroxyde (H2O2) .............................................................................. 91 5.5 Xà bông và chất tẩy rữa .................................................................................... 92 5.6 Thuốc nhuộm .................................................................................................... 92 Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 2 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG 5.7 Acid ................................................................................................................... 93 BÀI THỰC HÀNH........................................................................................................ 94 BÀI 1: GIỚI THIỆU ................................................................................................... 95 BÀI 2: KIỂM TRA TỔNG SỐ VI KHUẨN............................................................... 97 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 100 Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 3 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG DANH SÁNH HÌNH Trang Hình 1. 1: Chu trình thủy văn ........................................................................................... 1 Hình 1. 2: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của giới hạn dinh dưỡng lên tốc độ tăng trưởng đặc biệt. ........................................................................................................................... 20 Hình 1. 3: Các vùng nhiễm bẩn của dòng chảy .............................................................. 24 Hình 1. 4: Ảnh hưởng của chất bẩn đối với sự sống – hoạt động của vi sinh vật trong nước sông ........................................................................................................................ 24 Hình 1. 5: Chu trình sinh hoá tự nhiên trong sông hồ..................................................... 28 Hình 1. 6: Đường cong oxy hoà tan và số lượng VK tương ứng trong dòng sông bị nhiễm............................................................................................................................... 30 Hình 1. 7: Độ hoà tan oxy trong nước ở các nhiệt độ khác nhau.................................... 30 Hình 1. 8: Sự hoà tan oxy trong dòng chảy rối ............................................................... 31 Hình 1. 9: Sự hoà tan oxy trong dòng chảy chậm........................................................... 31 Hình 2. 1: Các đường cong tiêu thụ oxy xác định bằng phương pháp Warburg............... 9 Hình 2. 2: Quá trình phân hủy kỵ khí ............................................................................. 10 Hình 2. 3: Đồ thị về các loài vi khuẩn chủ đạo sơ cấp và thứ cấp .................................. 12 Hình 2. 4: Sự sinh trưởng tương đối của các loài vi sinh vật khi xử lý nước thải chứa chất hữu cơ ...................................................................................................................... 13 Hình 2. 5: Mối quan hệ hỗ sinh giữa tảo và vi khuẩn ..................................................... 14 Hình 2. 6: Sơ đồ hoạt động của hồ sinh vật .................................................................... 18 Hình 2. 7: Sơ đồ cấu tạo bể lọc sinh vật.......................................................................... 33 Hình 2. 8: Sơ đồ nước chảy trên bề mặt hạt vật liệu lọc. ................................................ 36 Hình 2. 9: Sơ đồ chuyển hóa vật chất giữa màng nước chuyển động và màng nước cố định.................................................................................................................................. 37 Hình 2. 10: Bể thổi khí – SBR ........................................................................................ 40 Hình 3. 1: Vi khuẩn hình que .......................................................................................... 57 Hình 3. 2: Men ................................................................................................................ 57 Hình 3. 3: Đống ủ compost ............................................................................................. 61 Hình 3. 4: Luống ủ compost và máy xáo trộn................................................................. 62 Hình 4. 1: Ô nhiễm không khí do công nghiệp ............................................................... 66 Hình 4. 2: Ô nhiễm không khí do cháy rừng................................................................... 67 Hình 4. 3: Thiết bị thu mẫu khí ....................................................................................... 68 Hình 4. 4: Lấy mẫu không khí ngoài hiện trường........................................................... 69 Hình 6. 1: Autoclave ....................................................................................................... 81 Hình 6. 2: Autoclave công nghiệp................................................................................... 82 Hình 6. 3: Máy lọc .......................................................................................................... 84 Hình 6. 