The fundamentals of biological treatment introduced in the first seven sections of this chapter include 1 an overview of biological wastewater treatment, 2 the composition and classifica
Trang 1PHỐ XANH
Cover by: Ks HUỲNH MẠNH PHÚC
Đơn vị công tác:
CÔNG TY TNHH THIẾT BỊ VÀ CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG KHÔNG GIAN XANH
Địa chỉ: Số 409/3/9, Nguyễn Oanh, Phường 17, Q Gò Vấp, TP.HCM
Fourth Edition
Treatment and Reuse
Trang 2LỜI NÓI ĐẦU
Chào các bạn đọc giả đã và đang đọc phần tài liệu này!
Đây là chương số bảy (7) trong cuốn sách Wastewater Engineering Treatment
and Reuse ấn bản lần thứ tư của Metcalf & Eddy, INC xuất bản năm 2004 Đây là một
cuốn sách khá là hay về Công nghệ xử lý nước và nước thải Tuy nhiên vì phiên bản PDF quá là mờ và cũ kỹ, nên tôi đã dành một ít thời gian trong mỗi ngày sau những giờ làm việc để cover và biên soạn lại, bên cạnh đó tôi còn sử dụng số vố Anh ngữ ít ỏi của mình kèm theo các công nghệ dịch thuật để biên soạn phần tài liệu này sang tiếng Việt
và đi kèm song song theo nguyên tác tiếng Anh để tiện cho những bạn trẻ có đam mê về các hoạt động bảo vệ môi trường được tiện tham khảo
Tôi xin chân thành cảm ơn các tác giả của ấn phẩm gốc Tôi xin được sử dụng ấn phẩm gốc để truyền tải các kiến thức quý báo của quý vị đến với nhiều người hơn nhằm tạo nên những giá trị vượt thượng hơn
Tuy tôi đã dành khá nhiềm tâm huyết để biên soạn và dịch thuật lại nó, nhưng với sự hạn hẹp về vốn từ cũng như các kỹ năng Anh ngữ, cho nên việc sai sót trong phần tài liệu này thực sự là khó tránh khỏi Tôi rất mong muốn các bạn đọc giúp tôi chỉnh sửa
để hoàn thiện thêm nhằm để nó trở thành một tài liệu hữu ích cho mọi người Mọi đóng góp vui lòng gởi vào Email: huynhmanhphuc.env@gmail.com
Xin chân thành cảm ơn!!!
Trang 3Some Useful Definitions 2
Role of Microorganisms in Wastewater Treatment 3
Types of Biological Processes for Wastewater Treatment/ 7
7-2 COMPOSITION AND CLASSIFICATION OF MICROORGANISMS 13
Cell Components/ 13
Cell Composition/ 18
Environmental Factors/ 19
Microorganism Identification and Classification/ 20
Use of Molecular Tools/ 23
7-3 INTRODUCTION TO MICROBIAL METABOLISM/ 26
Carbon and Energy Sources for Microbial Growth/ 27
Nutrient and Growth Factor Requirements/ 29
7-4 BACTERIAL GROWTH AND ENERGETICS/ 30
Bacterial Reproduction/ 30
Bacterial Growth Patterns in a Batch Reactor/ 31
Bacterial Growth and Biomass Yield/ 32
Measuring Biomass Growth/ 33
Estimating Biomass Yield and Oxygen Requirements from Stoichiometry/ 34
Estimating Biomass Yield from Bioenergetics/ 38
Stoichiometry of Biological Reactions/ 48
Biomass Synthesis yields for Different Growth Conditions/ 50
Observed versus Synthesis Yield 50
7-5 MICROBIAL GROWTH KINETICS 51
Microbial Growth Kinetics Terminology/ 52
Rate of Utilization of Soluble Substrates/ 53
Other Rate Expressions for the Utilization of Soluble Substrate/ 55
Rate of Soluble Substrate Production from Biodegradable Particulate Organic Matter/ 56
Trang 4Effects of Temperature/ 59
Total Volatile Suspended Solids and Active Biomass/ 60
Net Biomass Yield and Observed Yield/ 61
7-6 MODELING SUSPENDED GROWTH TREATMENT PROCESSES 63
Description of Suspended Growth Treatment Processes/ 63
Biomass Mass Balance/ 64
Substrate Mass Balance/ 68
Mixed Liquor Solid Concentration and Solids Production/ 69
The Observed Yield/ 73
Oxygen Requirements/ 73
Design and Operating Parameters/ 76
Process Performance and Stability/ 79
Modeling plug-flow Reactors/ 81
7-7 SUBSTRATE REMOVAL IN ATTACHED GROWTH TREATMENT PROCESSES/ 82
Substrate Flux in Biofilms/ 85
Substrate Mass Balance for Biofilm 87
Substrate Flux Limitations/ 88
7-8 AEROBIC BIOLOGICAL OXIDATION 90
Process Description/ 91
Microbiology/ 91
Growth Kinetics/ 93
Environmental Factors/ 95
7-9 BIOLOGICAL NITRIFICATION/ 95
Process Description/ 96
Microbiology/ 96
Stoichiometry of Biological Nitrification/ 98
Growth Kinetics/ 100
Trang 5Microbiology/ 107
Stoichiometry of Biological Denitrification/ 109
Growth Kinetics/ 112
Environmental Factors/ 116
7-11 BIOLOGICAL PHOSPHORUS REMOVAL/ 116
Process Description/ 116
Processes Occurring in the Anaerobic Zone/ 118
Processes Occurring in the Aerobic/Anoxic Zone/ 119
Microbiology/ 119
Stoichiometry of Biological Phosphorus Removal/ 121
Growth Kinetics/ 124
Environmental Factors/ 124
7-12 ANAEROBIC FERMENTATION AND OXIDATION/ 124
Process Description/ 126
Microbiology/ 127
Stoichiometry of Anaerobic Fermentation and Oxidation/ 130
Growth Kinetics/ 132
Environmental Factors/ 133
7-13 BIOLOGICAL REMOVAL OF TOXIC AND RECALCITRANT ORGANIC COMPOUNDS/ 133
Development of Biological Treatment Methods/ 134
Anaerobic Degradation/ 136
Aerobic Biodegradation/ 137
Abiotic Losses/ 138
Modeling Biotic and Abiotic Losses/ 141
7-14 BIOLOGICAL REMOVAL OF HEAVY METALS/ 145
PROBLEMS AND DISCUSSION TOPICS/ 146
Trang 6treatment:/ Sơ đồ dòng chảy điển hình (đơn giản hóa) cho các quá trình sinh học được sử dụng
để xử lý nước thải: 4
Figure 7- 2 Suspended growth biological treatment process (a-1) schematic and (a-2) view of plug-flow activated-sludge process and (b-1) schematic and (b-2) view of complete-mix
activated-sludge process./ Quy trìnhBảng 7- 1 xử lý sinh học tăng trưởng lơ lửng (a-1) sơ đồ và
(a-2) quy trình bùn hoạt tính làm thoáng thông thường và (b-1) sơ đồ và (b-2) xem quy trình bùn hoạt tính hỗn hợp hoàn chỉnh 11
Figure 7- 3 Attached growth biological treatment process (a-1) schematic and (a-2) view of tricking filter with rock packing and (b-1) schematic and (b-2) view of tower tricking filter with
plastic packing (see Fig 7 -15b) The tower filter is 10 m high and 50 m in diameter./ Quy trình
xử lý sinh học tăng trưởng dính bám (a-1) sơ đồ và (a-2) hình ảnh bể lọc với giá là đá và (b-1)
sơ đồ và (b-2) hình ảnh bể lọc với giá thể nhựa (xem Hình 7 -15b) Bể lọc cao 10 m và đường kính 50 m 12
Figure 7- 4 Typical internal structure of cells: (a) prokaryotic and (b) eukaryotic./ Cấu trúc bên
trong điển hình của tế bào: (a) nhân sơ và (b) nhân thực 14
Figure 7- 5 Nucleotide structure of deoxyribose nucleic acid (DNA) and ribose nucleic acid
(RNA)./ Cấu trúc nucleotide của axit nucleic deoxyribose (DNA) và axit nucleic ribose (RNA).
15Figure 7- 6 Gene expression leads to the formation of proteins by transcription of a segment of the DNA genetic code and translation in the ribosome via messenger RNA (mRNA) and transfer
RNA (tRNA) to form a series of amino acids, which form polypeptides and finally protein./ Sự
biểu hiện gen dẫn đến sự hình thành các protein bằng cách phiên mã một đoạn mã di truyền DNA và dịch mã trong ribosome thông qua RNA thông tin (mRNA) và RNA chuyển (tRNA) để
tạo thành một chuỗi axit amin, tạo thành polypeptit và cuối cùng là protein.Error! Bookmark
not defined.
Figure 7- 7 Phylogenetic tree of life./ Cây phát sinh loài của sự sống (Adapted bom Madigon
et al, 2000.) 23
Figure 7- 8 Dot blot technique to probe DMA genetic information./ Hình 7-8 Kỹ thuật chấm
chấm để thăm dò thông tin di truyền DMA 25
Figure 7- 9 Examples of bacteria metabolism: (a) aerobic, heterotrophic (b) aerobic autotrophic, (c) anaerobic, heterotrophic./ Ví dụ về quá trình trao đổi chất của vi khuẩn: (a) hiếu khí, dị dưỡng (b) tự dưỡng hiếu khí, (c) kỵ khí, dị dưỡng 27
Trang 7concentration based on the saturation-type model [see Eq (7-12)]./ Tỷ lệ thay đổi việc sử dụng
cơ chất so với nồng độ COD hòa tan có thể phân hủy sinh học dựa trên mô hình loại bão hòa
[xem Công thức (7-12)] Error! Bookmark not defined.