4: Máy sản xuất tia cực tím ................................................................................ 84 Hình 6. 5: Máy phát sóng siêu âm .................................................................................. 86 Hình 6. 6: Phun hóa chất khử trùng ................................................................................ 87 Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 4 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG DANH SÁCH BẢNG Trang Bảng 1. 1: Hệ số nhiệt hoạt động đối với các quá trình xử lý sinh học .......................... 22 Bảng 1. 2: Hệ số động học đối với quá trình bùn hoạt tính của nước thải sinh hoạt ...... 22 Bảng 1. 3: Hệ số động học đối với quá trình phân hủy kỵ khí các loại cơ chất.............. 23 Bảng 1. 4: Lượng sản phẩm sơ cấp trong các hố (theo Vinberg 1960)........................... 26 Bảng 1. 5: Chỉ tiêu hóa học và vi trùng học về mức độ nhiễm bẩn của các loại nguồn nước................................................................................................................................... 5 Bảng 2. 1: Sự hấp thụ vi khuẩn Bact Ptrodigiosum của các loại hạt đất ........................ 15 Bảng 2. 2: Số vi khuẩn hoại sinh trong bể lọc sv khi xử lý nước thải nhà máy sữa ....... 34 Bảng 2. 3: Lượng màng sinh vật và số vi khuẩn hoại sinh ở các chiều cao khác nhau trong bể lọc khi xử lý nước thải nhà máy sữa. ................................................................ 35 Bảng 3. 1: Các chất nhận điện tử trong phản ứng của vi sinh vật................................... 58 Bảng 3. 2: Phân loại vi sinh vật theo nguồn năng lượng và carbon của tế bào............... 59 Bảng 3. 3: Khoảng nhiệt độ của các nhóm vi sinh vật.................................................... 60 Bảng 3. 4: Các thông số quan trọng trong quá trình làm phân compost hiếu khí ........... 63 Bảng 6. 1: Tóm tắt các tác nhân vật lý được sử dụng để kiểm soát VSV....................... 87 Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 5 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG CHƯƠNG 1 SINH VẬT TRONG CÁC NGUỒN NƯỚC TỰ NHIÊN Nhìn chung những quá trình sinh hóa diễn ra trong các nguồn nước thiên nhiên không phức tạp như khi xử lý chất thải, vì các chất hữu cơ trong nước thiên nhiên, nước cấp ít hơn, cả về lượng lẫn loại các chất. Một trong những nhiệm vụ của người kỹ sư môi trường là phải cung cấp nước sạch, vô trùng cho dân. Chúng ta hãy xét các loại nguồn nước, sự nhiễm bẩn và quá trình tự làm sạch của nước nguồn, đặc biệt là nguồn nước mặt để tạo cơ sở cho sự hiểu biết và làm việc sau này. 1. CÁC NGUỒN NƯỚC Tất cả các loại nước trong thiên nhiên đều qua dạng nước mưa. Nước bay hơi từ đại dương, ngưng tụ lại thành những đám mây rồi lại rơi xuống lục địa ở dạng mưa, tuyết. Sau đó nước tập trung vào sông hồ rồi lại chải ra biển - đại dương. Chu trình thủy văn được minh họa ở (hình 1.1). Đối với chúng ta, kỹ sư môi trường có thể phân biệt 3 loại nguồn nước: Đó là nước mưa, nước mặt và nước ngầm. Hình 1. 1: Chu trình thủy văn Nước mưa. Về mặt vệ sinh - vô trùng học và hóa học, thì nước mưa sạch nhất, chỉ có nhược điểm là nồng độ muối trong đó quá ít, nhưng rất dễ khắc phục bằng cách cho thêm muối vào. Tuy nhiên trong thực tế người ta chỉ dùng nước mưa làm nguồn nước cục bộ cho những đối tượng yêu cầu ít nước. Nước ngầm. Về mặt vệ sinh thì nước ngầm kém hơn nước mưa, nhưng sạch hơn nước mặt. Nhiều khi không xử lý mà vẫn sử dụng được. Thực chất nước ngầm là do Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 1 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG nước mặt thấm xuống đất. Thành phần hóa lý của nước ngầm tùy thuộc cấu tạo địa chất và thành phần nước mặt. Đối với nước ngầm, sự nhiễm bẩn về vi khuẩn rất đa dạng. Thông thường nước ngầm, mạch nông bị nhiễm bẩn nhiều hơn so với nước ngầm mạch sâu. Càng thấm sâu xuống lòng đất, vi khuẩn càng ít đi bởi lớp đất trên cùng có khả năng giữ lại hầu hết các vi khuẩn. Nhiều số liệu cho thấy ở dưới các hố phân, vi khuẩn không thể xâm nhập xuống chiều sâu 30 - 40 cm cách mặt đất. Tuy nhiên có khi ở độ sâu 1,5 m và hơn nữa cũng phát hiện thấy có vi khuẩn và làm nước ngầm bị nhiễm khuẩn. Các chất hóa học thấm xuống lòng đất sâu hơn. Nhưng trong quá trình thẩm thấu cùng với nước xuống đất, các chất đó có thể bị thay đổi thành phần. Chẳng hạn cách mặt đất 0,5 m nhiều chất hữu cơ đã bị phân hủy - bị oxy hóa. Người ta đã nghiên cứu, phân tích và cho thấy, ở độ sâu 30,5 cm, BOD không vượt quá 5 mg/l, thậm chí khi BOD ban đầu trên mặt đất đạt tới 100 mg/l. Ở độ sâu đó không còn thấy photphat nữa. Vi khuẩn và hóa chất không chỉ thẩm thấu theo chiều sâu, mà còn khuếch tán theo chiều ngang. Thí nghiệm cho thấy, cùng với nước ngầm các hóa chất cũng bị khuếch tán xa hơn vi khuẩn. Khoảng cách khuếch tán tùy thuộc lượng bẩn ban đầu, tính chất đất, kích thướt hạt. Tuy nhiên, có thể coi rằng vi sinh vật không thể thấm vào giếng nước cách xa nguồn bẩn 20 m đối với đất pha sét, 200 m đối với đất cát (Jucốp và Ampolski 1951). Nước mặt. Khi mưa rơi xuống mặt đất, chảy vào các sông hồ nên gọi là nước mặt. Nước mặt bẩn nhất cả về vi sinh vật, chất hữu cơ, vô cơ. Nước mặt rất giàu các chất dinh dưỡng - môi trường tốt cho nhiều loại vi sinh vật phát triển, kể cả nấm và động vật hạ đẳng. 2. SỰ NHIỄM BẨN NGUỒN NƯỚC Sự nhiễm bẩn nguồn nước có thể do tự nhiên hoặc nhân tạo. Các chất bẩn có thể ở dạng chất lơ lửng, keo, tan, chất độc, vi sinh vật, sinh vật,… Sự nhiễm bẩn tự nhiên: là do mưa rơi xuống mặt đất, kéo theo các chất bẩn xuống sông hồ hoặc do các sản phẩm sống – hoạt động phát triển của sinh vật, vi sinh vật – kể cả xác chết của chúng. Sự nhiễm bẩn do nhân tạo: chủ yếu do nước thải vùng dân cư đô thị, công nghiệp cũng như tàu thuyền xả ra. 2.1. Nhiễm bẩn tự nhiên Trên đây ta xét nước mưa ở góc độ nguồn cung cấp, bây giờ ta xét nước mưa – là một loại nước thải, một tác nhân vận chuyển chất bẩn vào sông hồ. Như đã biết, nước mưa hoặc tuyết là nguồn bổ cập cho nguồn nước mặt, nước ngầm. Thành phần nước mưa biến đổi theo thời gian, không gian, và tùy thuộc lượng các tạp chất bẩn trong không khí, trên mặt đất. Chẳng hạn, ở gần các trung tâm công nghiệp, nước mưa sẽ bảo hòa các khí thải của công nghiệp ngay trên không và bão hòa các chất bẩn công nghiệp cả trên mặt đất. Nếu ở trong những khu vực nghiên cứu hạt nhân thì nước mưa chứa cả các chất phóng xạ… Ngay cả lượng mưa cũng ảnh hưởng tới thành phần nước sông hồ. Nếu tính rằng với thời gian 20 phút, thì lượng nước mưa ở Hà Nội hay ở các thành phố Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 2 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG ở Việt Nam sẽ là bao nhiêu và tập trung vào sông hồ chứa bao nhiêu chất bẩn từ các mặt phủ, mặt đất ở các vùng? Nước mưa cũng rất bẩn và ảnh hưởng nhiều tới chế độ dòng chảy của sông hồ và chất lượng nước trong đó. 2.2. Nhiễm bẩn nhân tạo Nước thải đô thị. Là nước thải sinh hoạt và công nghiệp trong phạm vi đô thị. Hàng ngày trung bình mỗi người thải ra 1 lượng chất bẩn đáng kể 65g chất lơ lửng, 35g BOD5 (nước đã lắng), 40g BOD20 (nước đã lắng), 8g nitơ amon, 1,7g photphat theo P2O5, 9g clorua. Ở nước Mỹ và Tây Âu, các giá trị trên còn cao hơn. Trong nước thải đô thị chứa rất nhiều vi sinh vật, giun sán, cả vi sinh vật gây bệnh, nhất là vi sinh vật gây bệnh đường ruột. Những vi sinh vật chiếm một khối lượng đáng kể các chất hữu cơ trong nước thải. Về thành phần cơ lý, các chất bẩn trong nước thải bao gồm các chất lơ lửng không tan (huyền phù), keo và tan. Theo Heukelekian và Balmat, trong nước thải sinh hoạt các chất dạng huyền phù chứa 80% là hữu cơ, keo và các chất tan chủ yếu là các chất khoáng. Các chất hữu cơ trong nước thải sinh hoạt là những chất béo, đạm (chứa nitơ), đường (chứa carbon), như xenlulo, hemixenlulo, pectin, tinh bột,….Ngoài ra trong nước thải còn chứa cation Na+, K+,…. Nước thải sản xuất – công nghiệp. Nhiều lĩnh vực công nghiệp tiêu thụ và thải ra một lượng nước khổng lồ như công nghiệp luyện kim đen, hóa học, chế biến lọc hóa dầu, dệt nhuộm, thực phẩm…Thành phần, tính chất nước thải công nghiệp rất đa dạng. Ngoài các chất bẩn thông thường, trong nước thải công nghiệp còn chứa nhiều chất độc hại. Khi lẫn với nước nguồn chúng sẽ tiêu diệt các loài thủy sinh vật. Khi nền công nghiệp càng phát triển, các chất bẩn mới xuất hiện càng nhiều, mức độ độc của chúng đối với vi sinh vật lại chưa rõ. Vì vậy phải xác định độ độc của các chất cũng như nồng độ giới hạn cho phép của chúng đối với các loài vi sinh vật, phải xác định mức độ cần thiết làm sạch, các phương pháp xử lý nước thải. Trong các xí nghiệp công nghiệp còn có cả loại nước thải quy ước sạch. Đó là các loại nước làm nguội thiết bị, sản phẩm, nhất là các nhà máy nhiệt điện. Tuy nước này không bẩn, nhưng có thể ngẫu nhiên do sự cố thiết bị nên cũng có thể làm nhiễm bẩn nguồn nước. Các loại nước này có thể làm nhiệt độ nước nguồn tăng lên, làm nghèo oxy trong đó hoặc làm sinh vật bị tiêu diệt. Nước tưới tiêu - thủy lợi. Trong nông nghiệp sử dụng nhiều nước để tưới ruộng. Hệ thống nước tưới tiêu của thủy lợi là sản phẩm quan trọng trong cách mạng xanh. Nước tưới ruộng phần lớn thấm xuống đất và bay hơi, một phần qui lại hồ. Phần nước này mang theo chất lơ lửng xói mòn từ đất, nhiều loại độc, thuốc trừ sâu…Vì khối lượng nước này quá nhiều, không thể thực hiện xử lý làm sạch được. Kết quả, một mặt gây ô nhiễm nguồn nước, mặt khác làm giảm độ phì của đất. Một điều nguy hiểm đối với các vùng khô, bay hơi mạnh, những kênh mương tưới rất nông cạn, nên lượng nước mất đi do bay hơi rất lớn. Kết quả làm tăng hàm lượng muối trong nước tưới và nước trồng, làm thay đổi thành phần nước ngầm. Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 3 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Sự nhiễm bẩn do vận tải đường thủy. Vận tải đường thủy là vận tải kinh tế nhất. Tuy chậm nhưng ngày nay hình thức này rất phổ biến. Có thể nói ở các nước từ 50 -90% hàng hóa được vận tải bằng đường thủy. Trong công nghiệp lọc hóa dầu, bất kỳ loại dầu nào cũng điều chứa nước. Khi vận chuyển, nước tích lại dưới đáy tàu. Sau khi bơm dầu đi, để tránh ô nhiễm sông biển, người ta cấm xả nước này gần bờ biển nếu hàm lượng dầu vượt quá 50 mg/l. Cho dù xả bằng cách nào cũng làm biển bị ô nhiễm và tiêu diệt sinh vật biển – nhất là thực vật – nguồn cung cấp oxy cho khí quyển ở đất liền. Ngoài các sản phẩm dầu, các tàu thuyền còn làm nhiễm bẩn sông biển do thải nước sinh hoạt. Vì vậy phải có thiết bị riêng trên tàu thuyền để xử lý hoặc rồi xả ra những vùng qui định. 3. PHÂN LOẠI NGUỒN NƯỚC THEO MỨC ĐỘ NHIỄM BẨN. Chất lượng nước nguồn được đánh giá trên cơ sở các số liệu phân tích lý hóa - vi sinh vật. Mỗi dạng phân tích đều có ưu nhược điểm nhất định và không thay thế nhau được. Để đánh giá tốt nhất thì nên có cả 3 dạng phân tích trên. Các chỉ tiêu phân tích hóa học cho phép đánh giá về lượng và đặt tính chất bẩn, ảnh hưởng của chúng đối với sự thay đổi chất lượng nước nguồn. Các chỉ tiêu phân tích vi sinh vật cho phép xác định xác xuất tồn tại trong nước của các loài vi sinh vật gây bệnh. Phân tích vi sinh vật giúp ta xác định mức độ bẩn của nước trên toàn cục diện, nhiều khi cũng cho phép xác định hậu quả của sự nhiễm bẩn đột xuất mà các phương pháp nghiên cứu hóa lí - vi sinh vật chưa thể thực hiện kịp thời ngay được. Phân tích sinh vật là dựa vào sự thích ứng 1 số sinh vật đối với nước có chất lượng nhất định. Hiện nay, có nhiều kiểu phân loại nguồn nước theo độ bẩn. Thí dụ, người ta phân ra 6 nhóm nguồn nước như ở(Bảng 1.1). Nguồn nước rất sạch, hoàn toàn không thấy dấu vết tác động của con người. Ở đó độ bão hòa oxy tới 95%, tới BOD5 không quá 1 mg/l, chất lơ lửng 3 mg/l. Nguồn này dùng cho tất cả các đối tượng cấp nước. Nguồn nước sạch, về các chỉ tiêu hóa học không khác lắm so với những nguồn nước rất sạch nhưng đã thấy dấu vết hoạt động của con người - cụ thể là lượng vi khuẩn hoại sinh tăng lên. Nguồn này cũng dùng cho tất cả các đối tượng cấp nước. Để khử trùng chỉ cần clorua hóa là đủ. Nguồn nước hơi bẩn, hàm lượng chất hữu cơ đã tăng lên, có ion clo và amon. Đó là các dấu hiệu bị nhiễm bẩn bởi nước mưa trên mặt đất, nước thải sinh hoạt chảy xuống. Nước hơi bẩn, phải xử lý thích đáng mới dùng để cấp nước sinh hoạt dân dụng được. Nước này dùng để nuôi cá hoặc các mục tiêu khác cũng được. Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 4 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Bảng 1. 1: Chỉ tiêu hóa học và vi trùng học về mức độ nhiễm bẩn của các loại nguồn nước Chỉ tiêu hóa học Mức độ bẩn Oxy hòa tan Hè Đông Rất sạch Sạch Hơi bẩn Bẩn vừa Bẩn Rất bẩn 9 8 7-6 5 -4 3 -2 0 14 -13 12 -11 10 -9 5 -4 5 -10 0 Lơ lửng BOD5 Độ oxy hóa Nitơ amon 1 -3 4 -10 11 -19 20 -50 51 -100 >100 0,5 -1 1,1 -1,9 2 -2,9 3 -3,9 4 -10 >10 1 2 3 4 5 -15 >15 0,05 0,1 0,2 -0,3 0,4 -1 1,1 -3 >3 Chỉ tiêu vi trùng học Đếm Số trực Colititre VK tiếp số VK 105 10 -100 a.101 2 a.10 106 10 -1 3 a.10 106 1 -0,05 4 a.10 107 0,05 -0,005 5 107 0,005 -0,001 a.10 0,001 a.10P108 Ghi Chú: a là số bất kỳ từ 1- 9 Nguồn nước bẩn và rất bẩn, đã hoàn toàn mất tính chất tự nhiên. Mùa hè xông mùi khó chịu. Trong nước chứa nhiều CO2, các hợp chất sulphua, chứng tỏ do hoạt động của tàu bè, cảng. Do vậy nguồn nước này chỉ dùng cho giao thông tàu bè. Còn việc dùng cho tưới ruộng cũng bị hạn chế vì không thích hợp với nhiều loại cây trồng. Khi đánh giá độ bẩn của nguồn nước trước khi bước vào phân tích hóa học, nhiều khi các chỉ tiêu; màu, mùi, độ trong - đục cũng là các dấu hiệu quan trọng chứng tỏ sự có mặt của nhiều chất bẩn. Ví dụ: mùi các chất độc xả vào như phenol, dicloetan, dầu,…Dầu lẫn vào chẳng những có mùi mà còn có váng nổi lên. Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 5 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG CHƯƠNG 2 VI SINH VẬT TRONG NƯỚC THẢI 1. LÝ THUYẾT XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC Với việc phân tích và kiểm soát môi trường thích hợp, hầu hết các loại nước thải đều có thể được xử lý bằng phương pháp sinh học. Mục đích của xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là keo tụ và tách các loại keo không lắng và ổn định (phân hủy) các chất hữu cơ nhờ hoạt động của vi sinh vật hiếu khí hoặc kỵ khí. Sản phẩm cuối cùng của quá trình phân hủy sinh học thường là các chất khí (CO2, N2, CH4, H2S), các chất vô cơ ( NH4+, PO43-) và tế bào mới. Các quá trình sinh học chính sử dụng trong xử lý nước thải gồm 5 nhóm chính: quá trình hiếu khí, quá trình thiếu khí, quá trình kỵ khí, thiếu khí và kỵ khí kết hợp và quá trình hồ sinh vật. Mỗi quá trình riêng biệt còn có thể phân chia thành chi tiết hơn, phụ thuộc vào việc xử lý được thực hiện trong hệ thống tăng trưởng lơ lửng (suspended - growth system), hệ thống tăng trưởng dính bám (attached – growth system), hoặc hệ thống kết hợp. Phương pháp sinh học có ưu điểm là rẻ tiền và có khả năng tận dụng các sản phẩm phụ làm phân bón (bùn hoạt tính) hoặc tái sinh năng lượng (khí methane). Vi sinh vật học cơ sở là phương tiện cho kĩ sư môi trường, để họ thiết kế, xây dựng và quản lí nước thải bằng phương pháp sinh học. Điều quan trọng đối với kĩ sư môi trường là phải hiểu rằng tất cả các hệ sinh vật đều dựa trên nguyên tắc chung. Nhưng sự khác nhau giữa chúng là môi trường và thành phần môi trường. Những vi sinh vật có thể liên tục chuyển hóa các chất hữu cơ trong nước thải