Figure 7- 12 Schematic diagram of activated-sludge process with model nomenclature: (a) with
wasting from the sludge return line and (b) with wasting from the aeration tank./ Sơ đồ của quá
trình bùn hoạt tính với danh pháp mô hình: (a) với chất thải từ đường hồi bùn và (b) với chất thải từ bể sục khí 65
Figure 7- 13 Biodegradable soluble COD, biomass and MLVSS concentrations versus SRT for
complete-mix activated-sludge process./ Nồng độ COD, sinh khối và MLVSS hòa tan dễ phân
hủy sinh học so với SRT cho quy trình bùn hoạt tính hỗn hợp hoàn chỉnh 71
Figure 7- 14 Effluent substrate concentration and removal efficiency for complete-mix and
plug-flow reactors with recycle versus SRT./ Nồng độ chất nền trong nước thải và hiệu quả loại bỏ
đối với các bể phản ứng hỗn hợp hoàn chỉnh và bể phản ứng dòng chảy thông thường có tuần hoàn so với SRT 80
Figure 7- 15 Typical packing for trickling filter: (a) rock and (b) plastic/ Vật liệu điển hình cho
bể lọc nhỏ giọt: (a) đá và (b) nhựa 83
Figure 7- 16 Schematic representation of the cross section of a biological slime in a trickling
filter: (a) pictorial and (b) iaealized./ Biểu diễn giản đồ của mặt cắt ngang của chất nhờn sinh
học trong một bộ lọc nhỏ giọt: (a) hình ảnh và (b) lý tưởng hóa 84
Figure 7- 17 Definition sketch for the analysis of substrate concentration in the biofilm./ Bản
phác thảo định nghĩa cho việc phân tích nồng độ cơ chất trong màng sinh học 85
Figure 7- 18 Examples of foam caused by Nocardia accumulated on the surface of sludge aeration tanks./ Ví dụ về bọt do Nocardia tích tụ trên bề mặt của bể sục khí bùn hoạt tính.
93Figure 7- 19 Process configuration used for biological nitrification: (a) single-sludge suspended
growth system and (b) two-sludge suspended growth system./ Cấu hình quy trình được sử dụng
để nitrat hóa sinh học: (a) hệ thống tăng trưởng lơ lửng một bùn và (b) hệ thống tăng trưởng lơ lửng hai bùn 98
Figure 7- 20 Nitrogen transformations in biological treatment processes (Adapted from Sedlak,
1991)/ Sự biến đổi nitơ trong các quá trình xử lý sinh học 106
Figure 7- 21 Types of denitrification processes and the reactors used for their implementation: (a) substrate driven (pre-anoxic denitrification) and (b) endogenous driven (post-anoxic
denitrification)./ Các loại quy trình khử nitơ và các bể phản ứng được sử dụng để thực hiện
Trang 8storage and (c) polyphosphate storage granules./ Loại bỏ photpho sinh học: (a) cấu hình bể phản
ứng điển hình Các ảnh dưới đây là sơ đồ dòng chảy của (b) ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua của chất lưu trữ polyhydroxybutyrat và (c) hạt lưu trữ polyphotphat 118
Figure 7- 23 Fate of soluble BOD and phosphorus in nutrient removal reactor (Adapted from
Sedlak, 1991)/ Số phận của BOD và phốt pho hòa tan trong bể phản ứng loại bỏ chất dinh
dưỡng (Phỏng theo Sedlak, 1991) 120
Figure 7- 24 Views of anaerobic digesters, (a) Kuwait City, Kuwait and (b) egg-shaped digester
at Okinawa, Japan./ Quang cảnh các bể phân hủy kỵ khí, (a) Thành phố Kuwait, Kuwait và (b)
bể phân hủy hình trứng ở Okinawa, Nhật Bản 125
Figure 7- 25 Anaerobic process schematic of hydrolysis, fermentation, and methanogenesis
(Adapted from McCarty and Smith, 1991)./ Sơ đồ quá trình kỵ khí của quá trình thủy phân, lên
men và tạo thành methanogenesis (Phỏng theo McCarty và Smith, 1991) 128
Figure 7- 26 Carbon and hydrogen flow in anaerobic digestion process (Adapted from Jeris and
McCarty 1963 and McCarty, 1981)./ Dòng cacbon và hydro trong quá trình phân hủy kỵ khí
(Phỏng theo Jeris and McCarty 1963 và McCarty, 1981) 128
Trang 9nghĩa các thuật ngữ phổ biến được sử dụng để xử lý nước thải sinh học 5
Table 7- 2 Major biological treatment processes used for wastewater treatment./ Các quy trình
xử lý sinh học chính dùng để xử lý nước thải 9
Table 7- 3 Description of bacteria cell components/ Mô tả các thành phần tế bào vi khuẩn 14
Table 7- 4 Typical composition of bacteria cellsa/ Thành phần đặc trưng của tế bào vi khuẩn.
18
Table 7- 5 Temperature classification of biological processes/ Phân loại nhiệt độ của các quá
trình sinh học 20
Table 7- 6 Classification of microorganisms by electron donor, electron acceptor, sources of cell
carbon, and end products/ Phân loại vi sinh vật theo chất cho điện tử, chất nhận điện tử, nguồn
cacbon tế bào và sản phẩm cuối cùng 26
Table 7- 7 Half reactions for biological systemsa/ Một nửa phản ứng cho các hệ thống sinh học
39Table 7- 8 Typical bacteria synthesis yield coefficients for common biological reactions in
wastewater treatment/ Hệ số năng suất tổng hợp vi khuẩn điển hình cho các phản ứng sinh học
thông thường trong xử lý nước thải 50
Table 7- 9 Typical kinetic coefficients for the activated-sludge process for the removal of organic
matter from domestic wastewater/ Hệ số động học điển hình cho quá trình bùn hoạt tính để loại
bỏ chất hữu cơ từ nước thải sinh hoạt 58
Table 7- 10 Examples of toxic and recalcitrant organic compounds found in wastewater./ Ví dụ
về các hợp chất hữu cơ độc hại và khó ăn mòn được tìm thấy trong nước thải 134
Table 7- 11 Comparison of selected estimated partition coefficients (Kp) values for different types of organic compoundsa/ So sánh các giá trị hệ số phân vùng ước tính (Kp) được lựa chọn
cho các loại hợp chất hữu cơ khác nhau 140
Trang 10EXAMPLE MENU
Example 7- 1 Observed Biomass Yield and Oxygen Consumption/ Năng suất sinh khối quan sát
được và mức tiêu thụ oxy 36
Example 7- 2 Free Energy Change from Hydrogen Oxidation by Molecular Oxygen/ Thay đổi
năng lượng tự do từ quá trình oxy hóa hydro bằng oxy phân tử 42
Example 7- 3 Estimate Biomass Yield Using Energetics/ Ước tính năng suất sinh khối bằng
cách sử dụng năng lượng 45
Example 7- 4 Write a Balanced Reaction for the Biological Oxidation of Acetate Using Oxygen/
Viết một phản ứng cân bằng cho quá trình oxy hóa sinh học của axetat bằng cách sử dụng oxy.
49
Example 7- 5 Determine Biomass and Solids Yields./ Xác định Năng suất Sinh khối và Chất
rắn 62
Example 7- 6 Design of a Complete-Mix Suspended Growth Process/ Thiết kế một quá trình
sinh học tăng trưởng lơ lửng hỗn hợp hoàn chỉnh 74
Example 7- 7 Oxygen Limitation for Nitrification in a Biofilm./ Giới hạn oxy cho quá trình nitrat hóa trong màng sinh học 89Example 7- 8 Estimating the Amount of Phosphorus Removal./ Ước tính lượng Phốt pho loại
Trang 11With proper analysis and environmental control, almost all wastewaters containing biodegradable
constituents can be treated biologically./ Với việc phân tích và kiểm soát môi trường thích hợp, hầu hết
tất cả nước thải có chứa các thành phần phân hủy sinh học có thể được xử lý sinh học Therefore, it is
essential that the environmental engineer understand the characteristics of each biological process to
ensure that the proper environment is produced and controlled effectively./ Vì vậy, điều cần thiết là kỹ
sư môi trường phải hiểu rõ đặc điểm của từng quá trình sinh học để đảm bảo rằng môi trường thích hợp được tạo ra và kiểm soát hiệu quả The principal purposes of this chapter are (1) to provide fundamental
background information on the microorganisms used to treat wastewater and (2) to consider the
application of biological process fundamentals for the biological treatment of wastewater./ Mục đích
chính của chương này là (1) cung cấp thông tin nền tảng cơ bản về các vi sinh vật được sử dụng để xử
lý nước thải và (2) để xem xét việc áp dụng các nguyên tắc cơ bản của quá trình sinh học để xử lý sinh học nước thải The information presented in this chapter provides the necessary background material
needed for the design of biological treatment processes discussed in Chaps 8 through 10./ Thông tin
được trình bày trong chương này cung cấp tài liệu cơ bản cần thiết cho việc thiết kế các quy trình xử lý sinh học được thảo luận trong các Chương, 8 đến 10 For ease of computation, constituent
concentrations in this chapter and in Chaps, 8, 9, and 10 are expressed in g/m3 instead of mg/L because flowrate is given in units of m3/s or m3/d./ Để dễ tính toán, nồng độ cấu tử trong chương này và trong
các Chương 8, 9 và 10 được biểu thị bằng g/m 3 thay vì mg/L vì lưu lượng được tính theo đơn vị m 3 /giây hoặc m 3 /ngày
The fundamentals of biological treatment introduced in the first seven sections of this chapter include (1) an overview of biological wastewater treatment, (2) the composition and classification of the microorganisms used for wastewater treatment, (3) an introduction to important aspects of microbial metabolism, (4) bacterial growth and energetics, (5) microbial growth kinetics, (6) modeling suspended
growth treatment processes, and (7) modeling attached-growth treatment processes./ Các nguyên tắc cơ
bản của xử lý sinh học được giới thiệu trong bảy phần đầu tiên của chương này bao gồm (1) tổng quan
về xử lý nước thải sinh học, (2) thành phần và phân loại của các vi sinh vật được sử dụng để xử lý nước thải, (3) giới thiệu về các khía cạnh quan trọng của quá trình trao đổi chất của vi sinh vật, (4) sự phát triển và năng lượng của vi khuẩn, (5) động học phát triển của vi sinh vật, (6) mô hình hóa các quy trình
xử lý tăng trưởng lơ lửng, và (7) mô hình hóa các quy trình xử lý tăng trưởng dính bám Following the
presentation of fundamentals, the remaining seven sections deal with an introduction to the general
classes of biological processes used for the treatment of wastewater./ Sau phần trình bày các nguyên tắc
cơ bản, bảy phần còn lại đề cập đến phần giới thiệu về các loại quy trình sinh học chung được sử dụng
để xử lý nước thải The topics covered include (1) aerobic oxidation, (2) biological nitrification, (3)
biological denitrification, (4) biological phosphorus removal, (5) anaerobic oxidation, (6) biological
removal of toxic and recalcitrant organic compounds, and (7) biological removal of heavy metals./ Các
chủ đề được đề cập bao gồm (1) oxy hóa hiếu khí, (2) nitrat hóa sinh học, (3) khử nitơ sinh học, (4) loại
bỏ photpho sinh học, (5) oxy hóa kỵ khí, (6) loại bỏ sinh học các hợp chất hữu cơ độc hại và khó ăn, và (7) loại bỏ sinh học các kim loại nặng
7-1 OVERVIEW OF BIOLOGICAL WASTEWATER TREATMENT/
TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ SINH HỌC NƯỚC THẢI
The objectives of biological treatment, some useful definitions, the role of microorganisms in the biological treatment of wastewater, and biological processes used for wastewater treatment are
introduced in this section to provide a perspective for the material to be presented in this chapter./ Mục
Trang 12tiêu của xử lý sinh học, một số định nghĩa hữu ích, vai trò của vi sinh vật trong xử lý sinh học nước thải,
và các quá trình sinh học sử dụng để xử lý nước thải được giới thiệu trong phần này nhằm cung cấp góc nhìn cho tài liệu được trình bày trong chương này
Objectives of Biological Treatment/
Mục tiêu của Xử lý Sinh học
The overall objectives of the biological treatment oi domestic wastewater are to (1) transform (i.e., oxidize) dissolved and particulate biodegradable constituents into acceptable end products, (2) capture and incorporate suspended and nonsettleable colloidal solids into a biological floe or biofilm, (3) transform or remove nutrients, such as nitrogen and phosphorus, and (4) in some cases, remove specific
trace organic constituents and compounds./ Các mục tiêu tổng thể của xử lý sinh học nước thải sinh hoạt
là (1) chuyển hóa (tức là oxy hóa) các thành phần phân hủy sinh học dạng hạt và hòa tan thành các sản phẩm cuối cùng có thể chấp nhận được, (2) thu giữ và kết hợp các chất rắn dạng keo lơ lửng và không thể lắng thành một bông sinh học hoặc màng sinh học, (3) biến đổi hoặc loại bỏ các chất dinh dưỡng, chẳng hạn như nitơ và phốt pho, và (4) trong một số trường hợp, loại bỏ các thành phần và hợp chất hữu cơ vi lượng cụ thể For industrial wastewater, the objective is to remove or reduce the concentration
of organic and inorganic compounds./ Đối với nước thải công nghiệp, mục tiêu là loại bỏ hoặc giảm
nồng độ các hợp chất hữu cơ và vô cơ Because some of the constituents and compounds found in
industrial wastewater are toxic to microorganisms, pretreatment may be required before the industrial
wastewater can be discharged to a municipal collection system./ Vì một số thành phần và hợp chất được
tìm thấy trong nước thải công nghiệp là độc hại đối với vi sinh vật, nên có thể cần phải xử lý sơ bộ trước khi nước thải công nghiệp được thải ra hệ thống thu gom của thành phố For agricultural irrigation return
wastewater, the objective is to remove nutrients, specifically nitrogen and phosphorus, that are capable
of stimulating the growth of aquatic plants./ Đối với nước thải trở lại tưới tiêu nông nghiệp, mục đích là
loại bỏ các chất dinh dưỡng, cụ thể là nitơ và phốt pho, có khả năng kích thích sự phát triển của thực vật thủy sinh Schematic flow diagrams of various treatment processes for domestic wastewater
incorporating biological processes are shown on Fig 7-1./ Sơ đồ dòng chảy của các quá trình xử lý nước
thải sinh hoạt khác nhau kết hợp các quá trình sinh học được trình bày trên Hình 7-1
Some Useful Definitions
Một số định nghĩa hữu ích
Common terms used in the field of biological wastewater treatment and their definitions are presented
in Table 7-1./ Các thuật ngữ phổ biến được sử dụng trong lĩnh vực xử lý nước thải sinh học và định
nghĩa của chúng được trình bày trong Bảng 7-1 All of the terms presented in Table 7-1 are discussed
in greater detail in the remainder of this chapter and in Chaps 8, 9, and 10, which follow./ Tất cả các
thuật ngữ được trình bày trong Bảng 7-1 sẽ được thảo luận chi tiết hơn trong phần còn lại của chương này và trong các Chương 8, 9 và 10, tiếp theo The first five entries in Table 7-1 refer to the metabolic
function of the processes./ Năm mục đầu tiên trong Bảng 7-1 đề cập đến chức năng trao đổi chất của
các quá trình As reported, the principal processes used for the biological treatment of wastewater can
be classified with respect to their metabolic function as aerobic processes, anaerobic processes, anoxic
processes, facultative processes, and combined processes./ Như đã báo cáo, các quá trình chính được
sử dụng để xử lý sinh học nước thải có thể được phân loại theo chức năng trao đổi chất của chúng như quá trình hiếu khí, quá trình kỵ khí, quá trình thiếu khí, quá trình biến đổi chất và các quá trình kết hợp
Terminology used to describe the types of treatment processes is presented in the second group of entries
Trang 13in Table 7-1./ Thuật ngữ được sử dụng để mô tả các loại quy trình xử lý được trình bày trong nhóm mục
thứ hai trong Bảng 7-1 The principal processes used for wastewater treatment are classified as
suspended-growth, attached-growth, or combinations thereof./ Các quy trình chính được sử dụng để xử
lý nước thải được phân loại là phát triển lơ lửng, phát triển dính bám hoặc kết hợp của chúng The third
group of terms are descriptors for the different types of treatment functions Nhóm thuật ngữ thứ ba là
các mô tả cho các loại chức năng xử lý khác nhau
Role of Microorganisms in Wastewater Treatment
Vai trò của vi sinh vật trong xử lý nước thải
The removal of dissolved and particulate carbonaceous BOD and the stabilization of organic matter found in wastewater is accomplished biologically using a variety of microorganisms, principally
bacteria./ Việc loại bỏ BOD dạng hạt và cacbon hòa tan và ổn định chất hữu cơ có trong nước thải được
thực hiện về mặt sinh học bằng cách sử dụng nhiều loại vi sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn Microorganisms
are used to oxidize (i.e., convert) the dissolved and particulate carbonaceous organic matter into simple end products and additional biomass, as represented by the following equation for the aerobic biological
oxidation of organic matter./ Vi sinh vật được sử dụng để ôxy hóa (tức là chuyển đổi) chất hữu cơ dạng
hạt và hòa tan thành các sản phẩm cuối cùng đơn giản và sinh khối bổ sung, như được biểu diễn bằng phương trình sau đây cho quá trình ôxy hóa sinh học hiếu khí của chất hữu cơ
O H CO
PO NH
vt = the stoichiometric coefficient, as defined previously in Sec 4-6 in Chap 4./ hệ số phân vị,
như đã định nghĩa trước đây trong Phần 4-6 của Chương 4
In Eq (7-1), oxygen (O2), ammonia (NH3), and phosphate (PO43-) are used to represent the nutrients needed for the conversion of the organic matter to simple end products [i.e., carbon dioxide (CO2) and water]/ Trong phương trình (7-1), oxy (O 2 ), amoniac (NH 3 ) và photphat (PO 4 3- ) được sử dụng
để biểu thị các chất dinh dưỡng cần thiết cho quá trình chuyển hóa chất hữu cơ thành các sản phẩm cuối cùng đơn giản [tức là carbon dioxide (CO 2 ) và nước The term shown over the directional arrow is
used to denote the fact that microorganisms are needed to carry out the oxidation process./ Thuật ngữ
hiển thị trên mũi tên định hướng được sử dụng để biểu thị thực tế là vi sinh vật cần thiết để thực hiện quá trình oxy hóa The term new cells is used to represent the biomass produced as a result of the
oxidation of the organic matter./ Thuật ngữ tế bào mới được sử dụng để biểu thị sinh khối được tạo ra
do quá trình oxy hóa chất hữu cơ Microorganisms are also used to remove nitrogen and phosphorus in
wastewater treatment processes./ Vi sinh cũng được sử dụng để loại bỏ nitơ và phốt pho trong các quá
trình xử lý nước thải Specific bacteria are capable of oxidizing ammonia (nitrification) to nitrite and
nitrate, while other bacteria can reduce the oxidized nitrogen to gaseous nitrogen./ Các vi khuẩn cụ thể
có khả năng oxy hóa amoniac (nitrat hóa) thành nitrit và nitrat, trong khi các vi khuẩn khác có thể khử nitơ bị oxy hóa thành nitơ thể khí For phosphorus removal, biological processes are configured to
encourage the growth of bacteria with the ability to take up and store large amounts of inorganic
phosphorus./ Để loại bỏ phốt pho, các quy trình sinh học được xây dựng để khuyến khích sự phát triển
của vi khuẩn với khả năng hấp thụ và lưu trữ một lượng lớn phốt pho vô cơ
Trang 14Figure 7- 1 Typical (simplified) flow diagrams for biological processes used for wastewater
treatment:/ Sơ đồ dòng chảy điển hình (đơn giản hóa) cho các quá trình sinh học được sử dụng để
xử lý nước thải:
Trang 15(a) activated-sludge process, (b) aerated lagoons, (c) trickling filters, and (d) rotating biological
contactors./ (a) quá trình bùn hoạt tính, (b) hồ sinh học hiếu khí, (c) bộ lọc nhỏ giọt, và (d) bộ tiếp xúc
Chức năng trao đổi chất
Aerobic (oxic) processes Biological treatment processes that occur in the presence of
oxygen./