bằng cách duy nhất là tổng hợp thành tế bào (nguyên sinh chất) mới. Chúng có thể hấp thụ một lượng lớn các chất hữu cơ qua bề mặt tế bào của chúng. Nhưng sau khi hấp thụ, nếu các chất hữu cơ không được đồng hóa thành tế bào chất thì tốc độ hấp thụ sẽ giảm tới 0. Một lượng nhất định các chất hữu cơ hấp thụ được giành cho việc kiến tạo tế bào. Một lượng khác các chất hữu cơ lại được oxy hóa để sinh năng lượng cần thiết cho việc tổng hợp. Mối quan hệ giữa việc chuyển hóa chất hữu cơ và tổng hợp tế bào cùng với việc tiêu thụ oxy (tạo năng lượng) theo Mackiney Ross E được biểu thị như sau: F = K1S+K2Os (2-1) Với F: lượng chất hữu cơ được chuyển hóa, mg/l theo BOD toàn phần S: lượng sinh khối tổng hợp được, mg/l chất hữu cơ volantin (chất khô không tro) Os: tiêu thụ oxy cho tổng hợp, mg/l oxy hòa tan tự do K1: 1,43 K2: 1,0 Hai hằng số được dùng để chuyển đơn vị đo lường thành mg/l oxy. Phương trình (2-1) có thể áp dụng cho hệ hiếu khí, còn hệ yếm khí thì khác. Ở hệ yếm khí thì không Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 6 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG có oxy tự do, chỉ có oxy hóa gián tiếp. Đó cũng là oxy hóa nhưng đó là oxy hóa yếm khí, bằng cách sử dụng chất hữu cơ có liên quan với lượng oxy hóa. 1.1. Xử lý hiếu khí Những hệ hiếu khí để xử lý nước thải bao gồm: bùn hoạt tính (aeroten), lọc sinh vật, hồ sinh vật hay hồ oxy hóa, cánh đồng tưới. Phương trình cơ bản được biểu thị trực tiếp theo oxy hòa tan, chừng nào hệ được duy trì trong điều kiện hiếu khí. Vì yêu cầu một năng lượng nhất định để tạo ra một lượng sinh khối nhất định, nên ta có thể biểu thị mối quan hệ giữa tổng hợp và năng lượng bằng phương trình: Os = 0,7S (2-2) Thay giá trị này vào phương trình (2-1) ta được phương trình biểu thị mối quan hệ giữa lượng chất hữu cơ đã bị khử và lượng chất được tổng hợp: F = 2,13S (2-3) Vấn đề còn lại là xác định chính xác lượng sinh khối được tổng hợp. Đây không phải là do trực tiếp lượng tăng sinh khối mà tổng lượng tăng sinh khối hoạt tính cộng với lượng sinh khối hoạt tính bị giảm do trao đổi nội bào. S = ∆Ma + K3Mat (2-4) Với Ma: sinh khối hoạt tính của vi sinh vật, mg/l chất khô volatin (chất khô không tro) t: thời, h K3: 0,006 Thay vào (2-3) ta có: F = 2,13 ∆Ma + 0,012Mat (2-5) Đây là phương trình cơ bản được dùng để thiết kế các hệ xử lý nước thải trong điều kiện hiếu khí. Cần nhớ rằng đây không phải là phương trình duy nhất được sử dụng trực tiếp, mà còn phải kết hợp với các phương trình khác để giải bài toán. Quan trọng hơn về phương diện thiết kế là tốc độ phản ứng. Có hai mô hình về tốc độ trong hệ sinh học: Tốc độ tăng và tốc độ giảm. Tốc độ tăng (của phản ứng) diễn ra trong suốt khoảng thời gian của pha sinh trưởng lorarit. Trong khi đó, tốc độ giảm của phản ứng diễn ra ở cả pha sinh trưởng chậm dần lẫn pha oxy hóa nội bào. • Quá trình phân hủy háo khí chất thải hữu cơ: Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 7 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG COHNS + O2 + VSV hiếu khí → CO2 + NH3 + sản phẩm khác + năng lượng Pha sinh trưởng logarit. Nhiều kĩ sư vệ sinh đã cố sử dụng pha sinh trưởng Log để ổn định - xử lý nước thải nhưng vô ích. Trong suốt pha sinh trưởng Log, tốc độ tổng hợp và do đó tốc độ oxy hóa là lớn nhất. Điều đó có nghĩa đơn giản là: đa số các loại nước thải có thể xử lý trong thời gian ngắn. Nhưng tiếc rằng, những vi sinh vật có hai đặc điểm sinh hóa ngăn cản việc sử dụng pha Log trong việc xử lý nước thải. Để duy trì pha sinh trưởng Log, phải đảm bảo tỷ lệ giữa thức ăn và vi sinh vật (F:M) luôn luôn lớn hơn 2. Với nước thải sinh hoạt, lượng thực phẩm không cao, do vậy chỉ có lúc bắt đầu xử lý trong hệ sinh học thì F:M mới cao. Ở mức tỷ lệ thức ăn cao như vậy, vi sinh vật không thể tạo bông, mà sẽ tản mạn trong nước thải. Nước ra khỏi pha sinh trưởng Log vẫn còn chứa nhiều chất hữu cơ chưa được chuyển hóa và nhiều vi khuẩn tản mạn. Chỉ có một số trạm xử lý nước thải công nghiệp có thể sử dụng pha sinh trưởng Log mà thôi. Pha sinh trưởng chậm dần. Pha sinh trưởng chậm dần bắt đầu khi pha sinh trưởng log kết thúc, khi nồng độ chất hữu cơ trở thành yếu tố giới hạn trong việc sinh trưởng của những tế bào mới. Tốc độ trao đổi chất trong pha sinh trưởng chậm dần không thể xác định được, bởi vì không thể ổn định và liên tục biến đổi khi nồng độ chất hữu cơ giảm. Pha sinh trưởng chậm dần sẽ ngừng lại khi tỷ lệ F:M giảm xuống tới 0. Đa số các hệ xử lý sinh học được vận hành giữa pha sinh trưởng chậm dần và pha hô hấp nội bào, sao cho tỷ lệ F:M ở thời điểm kết thúc vừa đủ để xác định nồng độ chất hữu cơ còn lại đảm bảo cho sinh khối ở trạng thái hoạt tính. Cần nhấn mạnh rằng tất cả các chất hữu cơ chủ yếu đã được ổn định, nghĩa là đã bị khử từ dạng tan và biến thành tế bào chất ở thời điểm kết thúc pha sinh trưởng chậm. Pha hô hấp nội bào. Sự sinh trưởng không dừng lại ở pha hô hấp nội bào, nhưng tốc độ phân hủy tế bào tăng lên và làm cho sinh khối hoạt tính giảm đi. Một lượng rất nhỏ được tổng hợp ở pha nội bào nhờ kết quả chuyển hóa chất hữu cơ, nhưng với tốc độ rất chậm. Tốc độ phản ứng trong pha hô hấp nội bào