Quá trình xử lý sinh học xảy ra với sự có mặt của oxy
Anaerobic processes Biological treatment processes that occur in the absence of oxygen./
Quá trình xử lý sinh học xảy ra trong điều kiện không có oxy
Anoxic processes The process by which nitrate nitrogen is converted biologically to
nitrogen gas in the absence of oxygen./ Quá trình nitơ nitrat được
chuyển hóa sinh học thành khí nitơ trong điều kiện thiếu oxy This
process is also known as denitrification./ Quá trình này còn được
gọi là quá trình khử nitơ
Facultative processes/
Các quy trình tạo điều kiện
Biological treatment processes in which the organisms can function
in the presence or absence of molecular oxygen/ Các quá trình xử
lý sinh học trong đó các sinh vật có thể hoạt động khi có hoặc không
có oxy phân tử
Combined aerobic/
anoxic/anaerobic/
processes
Various combinations of aerobic, anoxic, and anaerobic processes
grouped together to achieve a specific treatment objective/ Các kết
hợp khác nhau của các quá trình hiếu khí, thiếu khí và kỵ khí được nhóm lại với nhau để đạt được một mục tiêu xử lý cụ thể
maintained in suspension within the liquid/ Các quy trình xử lý sinh
học trong đó các vi sinh vật chịu trách nhiệm chuyển đổi chất hữu
cơ hoặc các thành phần khác trong nước thải thành khí và mô tế bào được duy trì ở trạng thái huyền phù trong chất lỏng
Attached-growth
processes
Biological treatment processes in which the microorganisms responsible for the conversion of the organic matter or other constituents in the wastewater to gases and cell tissue are attached
to some inert medium, such as rocks, slag, or specially designed
ceramic or plastic materials./ Các quy trình xử lý sinh học trong đó
các vi sinh vật chịu trách nhiệm chuyển đổi chất hữu cơ hoặc các thành phần khác trong nước thải thành khí và mô tế bào được gắn vào một số môi trường trơ, chẳng hạn như đá, xỉ, hoặc vật liệu gốm hoặc nhựa được thiết kế đặc biệt Attached-growth treatment
Trang 16processes are also known as fixed-film processes/ Quy trình xử lý
tăng trưởng dính bám còn được gọi là quy trình tạo màng cố định
Combined processes/
Các quy trình kết hợp
Term used to describe combined processes (e g., combined
suspended and attached growth processes)/ Thuật ngữ được sử dụng
để mô tả các quá trình kết hợp (ví dụ: kết hợp các quá trình tăng trưởng lơ lửng và dính bám)
Lagoon processes/
Quá trình hồ sinh học
A generic term applied to treatment processes that take place in
ponds or lagoons with various aspect ratios and depths/ Một thuật
ngữ chung được áp dụng cho các quy trình xử lý diễn ra trong ao hoặc đầm phá với nhiều tỷ lệ và độ sâu khác nhau
Treatment functions
Biological nutrient removal The term applied to the removal of nitrogen and phosphorus in
biological treatment processes/ Thuật ngữ được áp dụng để loại bỏ
nitơ và phốt pho trong các quy trình xử lý sinh học
Biological phosphorus
removal
The term applied to the biological removal of phosphorus by
accumulation in biomass and subsequent solids separation/ Thuật
ngữ được áp dụng để loại bỏ photpho bằng phương pháp sinh học bằng cách tích tụ trong sinh khối và tách chất rắn sau đó
Carbonaceous BOD
removal
Biological conversion of the carbonaceous organic matter in
wastewater to cell tissue and various gaseous end products./ Chuyển
đổi sinh học các chất hữu cơ dạng cacbon trong nước thải thành
mô tế bào và các sản phẩm cuối ở dạng khí khác nhau In the
conversion, it is assumed that the nitrogen present in the various
compounds is converted to ammonia./ Trong quá trình chuyển đổi,
người ta giả định rằng nitơ có trong các hợp chất khác nhau được chuyển thành amoniac
Nitrification The two-step biological process by which ammonia is converted
first to nitrite and then to nitrate/ Quá trình sinh học hai bước trong
đó amoniac được chuyển đổi đầu tiên thành nitrit và sau đó thành nitrat
Denitrification The biological process by which nitrate is reduced to nitrogen and
other gaseous end products/ Quá trình sinh học mà nitrat bị khử
thành nitơ và các sản phẩm cuối cùng ở dạng khí khác
Stabilization The biological process by which the organic matter in the sludges
produced from the primary settling and biological treatment of wastewater is stabilized, usually by conversion to gases and cell
tissue./ Quá trình sinh học trong đó các chất hữu cơ trong bùn thải
được tạo ra từ quá trình lắng sơ cấp và xử lý sinh học nước thải được ổn định, thường là bằng cách chuyển đổi thành khí và mô tế bào Depending on whether this stabilization is carried out under
aerobic or anaerobic conditions, the process is known as aerobic or
anaerobic digestion./ Tùy thuộc vào việc sự ổn định này được thực
hiện trong điều kiện hiếu khí hay kỵ khí, quá trình này được gọi là phân hủy hiếu khí hoặc kỵ khí
Trang 17Substrate/
Cơ chất
The term used to denote the organic matter or nutrients that are converted during biological treatment or that may be limiting in
biological treatment./ Thuật ngữ được sử dụng để chỉ các chất hữu
cơ hoặc chất dinh dưỡng được chuyển đổi trong quá trình xử lý sinh học hoặc có thể bị hạn chế trong quá trình xử lý sinh học For
example, the carbonaceous organic matter in wastewater is referred
to as the substrate that is converted during biological treatment./ Ví
dụ, chất hữu cơ dạng cacbon trong nước thải được gọi là chất nền được chuyển hóa trong quá trình xử lý sinh học
aAdapted from Crites and Tchobanoglous (1998)
Because the biomass has a specific gravity slightly greater than that of water, the biomass can be
removed from the treated liquid by gravity settling./ Bởi vì sinh khối có trọng lượng riêng lớn hơn một
chút so với của nước, sinh khối có thể được loại bỏ khỏi chất lỏng được xử lý bằng cách lắng trọng lực
It is important to note that unless the biomass produced from the organic matter is removed on a periodic basis, complete treatment has not been accomplished because the biomass, which itself is organic, will
be measured as BOD in the effluent./ Điều quan trọng cần lưu ý là trừ khi sinh khối tạo ra từ chất hữu
cơ được loại bỏ định kỳ, việc xử lý hoàn toàn sẽ không được thực hiện bởi vì sinh khối, bản thân nó là hữu cơ, sẽ được đo bằng BOD trong nước thải Without the removal of biomass from the treated liquid,
the only treatment achieved is that associated with the bacterial oxidation of a portion ol the organic
matter originally present./ Nếu không loại bỏ sinh khối khỏi chất lỏng đã xử lý, cách xử lý duy nhất đạt
được là kết hợp với quá trình oxy hóa vi khuẩn đối với một phần chất hữu cơ có mặt ban đầu
Types of Biological Processes for Wastewater Treatment/
Các loại quy trình sinh học để xử lý nước thải
The principal biological processes used for wastewater treatment can be divided into two main
categories: suspended growth and attached growth (or biofilm) processes (see Table 7-1)./ Các quá trình
sinh học chính được sử dụng để xử lý nước thải có thể được chia thành hai loại chính: quá trình tăng trưởng lơ lửng và quá trình tăng trưởng dính bám (hoặc màng sinh học) (xem Bảng 7-1) Typical process
applications for suspended and attached growth biological treatment processes are given in Table 7-2,
along with other treatment processes./ Các ứng dụng quy trình điển hình cho quy trình xử lý sinh học
tăng trưởng lơ lửng và dính bám được nêu trong Bảng 7-2, cùng với các quy trình xử lý khác The
successful design and operation of the processes listed in Table 7-2 require an understanding of the types
of microorganisms involved, the specific reactions that they perform, the environmental factors that
affect their performance, their nutritional needs, and their reaction kinetics./ Việc thiết kế và vận hành
thành công các quy trình được liệt kê trong Bảng 7-2 đòi hỏi sự hiểu biết về các loại vi sinh vật có liên quan, các phản ứng cụ thể mà chúng thực hiện, các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến hoạt động của chúng, nhu cầu dinh dưỡng và động học phản ứng của chúng These subjects are considered in the
sections that follow./ Các chủ đề này được xem xét trong các phần tiếp theo
Suspended Growth Processes./ Quá trình sinh học tăng trưởng lơ lửng In suspended growth
processes, the microorganisms responsible for treatment are maintained in liquid suspension by
appropriate mixing methods./ Trong các quá trình sinh trưởng lơ lửng, các vi sinh vật chịu trách nhiệm
xử lý được duy trì ở dạng huyền phù lỏng bằng các phương pháp khuấy trộn thích hợp Many suspended
growth processes used in municipal and industrial wastewater treatment are operated with a positive
Trang 18dissolved oxygen concentration (aerobic), but applications exist where suspended growth anaerobic (no oxygen present) reactors are used, such as tor high organic concentration industrial wastewaters and
organic sludges / Nhiều quá trình tăng trưởng lơ lửng được sử dụng trong xử lý nước thải đô thị và
công nghiệp được vận hành với nồng độ oxy hòa tan dương (hiếu khí), nhưng các ứng dụng tồn tại ở nơi sử dụng các bể phản ứng kỵ khí sinh trưởng lơ lửng (không có oxy), chẳng hạn như nước thải công nghiệp nồng độ hữu cơ cao và bùn hữu cơ The most common suspended growth process used for
municipal wastewater treatment is the activated-sludge process shown on Fig 7-2 and discussed below./
Quá trình tăng trưởng lơ lửng phổ biến nhất được sử dụng để xử lý nước thải đô thị là quá trình bùn hoạt tính được thể hiện trên Hình 7-2 và được thảo luận dưới đây
The activated-sludge process was developed around 1913 at the Lawrence Experiment Station
in Massachusetts by Clark and Gage (Metcalf and Eddy, 1930), and by Ardent and Lockett (1914) at the
Manchester Sewage Works in Manchester, England./ Quy trình bùn hoạt tính được phát triển vào khoảng
năm 1913 tại Trạm thí nghiệm Lawrence ở Massachusetts bởi Clark và Gage (Metcalf và Eddy, 1930),
và bởi Ardent và Lockett (1914) tại Manchester Sewage Works ở Manchester, Anh The activated-sludge
process was so named because it involved the production of an activated mass of microorganisms
capable of stabilizing a waste under aerobic conditions./ Quá trình bùn hoạt tính được đặt tên như vậy
vì nó liên quan đến việc sản xuất một khối lượng vi sinh vật hoạt tính có khả năng ổn định chất thải trong điều kiện hiếu khí In the aeration tank, contact time is provided for mixing and aerating influent
wastewater with the microbial suspension, generally referred to as the mixed liquor suspended solids
(MVSS) or mixed liquor volatile suspended solids (MLVSS)./ Trong bể sục khí, thời gian tiếp xúc được
cung cấp để trộn và sục khí nước thải đầu vào với huyền phù vi sinh vật, thường được gọi là hỗn hợp chất rắn lơ lửng dạng lỏng (MVSS) hoặc hỗn hợp chất rắn lơ lửng dễ bay hơi (MLVSS) Mechanical
equipment is used to provide the mixing and transfer of oxygen into the process./ Thiết bị cơ học được
sử dụng để trộn và chuyển oxy vào quá trình này The mixed liquor then flows to a clarifier where the
microbial suspension is settled and thickened./ Sau đó, chất lỏng đã trộn sẽ chảy đến một bể lắng, nơi
huyền phù vi sinh vật được lắng xuống và cô đặc lại The settled biomass, described as activated sludge
because of the presence of active microorganisms, is returned to the aeration tank to continue
biodegradation of the influent organic material./ Sinh khối lắng, được mô tả là bùn hoạt tính vì sự hiện
diện của các vi sinh vật hoạt động, được đưa trở lại bể sục khí để tiếp tục phân hủy sinh học các chất hữu cơ đầu vào A portion of the thickened solids is removed daily or periodically as the process
produces excess biomass that would accumulate along with the nonbiodegradable solids contained in
the influent wastewater./ Một phần chất rắn đặc được loại bỏ hàng ngày hoặc định kỳ do quá trình tạo
ra sinh khối dư thừa sẽ tích tụ cùng với chất rắn không phân hủy được có trong nước thải đầu vào If
the accumulated solids are not removed, they will eventually find their way to the system effluent./ Nếu
các chất rắn tích tụ không được loại bỏ, cuối cùng chúng sẽ tìm đường đến hệ thống xả thải
An important feature of the activated-sludge process is the formation of floe particles, ranging in
size from 50 to 200 µm which can be removed by gravity settling, leaving a relatively clear liquid as the treated effluent./ Một đặc điểm quan trọng của quá trình bùn hoạt tính là sự hình thành các hạt bông
nổi, có kích thước từ 50 đến 200 µm có thể được loại bỏ bằng cách lắng trọng lực, để lại một chất lỏng tương đối trong như nước thải đã qua xử lý Typically, greater than 99 percent of the suspended solids
can be removed in the clarification step./ Thông thường, hơn 99% chất rắn lơ lửng có thể được loại bỏ
trong bước làm sạch As will be discussed in Chap 8, the characteristics and thickening properties of
the flocculent particles will affect the clarifier design and performance./ Như sẽ được thảo luận trong
Trang 19Chương 8, các đặc điểm và tính chất đặc của các hạt kết bông sẽ ảnh hưởng đến thiết kế và hiệu suất của bể lắng
Table 7- 2 Major biological treatment processes used for wastewater treatment./ Các quy trình xử
lý sinh học chính dùng để xử lý nước thải
Type Common name Use a
Aerobic processes
Suspended growth Activated sludge
process(es) Aerated lagoons Aerobic digestion
Carbonaceous BOD removal, nitrification
Carbonaceous BOD removal, nitrification Stabilization, carbonaceous BOD removal Attached growth Trickling filters
Rotating biological contactors
Carbonaceous BOD removal, nitrification
Carbonaceous BOD removal
Stabilization, solids destruction, pathogen kill
Attached growth Anaerobic packed and
Carbonaceous BOD removal
Combined aerobic, anoxic, and anaerobic processes
Suspended growth Single or multistage
processes, various proprietary processes
Carbonaceous BOD removal, nitrification, denitrification, and phosphorus removal
processes with packing for attached growth
Carbonaceous BOD removal, nitrification, denitrification, and phosphorus removal
Lagoon processes
Aerobic lagoons Aerobic lagoons Carbonaceous BOD removal
Trang 20Maturation (tertiary)
lagoons
Maturation (tertiary) lagoons
Carbonaceous BOD removal, nitrification
Facultative lagoons Facultative lagoons Carbonaceous BOD removal
Anaerobic lagoons Anaerobic lagoons Carbonaceous BOD removal, waste
stabilization
a
Adapted from Tchobanogious and Schroeder (1985)
Attached Growth Processes./ Các quá trình tăng trưởng dính bám In attached growth processes, the
microorganisms responsible for the conversion of organic material or nutrients are attached to an inert
packing material./ Trong các quá trình sinh trưởng dính bám, các vi sinh vật chịu trách nhiệm chuyển
đổi vật chất hữu cơ hoặc chất dinh dưỡng được bám vào một vật liệu tiếp xúc trơ The organic material
and nutrients are removed from the wastewater flowing past the attached growth also known as a
biofilm./ Chất hữu cơ và chất dinh dưỡng được loại bỏ khỏi nước thải chảy qua quá trình sinh trưởng
dính bám còn được gọi là màng sinh học Packing materials used in attached growth processes include
rock, gravel, slag, sand, redwood, and a wide range of plastic and other synthetic materials./ Vật liệu tiếp
xúc được sử dụng trong quá trình tăng trưởng kèm theo bao gồm đá, sỏi, xỉ, cát, gỗ đỏ, và nhiều loại nhựa và vật liệu tổng hợp khác Attached growth processes can also be operated as aerobic or anaerobic
processes./ Các quá trình tăng trưởng kèm theo cũng có thể được vận hành như các quá trình hiếu khí
hoặc kỵ khí The packing can be submerged completely in liquid or not submerged, with air or gas space
above the biofilm liquid layer./ Giá thể có thể được ngập hoàn toàn trong chất lỏng hoặc không ngập
nước, với không khí hoặc không khí bên trên lớp chất lỏng của màng sinh học
Trang 21Figure 7- 2 Suspended growth biological treatment process (a-1) schematic and (a-2) view of flow activated-sludge process and (b-1) schematic and (b-2) view of complete-mix activated-sludge
plug-process./ Quy trìnhBảng 7- 1 xử lý sinh học tăng trưởng lơ lửng (a-1) sơ đồ và (a-2) quy trình bùn hoạt tính làm thoáng thông thường và (b-1) sơ đồ và (b-2) xem quy trình bùn hoạt tính hỗn hợp hoàn chỉnh
The most common aerobic attached growth process used is the trickling filter in which wastewater is distributed over the top area of a vessel containing non submerged packing material (see
Fig 7-3)./ Quá trình tăng trưởng hiếu khí dính bám phổ biến nhất được sử dụng là bộ lọc nhỏ giọt trong
đó nước thải được phân phối trên khu vực trên cùng của một bể chứa giá thể không chìm (xem Hình 3) Historically, rock was used most commonly as the packing material for trickling filters, with typical
7-depths ranging from 1,25 to 2 m (4 to 6ft)./ Trong lịch sử, đá được sử dụng phổ biến nhất làm vật liệu
tiếp xúc cho các bộ lọc nhỏ giọt, với độ cao điển hình từ 1,25 đến 2 m (4 đến 6ft) Most modern trickling
filters vary in height from 5 to 10 m (16 to 33 ft) and are filled with a plastic packing material for biofilm
attachment./ Hầu hết các bộ lọc nhỏ giọt hiện đại có chiều cao khác nhau từ 5 đến 10 m (16 đến 33 ft)
và được lấp đầy bằng vật liệu tiếp xúc bằng nhựa để gắn màng sinh học The plastic packing material is
designed such that about 90 to 95 percent of the volume in the tower consists of void space./ Vật liệu
tiếp xúc bằng nhựa được thiết kế sao cho khoảng 90 đến 95 phần trăm thể tích trong tháp là không gian trống Air circulation in the void space, by either natural draft or blowers, provides oxygen for the
microorganisms growing as an attached biofilm./ Lưu thông không khí trong không gian trống, bằng gió
Trang 22tự nhiên hoặc máy thổi, cung cấp oxy cho vi sinh vật phát triển như một màng sinh học dính bám Influent
wastewater is distributed over the packing and flows as a nonuniform liquid film over the attached
biofilm./ Nước thải có ảnh hưởng được phân phối qua giá thể và chảy dưới dạng một màng chất lỏng
không đồng nhất trên màng sinh học dính bám Excess biomass sloughs from the attached growth
periodically and clarification is required for liquid/solids separation to provide an effluent with an
acceptable suspended solids concentration./ Sinh khối dư thừa bong ra từ sự phát triển dính bám theo
định kỳ và cần phải làm rõ để tách chất lỏng / chất rắn để cung cấp nước thải đầu ra có nồng độ chất rắn lơ lửng có thể chấp nhận được The solids are collected at the bottom of the clarifier and removed
for waste-sludge processing./ Chất rắn được thu gom ở đáy bể lắng và được loại bỏ để xử lý bùn
Trang 237-2 COMPOSITION AND CLASSIFICATION OF MICROORGANISMS
THÀNH PHẦN VÀ PHÂN LOẠI VI SINH VẬT
Biological processes for wastewater treatment consist of mixed communities with a wide variety of