đã được xác định một cách chính xác. Những số liệu thu được chứng tỏ rằng sinh khối hoạt tính bị phân hủy ở tốc độ 0,6%/giờ. Sinh khối hoạt tính (Ma) bị phân hủy thành hai hợp phần: một phần bị oxy hóa, một phần là chất trơ. Phần bị oxy hóa với tốc độ 0,5% trong 1 giờ. Trong khi đó phần trơ bị phân hủy với tốc độ 0.1% /giờ. Chuyển đổi thành phần sinh khối bị oxy hóa thành lượng oxy tiêu thụ ta sẽ được tốc độ tiêu thụ oxy là 0.7% trong 1giờ. Oe = 0,007 Mat (2-6) Xác định oxy tiêu thụ ở pha hô hấp nội bào là phương pháp duy nhất cho phép xác định sinh khối hoạt tính trong bùn sinh học. Chẳng hạn có thể xác định sinh khối hoạt tính Ma sinh khối không hoạt tính Mi của một sinh khối bất kỳ: Sinh khối tổng cộng = Ma + Mi (2-7) Bình thường việc xác định chất khô không tro (VS) của sinh khối vi sinh vật lơ lửng được tiến hành bằng cách xác định tổng lượng chất hữu cơ trong sinh khối. Từ lượng oxy tiêu thụ trong pha nội bào có thể tính được Ma rồi sau đó tính Mi. Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 8 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Hình 2. 1 Các đường cong tiêu thụ oxy xác định bằng phương pháp Warburg 1.2. Xử lý kỵ khí Quá trình phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ là quá trình sinh hóa phức tạp tạo ra hàng trăm sản phẩm trung gian và phản ứng trung gian. Tuy nhiên, phương trình phản ứng sinh hóa trong điều kiện kỵ khí có thể biểu diễn đơn giản như sau: Chất hữu cơ Vi sinh vật CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S + Tế bào mới Một cách tổng quát, quá trình phân hủy kỵ khí xảy ra theo 4 giai đoạn (Hình 2.1): • Giai đoạn 1: Thủy phân, cắt mạch các hợp chất cao phân tử • Giai đoạn 2: Acid hóa • Giai đoạn 3: Acetate hóa • Giai đoạn 4: Methane hóa Các chất thải hữu cơ chứa các chất hữu cơ cao phân tử như proteins, chất béo, carbohydrates, celluloses, lignin,… Trong giai đoạn thủy phân, sẽ được cắt mạch tạo thành những phân tử đơn giản hơn, dễ phân hủy hơn. Các phản ứng thủy phân sẽ chuyển hóa protein thành amino acids, carbohydrate thành đường đơn, và chất béo thành acid béo. Trong giai đoạn acid hóa, các chất hữu cơ đơn giản lại được tiếp tục chuyển hóa thành acetic acid, H2 và CO. Các acid béo dễ bay hơi chủ yếu là acetic acid, propionic và lactic acid. Bên cạnh đó, CO2 và H2, methanol, các rượu đơn giản khác cũng được hình thành trong quá trình cắt mạch cacbohydrat. Vi sinh vật chuyển hóa methane chỉ có thể phân hủy một số loại cơ chất nhất định như CO2 + H2, formate, acetate, methanol, methylamines và CO. Các phương trình phản ứng xảy ra như sau: 4H2 + CO2 CH4 + 2H2O 4HCOOH CH4 + 3CO2 + 2H2O CH3COOH CH4 + CO2 Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 9 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG 4CH3OH 4(CH3)3N + H2O 3CH4 + CO2 + 2H2O 9CH4 + 3CO2 + 6H2O + 4NH3 H2 4% 28% 24% CHC cao phân tử 76% Acid hữu cơ CH4 52% 20% Quá trình thủy phân Acetic acid Quá trình acctate hoá và khử hydro 72% Quá trình nethane hoá Hình 2. 2 Quá trình phân hủy kỵ khí Tùy theo trạng thái của bùn, có thể chia quá trình xử lý kỵ khí thành: - Quá trình xử lý kỵ khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng như quá trình tiếp xúc kỵ khí (Anaerobic Contact Process), quá trình xử lý bằng lớp bùn kỵ khí với dòng nước đi từ dưới lên (Upflow Anearobic Sludge Blanket – UASB): - Quá trình xử lý kỵ khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng bám dính như quá trình lọc kỵ khí (Anaerobic Filter Process). Các phương trình cơ bản của trao đổi yếm khí và trao đổi hiếu khí khác nhau rất ít. Trong cả hai hệ, lượng chất hữu cơ cần thiết để hình thành tế bào chất đều như nhau. Các mô hình trao đổi chất có nhiều cấu trúc cơ bản giống nhau, năng lượng đòi hỏi để tạo ra một đơn vị tế bào chất cũng phải như nhau ở cả hai hệ. Chỉ có sự khác nhau giữa hai hệ là cơ chế tạo năng lượng và năng lượng sản ra trên một đơn vị chất hữu cơ đã chuyển hóa. Có thể thấy rằng, sự trao đổi yếm khí không hiệu quả trong việc sản sinh tế bào chất, nhưng việc sản sinh tế bào chất không phải là mục đích của hệ xử lý nước thải bằng phương pháp sinh hóa. Hệ xử lý nước thải bằng phuơng pháp sinh hóa yếm khí điển hình là tổng cộng của việc tạo axit và tạo mêtan. Khi mêtan có mức tan 0,17mg /l thì việc trao đổi yếm khí coi như được hoàn thành, dòng nước ra sẽ chứa ít chất hữu cơ và tạo ra lượng bùn ít nhất. Đó chính là ưu việt của biện pháp xử lý yếm khí nước thải. 2. ĐỘNG HỌC CÁC QUẦN THỂ SINH VẬT TRONG CÁC CÔNG TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI Trong thiên nhiên cũng như trong các công trình làm sạch nước thải thường tồn tại hỗn hợp các loài vi sinh vật. Loài này có thể cạnh tranh với loài khác vì thức ăn. Có hai kiểu cạnh tranh là: các loài cùng tranh nhau một loại thức ăn và loài này dùng loài khác làm thức ăn. Cạnh tranh vì thức ăn là yếu tố quan trọng trong động học quần thể. Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 10 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG 2.1. Cùng tranh nhau một loại thức ăn Trong cùng điều kiện môi trường như nhau, nếu loại vi sinh vật nào theo đặc tính trao đổi chất của mình, có khả năng đồng hóa được nhiều thức ăn nhất, thì loài đó chiếm vai trò chủ đạo trong môi trường. Nếu hai loài vi khuẩn cùng trong một môi trường dinh dưỡng và cùng có thể sử dụng được dung dịch dinh dưỡng thì chúng cùng sinh trưởng. Nếu một trong hai loài vi khuẩn không thể sử dụng hoàn toàn chất dinh dưỡng thì loài đó không thể tồn tại lâu được vì thiếu khả năng tạo năng lượng. Khi hai loài vi khuẩn đều có thể đồng hóa một loại thức ăn với tốc độ như nhau. Nhưng nếu trong hai loài vi khuẩn đó, loài này lớn hơn loài kia, thì số lượng mỗi loài sẽ tùy thuộc khối lượng tế bào chất. Chẳng hạn, loài vi khuẩn A có khối lượng gấp hai lần loài vi khuẩn B, thì số lượng vi khuẩn B sẽ tạo ra gấp đôi số lượng vi khuẩn A, nhưng tổng khối lượng của mỗi loài đều bằng nhau. Thông thường, loài vi khuẩn lớn không thể đồng hóa chất hữu cơ với tốc độ như loài vi khuẩn nhỏ hơn. Nguyên nhân là do tổng diện tích bề mặt tiếp xúc của loài vi khuẩn lớn sẽ nhỏ hơn. Đa số vi khuẩn có kích thước như nhau và cùng sống lâu trong môi trường không quen thuộc. Pseudomonas hầu như có thể đồng hóa được mọi chất hữu cơ và sống lâu ở mọi môi trường. Vì vậy loài này là loài đầu tiên có trách nhiệm phân hủy chất hữu cơ trong công trình vệ sinh. Loài Alcaligenes và Flavobacterium cũng quan trọng gần như Pseudomonas vì chúng có thể đồng hóa trước tiên là protein. Ở nơi nào có protein thì ở đó có Alcaligenes và Flavobacterium. Đối với nấm, tảo, động vật nguyên sinh Protozoa cũng diễn ra sự cạnh tranh tương tự vì thức ăn. Chúng đều có kiểu trao đổi chất với chất dinh dưỡng tan, nhưng kích thước của chúng khác nhau nên tốc độ trao đổi chất khác nhau. Vi khuẩn nhỏ nhất nên có tốc độ trao đổi chất lớn nhất. Sau đó là nấm đến Protozoa. Ở dung dịch chất hữu cơ đậm đặc, với điều kiện hiếu khí, tất cả vi sinh vật đều phát triển nhưng vi khuẩn đóng vai trò chủ đạo. Ở dung dịch yếu của chất hữu cơ thì Protozoa không thể làm gì được để sống. 2.2. Loài này ăn loài khác Một trong những kiểu cạnh tranh quan trọng là cạnh tranh giữa thực vật và động vật. Thực vật sử dụng thức ăn dạng tan, trong khi đó động vật lại dùng thức ăn dạng rắn không tan. Thực vật là thức ăn cho động vật. Với nghĩa thực thì động vật và thực vật không cạnh tranh nhau vì thức ăn, mà chúng chỉ có liên quan tới sự cạnh tranh mà thôi. 2.3. Mối quan hệ mật độ cá thể giữa các quần thể vi sinh vật Điều kiện môi trường và các yếu tố ngoại cảnh: như đã nói ở trên, ảnh hưởng rất nhiều đối với quần thể vi sinh vật. Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 11 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Vi khuẩn chủ đạo thứ cấp Trong hỗn hợp các quần thể vi khuẩn, loại nào sử dụng được cơ chất thì sẽ sinh trưởng nhanh. Khi cơ chất đã bị khử thì vi sinh vật cũng chết và tạo chất nhầy, giải phóng nhiều hợp chất của tế bào ra môi trường – dung dịch. Các hợp phần của tế bào chủ yếu là protein. Kết quả là Flavobacterium và Alcaligenes có khả năng sinh trưởng và phát triển. Khi đó ta gọi những loài này là chủ đạo thứ cấp hai bậc hai. Khái niệm này rất quan trọng khi xử lý nước thải công nghiệp, đòi hỏi phải có những vi sinh vật chủ đạo bậc một với chuyên môn cao! Thời gian tiếp xúc quá lâu có thể làm giảm hiệu suất do quần thề vi sinh vật bậc một quá ít. Hình 2. 3 Đồ thị về các loài vi khuẩn chủ đạo sơ cấp và thứ cấp Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 12 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Động học quần thể Protozoa Hình 2. 4 Sự sinh trưởng tương đối của các loài vi sinh vật khi xử lý nước thải chứa chất hữu cơ Ghi chú: số lượng các loài vi sinh vật không trong cùng tỷ lệ. Tính chủ đạo của Protozoa đi kèm rất mật thiết với tính chủ đạo của vi khuẩn. Vì rất dễ nhìn dưới kính hiển vi cho nên Protozoa là những loài chỉ thị quí giá đối với chu trình sinh học và trong việc xử lý nước thải. Mastigophora, Flagellates không bao giờ phát hiện được nhiều ở nước thải, trừ nước rất bẩn và mới nhiễm bẩn. Loài Phytoflagellates phải cạnh tranh với vi khuẩn để giành lấy cơ chất tan, và chúng thường bị thất bại. Loài Zooflagellates thường có ưu thế hơn Phytoflallates lại kém hơn so với loài Ciliates bơi tự do trong việc bắt vi khuẩn. Chừng nào vi khuẩn còn nhiều thì Ciliates bơi tự do cũng sẽ nhiều. Khi quần thể vi khuẩn giảm, thì Ciliates bơi tự do lại phải nhường chỗ cho loài Ciliates có tiêm mao. Ciliates có tiêm mao đớp những hạt lơ lững và nuốt qua ống rất nhanh. Chúng yêu cầu năng lượng rất ít nên có thể sống lâu hơn ở nơi ít quần thể vi khuẩn. Khi môi trường đã được ổn định thì ciliates có tiêm mao cũng không sống nổi vì không đủ năng lượng nữa và phải nhường chỗ cho Rotifers và những động vật bậc cao hơn. Những loài này có thể sử dụng các chất là những xác chết của vi khuẩn hoặc các hạt lơ lửng hữu cơ khác. Mối quan hệ giữa vi khuẩn và tảo Mối quan hệ giữa tảo và vi khuẩn rất khắng khít và là quan hệ hỗ sinh. Hai loài này không thể cạnh tranh với nhau vì thức ăn, nhưng hoạt động của chúng tùy thuộc lẫn nhau. Vi khuẩn đồng hóa chất hữu cơ trong điều kiện hiếu khí để thành CO2 và nước. Tảo sử dụng CO2 và giải phóng oxy. Kiểm tra phân tích các hiện tượng sinh hóa cho thấy: vi khuẩn đồng hóa các chất hữu cơ phức tạp với sự có mặt của oxy để thành tế bào mới CO2, amon, và các chất vô cơ để chuyển thành tế bào mới và giải phóng oxy. Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 13 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Hình 2. 5 Mối quan hệ hỗ sinh giữa tảo và vi khuẩn Nuôi cấy đặc biệt Trong xử lý nước thải công nghiệp, nhiều khi phải nuôi cấy các loài đặc biệt và thuần khiết. Tuy nhiên rất khó hiện thực hóa ý niệm này. Hỗn hợp các loài vi sinh vật luôn đạt kết quả khả quan hơn là một loài thuần khiết. Do vậy người ta thường chỉ bổ sung các loài thuần khiết đặc biệt vào hỗn hợp các quần thể vi sinh vật để thay đổi loài chủ đạo mà thôi. Đương nhiên tính chủ đạo của vi sinh vật này tùy thuộc môi trường và người ta phải cho thêm một khối lượng lớn vi sinh vật thuần khiết trong một khoảng thời gian ngắn. 3. XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG CÁC QUÁ TRÌNH TỰ NHIÊN 3.1. Cánh đồng tưới, cánh đồng lọc Sau khi lắng ở bể đợt một, nước thải được xả ra cánh đồng. Ở đó diễn ra quá trình oxy hóa sinh hóa các chất hữu cơ trong điều kiện hiếu khí. Ở nơi nào tạo thành điều kiện yếm khí thì ở đó quá trình oxy hóa bị cản trở. Ở đây quá trình oxy hóa sinh hóa chất hữu cơ trong nước thải diễn ra được là nhờ các loại vi sinh vật, sinh vật. Những quần thể sinh vật đất cũng gồm: vi khuẩn, nấm, tảo, các loài động vật hạ đẳng và động vật không xương. Những cơ thể sống này trong quá trình hoạt động sẽ thực hiện quá trình tự làm sạch đất sau khi tưới nước thải. Tỷ lệ và số lượng giữa các loài khác nhau nhưng nói chung, kích thước càng nhỏ thì số lượng sinh vật sống trong cùng một dung tích đất sẽ càng nhiều. Trong đất nhiều nhất là vi khuẩn, rồi thứ tự là nấm, tảo và động vật hạ đẳng. Sở dĩ như vậy là vì mỗi loài sinh vật đất đều có nhiều nhu cầu khác nhau. Khả năng thỏa mãn tất cả những nhu cầu đó sẽ càng cao nếu hạng mục nhu cầu của sinh vật càng ít. Mặt khác, thời gian trưởng thành ở sinh vật lớn hơn sẽ lâu hơn so với sinh vật nhỏ. Như thế khả năng di truyền cho thế hệ sau của sinh vật lớn cũng sẽ ít hơn. Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 14 TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Vi khuẩn trong đất có tưới nước thải. Trong đất có tưới nước thải chứa hai nhóm vi khuẩn là: vi khuẩn riêng của đất và vi khuẩn từ nước thải đưa vào. Lượng nước thải của vi khuẩn đưa vào chỉ bằng 1% lượng vi khuẩn của đất. Như vậy chỉ sau một mùa thì số vi khuẩn của nước thải sẽ bằng số vi khuẩn của đất. Hai nhóm vi khuẩn này đồng thời có quan hệ đối kháng và cộng sinh. Sau một thời gian một số sẽ chết, chủ yếu là vi khuẩn ăn chất đạm và vi khuẩn thối rữa, đường ruột. Còn đa số sẽ thích nghi với điều kiện mới, tồn tại, phát triển và làm thay đổi thành phần cấu trúc của đất. Cấu trúc của đất, thành phần tính chất nước thải, tiêu chuẩn tưới và điều kiện khí hậu… là những yếu tố quyết định ảnh hưởng tới sự hình thành quần thể sinh vật, tức là ảnh hưởng tới hiệu quả xử lý nước thải. Những quá trình oxy hóa sinh hóa diễn ra chủ yếu là ở lớp đất trên cùng với chiều dầy chừng 40cm. Trong lớp này sẽ tồn tại “ màng sinh vật”- tức là các vi sinh vật mà chủ yếu là vi khuẩn. Chúng thực hiện quá trình oxy hóa sinh hóa. Khi lọc nước qua đất, phần lớn vi khuẩn bị giữ lại, còn nước thì thấm qua. Vi khuẩn bị giữ lại là do khe hở giữa các hạt đất rất nhỏ và cơ bản là do có sự tương tác điện hóa giữa các vi khuẩn và màng sinh vật. Hạt đất càng nhỏ thì hấp phụ vi khuẩn càng mạnh (xem bảng 2.1). Khả năng hấp phụ của màng sinh vật rất lớn. Theo Strôganôv (1938- Lapsin, Strôganôv) thì với diện tích 1m2 mặt đất với chiều dày 40cm thì tổng diện tích hấp phụ của những tế bào vi khuẩn là 48.000 m. Tốc độ lọc nước qua màng sinh vật cũng rất chậm, chỉ khoảng 1cm/giờ . Bảng 2. 1 Sự hấp thụ vi khuẩn Bact Ptrodigiosum của các loại hạt đất (theo Misustin) Loại cát Cát Bụi cát Bụi lớn Bụi nhỏ Bùn Kích thước hạt (mm) 1,0-0,5 0,25- 005 0,05 – 0,01 0,005 – 0,0015 0,0015 Số % tế bào bị hấp phụ 2 6 72 95 100 Màng sinh vật không hình thành ngay khi tưới nước thải, mà phải qua một đến hai tuần, khi lớp đất trên cùng phát triển đủ các quần thể sinh vật. Lúc đầu vi khuẩn của nước thải vào đất chủ yếu là vi khuẩn hoại sinh – sử dụng chất hữu cơ. Sau đó trong quá trình nitrat hóa, phát triển những vi khuẩn tự dinh – sử dụng chất vô cơ, phần lớn là vi khuẩn nitra hóa. Trong đất bình thường số vi khuẩn nitrat hóa không quá 10.000 tế bào/1g đất. Nhưng đất ở cánh đồng lọc tới 1 triệu tế bào/ 1g đất. Nhờ có sự sống – hoạt động của số đông vi khuẩn nitrat hóa như vậy cho nên về mùa hè trên mỗi hecta cánh đồng lọc có thể thu được 70kg nitrat trong một ngày. Để oxy hóa muối amon, cần tiêu thụ 260kg oxy/ngđ. Ngoài ra để oxy hóa các chất hữu cơ chức cacbon, tiêu thụ 160kg oxy/ngđ. Như vậy trên một ha, tổng cộng tiêu thụ 420kg/ngđ. Do đó phải đảm bảo thoáng khí, không được ứ động bùn ở cánh đồng. Những khu đất tất không bị ứ đọng bùn có thể giữ lại tất cả các loại vi khuẩn gây bệnh và 99,99% trực khuẩn đường ruột. Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 15
- Xem thêm -