microorganisms, including bacteria, protozoa, fungi, rotifers, and possibly algae./ Các quy trình sinh
học để xử lý nước thải bao gồm các quần xã hỗn hợp với nhiều loại vi sinh vật, bao gồm vi khuẩn, động vật nguyên sinh, nấm, luân trùng và có thể cả tảo The basic characteristics and important roles ofthe.se
organisms have been described in Chap 2./ Các đặc điểm cơ bản và vai trò quan trọng của các sinh vật
này đã được mô tả trong Chương 2 In some cases, biological treatment goals can only be accomplished
by the presence of a specific microbial species./ Trong một số trường hợp, mục tiêu xử lý sinh học chỉ
có thể được thực hiện khi có sự hiện diện của một loài vi sinh vật cụ thể To provide a basic understanding
of the nature of microorganisms, the topics introduced in this section arc: (1) cell components, (2) cell composition, (3) environmental factors that affect microbial activity, and (4) methods used to identify
and classify microorganisms./ Để cung cấp hiểu biết cơ bản về bản chất của vi sinh vật, các chủ đề
được giới thiệu trong phần này bao gồm: (1) thành phần tế bào, (2) thành phần tế bào, (3) các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến hoạt động của vi sinh vật, và (4) các phương pháp được sử dụng để xác định
và phân loại vi sinh vật The focus here is mainly on prokaryotes (see Sec 2-8 in Chap 2), because of
their major role in biological wastewater treatment./ Trọng tâm ở đây chủ yếu là về sinh vật nhân sơ
(xem Phần 2-8 trong Chương 2), vì vai trò chính của chúng trong xử lý nước thải sinh học
Cell Components/
Các thành phần tế bào
The important components of the prokaryotic cell and their functions are illustrated on Fig 7-4a and described in Table 7-3; the eukaryotic cell is illustrated on Fig 7-4b./ Các thành phần quan trọng của
tế bào nhân sơ và chức năng của chúng được minh họa trên Hình 7-4a và được mô tả trong Bảng 7-3;
tế bào nhân thực được minh họa trên Hình 7-4b Key components that relate to the cell’s genetic
information and specific enzymes produced, which determine the capability of the microorganism in
wastewater treatment, are deoxyribose nucleic acid (DNA) and the ribosomes./ Các thành phần chính
liên quan đến thông tin di truyền của tế bào và các enzym cụ thể được tạo ra, xác định khả năng của vi sinh vật trong xử lý nước thải, là axit nucleic deoxyribose (DNA) và ribosome Ribosomes are the sites
of protein synthesis, which are necessary for enzyme production, and the DNA provides the genetic
information used to determine the protein structure synthesized./ Ribosome là nơi tổng hợp protein, cần
thiết cho sản xuất enzyme và DNA cung cấp thông tin di truyền được sử dụng để xác định cấu trúc protein được tổng hợp To understand how DNA codes for the cell proteins, the DNA structure and
nucleotide sequence and the structure and role of ribose nucleic acid (RNA) are reviewed./ Để hiểu cách
DNA mã hóa cho các protein tế bào, cấu trúc DNA và trình tự nucleotide cũng như cấu trúc và vai trò của axit nucleic ribose (RNA) được xem xét
Trang 24Figure 7- 4 Typical internal structure of cells: (a) prokaryotic and (b) eukaryotic./ Cấu trúc bên trong điển hình của tế bào: (a) nhân sơ và (b) nhân thực
Table 7- 3 Description of bacteria cell components/ Mô tả các thành phần tế bào vi khuẩn
Cell component Function
Cell wall Provides strength to maintain the cell shape and protects the cell
membrane./ Cung cấp sức mạnh để duy trì hình dạng tế bào và bảo vệ màng tế bào Some bacteria can produce a sticky polysaccharide layer
outside the cell wall, called a capsule or slime layer/ Một số vi khuẩn có
thể tạo ra một lớp polysaccharide dính bên ngoài thành tế bào, được gọi
là lớp vỏ nang hoặc lớp chất nhờn
Cell membrane Controls the passage of dissolved organics and nutrients into the cell and
the waste materials and metabolic by-products out of the cell/ Kiểm soát
sự di chuyển của các chất hữu cơ hòa tan và chất dinh dưỡng vào tế bào
và các chất thải và sản phẩm phụ trao đổi chất ra khỏi tế bào
Cytoplasm Contains the material within the cell to carry out cell functions and
includes water, nutrients, enzymes, ribosomes, and small organic
molecules/ Chứa vật chất bên trong tế bào để thực hiện các chức năng
của tế bào và bao gồm nước, chất dinh dưỡng, enzym, ribosome và các phân tử hữu cơ nhỏ
Trang 25Cytoplasmic
inclusions
Contains storage material that con provide carbon, nutrients, or energy./
Chứa vật liệu lưu trữ cung cấp carbon, chất dinh dưỡng hoặc năng lượng
These may be carbohydrate deposits, such as polyhydroxybutyrate (PHB)
or glycogen, polyphosphates, lipids, and sulfur granules/ Đây có thể là
các chất lắng đọng carbohydrate, chẳng hạn như polyhydroxybutyrate (PHB) hoặc glycogen, polyphosphat, lipid và các hạt lưu huỳnh
Deoxyribonucleic acid
(DMA)
A double stranded helix-shaped molecule that contains genetic information that determines the nature of the cell protein and enzymes
that are produced/ Một phân tử hình xoắn sợi kép chứa thông tin di truyền
xác định bản chất của protein tế bào và các enzym được tạo ra
Plasmid DNA Small circular DNA molecules that can also provide genetic
characteristics for the bacteria/ Các phân tử DNA tròn nhỏ cũng có thể
cung cấp các đặc điểm di truyền cho vi khuẩn
Ribosomes Particles in the cytoplasm that are composed of ribonucleic acid (RNA)
and protein and are the sites where proteins are produced/ Các hạt trong
tế bào chất bao gồm axit ribonucleic (RNA) và protein và là nơi sản xuất protein
Flagella Protein hairlike structures that extend from the cytoplasm membrane
several bacteria lengths out from the cell and provide mobility by rotating
at high speeds/ Các cấu trúc dạng sợi protein kéo dài từ màng tế bào chất
một số vi khuẩn dài ra khỏi tế bào và cung cấp khả năng di chuyển bằng cách quay với tốc độ cao
Fimbriae and pili Short protein hairlike structures (pili is longer) that enable bacteria to stick
to surfaces./ Các cấu trúc protein ngắn như lông (pili dài hơn) cho phép
vi khuẩn bám vào các bề mặt Pili also enable bacteria to attach to each
other/ Pili cũng tạo điều kiện cho vi khuẩn bám vào nhau
Figure 7- 5 Nucleotide structure of deoxyribose nucleic acid (DNA) and ribose nucleic acid (RNA)./
Cấu trúc nucleotide của axit nucleic deoxyribose (DNA) và axit nucleic ribose (RNA)
Trang 26The nucleic acids, DNA and RNA, are composed of a series of nucleotides./ Các axit nucleic,
DNA và RNA, được cấu tạo bởi một loạt các nucleotide Each nucleotide consists of a five-carbon sugar
compound, a nitrogen base, and a phosphate molecule (see Fig 7-5)./ Mỗi nucleotide bao gồm một hợp
chất đường năm cacbon, một bazơ nitơ và một phân tử photphat (xem Hình 7-5) To form the nucleotide
chain of DNA or RNA, the phosphate group bonds to the third carbon (clockwise from the oxygen bond)
of the sugar molecule./ Để hình thành chuỗi nucleotide của DNA hoặc RNA, nhóm phosphate liên kết
với carbon thứ ba (theo chiều kim đồng hồ từ liên kết oxy) của phân tử đường The nitrogen bases for
DNA can be one of four pyrimidine or purine compounds: cytosine (C), thymine (T), adenine (A), and
guanine (G)./ Các bazơ nitơ cho DNA có thể là một trong bốn hợp chất pyrimidine hoặc purine: cytosine
(C), thymine (T), adenine (A) và guanine (G) For RNA, four nitrogen bases arc also involved, including
A, C, and G, and thymine is replaced with uracil (U)./ Đối với RNA, bốn cung bazơ nitơ cũng tham gia,
bao gồm A, C và G, và thymine được thay thế bằng uracil (U) The DNA is a double-strand helix
structure with bonding between the nitrogen bases of each strand./ DNA là một cấu trúc chuỗi xoắn kép
với sự liên kết giữa các bazơ nitơ của mỗi sợi Base bonding is very specific with bonds only between
G and C and A and T./ Liên kết bazơ rất cụ thể với các liên kết chỉ giữa G và C và A và T The RNA is
a single strand of a nucleotide sequence of various combinations of A, C, G and U./ RNA là một sợi đơn
của trình tự nucleotide gồm nhiều tổ hợp A, C, G và U The sequence of nucleotides in DNA contains
the necessary genetic codes for the cell, which determine the specific proteins and enzymes that the
bacteria can produce./ Trình tự các nucleotide trong DNA chứa các mã di truyền cần thiết cho tế bào,
mã này xác định các protein và enzym cụ thể mà vi khuẩn có thể tạo ra The number of nucleotides in
DNA is very high, and the size of the DNA molecule is described in terms of the number of thousands
of nucleotide bases (kilobase) per molecule./ Số lượng nucleotide trong DNA rất cao, và kích thước của
phân tử DNA được mô tả bằng số lượng hàng nghìn base nucleotide (kilobase) trên mỗi phân tử The
bacterium Escherichia coli has 4,7 million nucleotides in each DNA strand or 4700 kilobase pairs/ Vi
khuẩn Escherichia coli có 4,7 triệu nucleotide trong mỗi sợi DNA hoặc 4700 cặp kilobase
Gene expression as illustrated on Fig 7-6 involves the transcription and translation of a segment
(gene) of the DNA to form a specific protein./ Sự biểu hiện gen như minh họa trên Hình 7-6 liên quan
đến việc phiên mã và dịch mã một đoạn (gen) DNA để tạo thành một protein cụ thể The first step in the
process is transcription, in which a small segment of the DNA is unraveled to form a single strand that
is used to form a single strand on RNA by complementing base pairing of the nitrogen bases in the DNA
nucleotides./ Bước đầu tiên của quá trình này là phiên mã, trong đó một đoạn nhỏ của DNA được tháo
ra để tạo thành một sợi đơn được sử dụng để tạo thành một sợi đơn trên RNA bằng cách bổ sung cho sự kết cặp bazơ của các bazơ nitơ trong các nucleotide DNA For example, adenine (A) in the DNA strand
pairs with uracil (U), and guanine (G) with cytosine (C) in the mRNA./ Ví dụ, adenin (A) trong sợi DNA
bắt cặp với uracil (U), và guanin (G) với cytosine (C) trong mRNA The order of the nucleotides in the
mRNA will determine the order of amino acids that form polypeptides and the protein structure
produced./ Thứ tự của các nucleotide trong mRNA sẽ quyết định thứ tự của các axit amin tạo thành
polypeptide và cấu trúc protein được tạo ra Translation of the mRNA occurs in the ribosome by tRNA./ Quá trình dịch mã mRNA xảy ra trong ribosome bởi tRNA Each of the nucleotides on the mRNA in
series is matched by complementary base pairing with the tRNA in the ribosome, and for each match, another segment of the tRNA, containing three nucleotides, selects a specific amino acid The three
nucleotide sequences in the mRNA are called codons./ Mỗi nucleotide trên mRNA nối tiếp nhau bằng
cách bắt cặp base bổ sung với tRNA trong ribosome, và đối với mỗi lần kết hợp, một đoạn khác của
Trang 27tRNA, chứa ba nucleotide, chọn một axit amin cụ thể In essence, each codon selects for a specific amino
acid, and there is more than one codon for each of the possible 21 amino acids that can be found in living cells./ Về bản chất, mỗi codon chọn cho một axit amin cụ thể và có nhiều hơn một codon cho mỗi loại trong số 21 axit amin có thể có trong tế bào sống Thus, the length and nucleotide sequence expressed
in the DNA represents a gene that determines what specific protein is formed./ Do đó, chiều dài và trình
tự nucleotide biểu hiện trong DNA đại diện cho một gen xác định loại protein cụ thể nào được hình thành Because protein is an essential component of cellular enzymes, the DNA gene composition then
determines the microbial cell functions and degradative capabilities./ Vì protein là thành phần thiết yếu
của các enzym tế bào, thành phần gen DNA sau đó sẽ quyết định các chức năng và khả năng phân hủy của tế bào vi sinh vật Additional details on gene expression may be found in Madigan et al, (2000)./ Các chi tiết bổ sung về biểu hiện gen có thể được tìm thấy trong Madigan và cộng sự, (2000)
Cell enzymes, consisting of protein and a cofactor such as a metal ion (e.g., zinc, iron, copper, manganese, or nickel), determine the metabolic capability of microorganisms in wastewater treatment./
Các enzym tế bào, bao gồm protein và một đồng yếu tố như ion kim loại (ví dụ, kẽm, sắt, đồng, mangan hoặc niken), xác định khả năng trao đổi chất của vi sinh vật trong xử lý nước thải Enzymes are large
organic molecules with molecular weights in the range of 10.000 to 1.000.000./ Enzyme là các phân tử
hữu cơ lớn có trọng lượng phân tử trong khoảng 10.000 đến 1.000.000 Enzymes catalyze biological
Figure 7- 6 Gene expression leads to the formation of
proteins by transcription of a segment of the DNA genetic
code and translation in the ribosome via messenger RNA
(mRNA) and transfer RNA (tRNA) to form a series of
amino acids, which form polypeptides and finally protein./
Sự biểu hiện gen dẫn đến sự hình thành các protein bằng
cách phiên mã một đoạn mã di truyền DNA và dịch mã trong
ribosome thông qua RNA thông tin (mRNA) và RNA chuyển
(tRNA) để tạo thành một chuỗi axit amin, tạo thành
polypeptit và cuối cùng là protein
Trang 28reactions necessary for cell functions, such as hydrolysis, oxidation-reduction reactions, and cell
synthesis reactions./ Enzyme xúc tác các phản ứng sinh học cần thiết cho các chức năng của tế bào,
chẳng hạn như phản ứng thủy phân, phản ứng oxy hóa-khử và phản ứng tổng hợp tế bào Cells may also
produce enzymes for activity outside the cell wall (extracellular enzymes)./ Tế bào cũng có thể tạo ra
các enzym để hoạt động bên ngoài thành tế bào (enzym ngoại bào) An example of the function of
extracellular enzymes is the hydrolysis of particulates and large molecules so that the material can be
transported across the cell membrane for use by the cell / Một ví dụ về chức năng của các enzym ngoại
bào là thủy phân các hạt và các phân tử lớn để vật chất có thể được vận chuyển qua màng tế bào để tế bào sử dụng Enzymes can also be constitutive or inducible./ Enzyme cũng có thể được cấu tạo hoặc cảm ứng Constitutive enzymes are produced continuously by the cell, while inducible enzymes are
produced in response to the presence of a particular compound./ Các enzym cấu tạo được tế bào sản
xuất liên tục, trong khi các enzym cảm ứng được tạo ra để đáp ứng với sự có mặt của một hợp chất cụ thể The rate of enzyme activity is affected by temperature and pH./ Tốc độ hoạt động của enzyme bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và pH
Cell Composition/
Thành phần tế bào
To support microbial growth in biological systems, appropriate nutrients must be available./ Để hỗ trợ
sự phát triển của vi sinh vật trong hệ thống sinh học, các chất dinh dưỡng thích hợp phải có sẵn
Reviewing the composition of a typical microbial cell will provide a basis for understanding the nutrients
needed for growth./ Xem xét thành phần của một tế bào vi sinh vật điển hình sẽ cung cấp cơ sở để hiểu
các chất dinh dưỡng cần thiết cho sự phát triển Prokaryotes are composed of about 80 percent water
and 20 percent dry material, of which 90 percent is organic and 10 percent is inorganic./ Sinh vật nhân
sơ bao gồm khoảng 80% nước và 20% vật chất khô, trong đó 90% là chất hữu cơ và 10% là chất vô cơ
Typical values for the composition of prokaryote cells are reported in Table 7-4./ Các giá trị điển hình
cho thành phần của tế bào prokaryote được báo cáo trong Bảng 7-4
Table 7- 4 Typical composition of bacteria cells a/ Thành phần đặc trưng của tế bào vi khuẩn
Constituent or element Percent of dry weight
Major cellular material
Trang 29Adapted from Madigan et al (1997)
The most widely used empirical formula for the organic fraction of cells is C5H7O2N first proposed by
Hoover and Purges (1952)./ Công thức thực nghiệm được sử dụng rộng rãi nhất cho phần hữu cơ của tế
bào là C 5 H 7 O 2 N do Hoover và Purges đề xuất lần đầu tiên (1952) About 53 percent by weight of the
organic fraction is carbon, the formulation C60H87O23Nl2P can be used when phosphorus is also considered./Khoảng 53% trọng lượng của phần hữu cơ là cacbon, công thức C 60 H 87 O 23 N l2 P có thể được
sử dụng khi xem xét cả phốt pho It should be noted that both formulations are approximations and may
vary with time and species, but they are used for practical purposes./ Cần lưu ý rằng cả hai công thức
đều là giá trị gần đúng và có thể thay đổi theo thời gian và loài, nhưng chúng được sử dụng cho các mục đích thực tế Nitrogen and phosphorus are considered macronutrients because they are required in
comparatively large amounts./ Nitơ và phốt pho được coi là các chất dinh dưỡng đa lượng vì chúng
được yêu cầu với số lượng tương đối lớn Prokaryotes also require trace amounts of metallic ions, or
micronutrients, such as zinc, manganese, copper, molybdenum, iron, and cobalt./ Sinh vật nhân sơ cũng
yêu cầu một lượng nhỏ các ion kim loại hoặc vi chất dinh dưỡng, chẳng hạn như kẽm, mangan, đồng, molypden, sắt và coban Because all of these elements and compounds must be derived from the
environment, a shortage of any of these substances would limit and, in some cases, alter growth./ Bởi vì
tất cả các nguyên tố và hợp chất này phải có nguồn gốc từ môi trường, sự thiếu hụt bất kỳ chất nào trong số này sẽ hạn chế và trong một số trường hợp, làm thay đổi sự phát triển
Environmental Factors/
Nhân tố môi trường
Environmental conditions of temperature and pH have an important effect on the selection, survival, and
growth of microorganisms./ Điều kiện môi trường về nhiệt độ và pH có ảnh hưởng quan trọng đến quá
trình chọn lọc, tồn tại và phát triển của vi sinh vật In general, optimal growth for a particular
microorganism occurs within a fairly narrow range of temperature and pH, although most
microorganisms can survive within much broader limits./ Nói chung, sự phát triển tối ưu đối với một vi
sinh vật cụ thể xảy ra trong một phạm vi nhiệt độ và pH khá hẹp, mặc dù hầu hết các vi sinh vật có thể tồn tại trong giới hạn rộng hơn nhiều Temperatures below the optimum typically have a more
significant effect on growth rate than temperatures above the optimum; it has been observed that growth rates double with approximately every 10oC increase in temperature until the optimum temperature is
reached./ Nhiệt độ dưới mức tối ưu thường có ảnh hưởng đáng kể hơn đến tốc độ tăng trưởng so với
nhiệt độ trên mức tối ưu; Người ta đã quan sát thấy rằng tốc độ tăng trưởng tăng gấp đôi với mỗi lần tăng nhiệt độ khoảng 10oC cho đến khi đạt được nhiệt độ tối ưu According to the temperature range in
which they function best, bacteria may be classified as psychrophilic, mesophilic, or thermophilic./ Theo
phạm vi nhiệt độ mà chúng hoạt động tốt nhất, vi khuẩn có thể được phân loại là psychrophilic, mesophilic, hay thermophilic Typical temperature ranges for microorganisms in each of these categories
are presented in Table 7-5./ Phạm vi nhiệt độ điển hình đối với vi sinh vật trong mỗi loại này được trình
Trang 30bày trong Bảng 7-5 For a more detailed discussion of the organisms in the various temperature ranges,
see Madigan et al, (1997, 2000)./ Để có một cuộc thảo luận chi tiết hơn về các sinh vật trong các phạm
vi nhiệt độ khác nhau, xem Madigan và cộng sự, (1997, 2000)
Table 7- 5 Temperature classification of biological processes/ Phân loại nhiệt độ của các quá trình sinh học
Type Temperature range, o C Optimum range, o C
The pH of the environment is also a key factor in the growth of organisms./ Độ pH của môi
trường cũng là yếu tố then chốt trong quá trình sinh trưởng của sinh vật Most bacteria cannot tolerate
pH levels above 9,5 or below 4,0./ Hầu hết vi khuẩn không thể chịu được độ pH trên 9,5 hoặc dưới 4,0 Generally, the optimum pH for bacterial growth lies between 6,5 and 7,5./ Nói chung, độ pH tối ưu cho
sự phát triển của vi khuẩn nằm trong khoảng 6,5 đến 7,5 Different archaea are able to grow at
thermophilic and ultrathermophilic (60 to 80°C) temperatures, extremely low pH, and high salinity./ Các
loài vi khuẩn cổ khác nhau có thể phát triển ở nhiệt độ ưa nhiệt và siêu ưa nhiệt (60 đến 80 ° C), độ pH cực thấp và độ mặn cao
Microorganism Identification and Classification/
Nhận dạng và phân loại vi sinh vật
With the use of more sophisticated biological treatment processes and developments in the use of molecular tools for microbial applications, environmental engineers have expanded their interests from the general functionality of microorganisms to under-standing the presence and role of specific bacterial
species in biological treatment systems./ Với việc sử dụng các quy trình xử lý sinh học phức tạp hơn và
sự phát triển trong việc sử dụng các công cụ phân tử cho các ứng dụng vi sinh vật, các kỹ sư môi trường
đã mở rộng mối quan tâm của họ từ chức năng chung của vi sinh vật đến việc xác định rõ sự hiện diện
và vai trò của các loài vi khuẩn cụ thể trong hệ thống xử lý sinh học Environmental engineers have also
shown how certain conditions in engineered systems may be controlled to create selective pressures that
will favor the growth of preferred microorganisms./ Các kỹ sư môi trường cũng đã chỉ ra rằng các điều
kiện nhất định trong các hệ thống đã được thiết kế có thể được kiểm soát như thế nào để tạo ra áp suất chọn lọc có lợi cho sự phát triển của các vi sinh vật ưa thích Thus, the identification of microorganisms
and their metabolic characteristics is very important, and is described here along with molecular methods
used in biological processes./ Vì vậy, việc xác định các vi sinh vật và các đặc điểm trao đổi chất của
chúng là rất quan trọng, và được mô tả ở đây cùng với các phương pháp phân tử được sử dụng trong các quá trình sinh học
In the past, the methods used to identify bacteria relied on physical taxonomic (morphologic)
and metabolic characteristics (phenotypic analysis)./ Trước đây, các phương pháp được sử dụng để xác
định vi khuẩn dựa trên các đặc điểm phân loại vật lý (hình thái) và trao đổi chất (phân tích kiểu hình)
With modern tools from molecular biology, bacterial identification is now based on cellular genetic
information./ Với các công cụ hiện đại từ sinh học phân tử, việc xác định vi khuẩn ngày nay dựa trên
thông tin di truyền tế bào The basic taxonomic unit in the identification of bacteria is the species, which
represents a collection of similar strains of bacteria that exhibit characteristics significantly different
from other groups of bacteria./ Đơn vị phân loại cơ bản trong việc xác định vi khuẩn là loài, đại diện
cho một tập hợp các chủng vi khuẩn tương tự có các đặc điểm khác biệt đáng kể so với các nhóm vi
Trang 31khuẩn khác Species that share one or more major properties are grouped and this collection is termed a
genus (plural genera)./ Các loài có chung một hoặc nhiều đặc tính chính được nhóm lại và tập hợp này
được gọi là một chi (chi số nhiều) All bacteria are given a genus and species name./ Tất cả các vi khuẩn đều được đặt tên loài và chi The genus name is capitalized and placed before the species name and can
be abbreviated ahead of the species name after first identified./ Tên chi được viết hoa và đặt trước tên
loài và có thể viết tắt trước tên loài sau lần xác định đầu tiên The genus and species names are italicized./
Tên chi và loài được in nghiêng For example, the genus Bacillus contains several species including B subtilis, B cerus, and B stearothermophilis, based on different morphological, physiological, and
ecological traits (Madigan et al., 1997, 2000)./ Ví dụ, chi Bacillus chứa một số loài bao gồm B subtilis,
B cerus, và B stearothermophilis, dựa trên các đặc điểm hình thái, sinh lý và sinh thái khác nhau (Madigan và cộng sự, 1997, 2000)
Taxonomic Classification./ Phân loại theo phân loại Conventional taxonomic methods used to
identify a bacterium rely on physical properties of the bacteria and metabolic characteristics./ Các
phương pháp phân loại thông thường được sử dụng để xác định một loại vi khuẩn dựa vào các đặc tính vật lý của vi khuẩn và các đặc điểm trao đổi chất To apply this approach, a pure culture must first be
isolated./ Để áp dụng cách tiếp cận này, trước hết phải cách ly một quá trình nuôi cấy thuần khiết The culture may be isolated by serial dilution and growth in selective growth media./ Nuôi cấy có thể được
phân lập bằng cách pha loãng nối tiếp và nuôi cấy trong môi trường tăng trưởng chọn lọc The cells are
harvested and grown as pure culture using sterilization techniques to prevent contamination, in some cases, isolation of a species is not possible, which may be due to the need for synergistic growth with
other species or the lack of a specific growth factor./ Các tế bào được thu hoạch và nuôi cấy dưới dạng
nuôi cấy thuần khiết bằng cách sử dụng các kỹ thuật khử trùng để ngăn ngừa sự nhiễm bẩn, trong một
số trường hợp, không thể phân lập được một loài, điều này có thể là do nhu cầu phát triển hiệp đồng với các loài khác hoặc thiếu một yếu tố tăng trưởng cụ thể Historically, the types of tests that are used
to characterize a pure culture include (1) microscopic observations, to determine morphology (size and shape); (2) gram staining, to determine if the bacteria cell wall will absorb crystal violet dye; (3) the type
of electron acceptor (i.e., oxygen, CO2, etc.) used in oxidation-reduction reactions; (4) the type of carbon source used for cell growth; (5) the ability to use various nitrogen and sulfur sources; (6) nutritional needs; (7) cell wall chemistry; (8) cell characteristics including pigments, segments, cellular inclusions, and storage products; (9) resistance to antibiotics; and (10) environmental effects of temperature and
pH / Trong lịch sử, các loại xét nghiệm được sử dụng để xác định đặc điểm của một chủng vi sinh thuần
khiết bao gồm (1) quan sát bằng kính hiển vi, để xác định hình thái (kích thước và hình dạng); (2) nhuộm gram, để xác định xem thành tế bào vi khuẩn có hấp thụ thuốc nhuộm tím pha lê hay không; (3) loại chất nhận electron (tức là oxy, CO2, v.v.) được sử dụng trong các phản ứng oxy hóa-khử; (4) loại nguồn carbon được sử dụng cho sự phát triển của tế bào; (5) khả năng sử dụng các nguồn nitơ và lưu huỳnh khác nhau; (6) nhu cầu dinh dưỡng; (7) hóa học thành tế bào; (8) các đặc điểm của tế bào bao gồm sắc
tố, các phân đoạn, thể vùi tế bào và các sản phẩm lưu trữ; (9) kháng thuốc kháng sinh; và (10) ảnh hưởng môi trường của nhiệt độ và pH. An alternative to taxonomic classification is a newer method,
termed phylogeny./ Một phương pháp thay thế cho phân loại theo phân loại là một phương pháp mới
hơn, được gọi là phát sinh loài
Phylogenetic Classification./ Phân loại theo phát sinh loài In the late 1970s, microbiologists began
to use tools that allowed them to study microorganisms at the molecular level, and to observe genetic
relationships related to the evolutionary history of living cells./ Vào cuối những năm 1970, các nhà vi
sinh học bắt đầu sử dụng các công cụ cho phép họ nghiên cứu vi sinh vật ở cấp độ phân tử, và quan sát
Trang 32các mối quan hệ di truyền liên quan đến lịch sử tiến hóa của tế bào sống The characterization of
microorganisms based on genetic information and evolutionary location in time is termed phylogeny,
which is the more current method of identification and classification./ Việc xác định đặc điểm của vi
sinh vật dựa trên thông tin di truyền và vị trí tiến hóa theo thời gian được gọi là phát sinh loài, đây là phương pháp xác định và phân loại hiện đại hơn To identify accurately the microbes and determine the
true evolutionary relationships between species, the choice of cellular genetic material is critical./ Để
xác định chính xác các vi sinh vật và xác định mối quan hệ tiến hóa thực sự giữa các loài, việc lựa chọn vật liệu di truyền tế bào là rất quan trọng The genetic code for ribosomal RNA was chosen as the
evolutionary chronometer for cell identification because the code (1) is of evolutionary significance, (2)
is well conserved across broad phylogenetic distances, and (3) contains a large number of nucleotide sequences so that similarity in sequences between two organisms indicates a phylogenetic relationship./
Mã di truyền cho RNA ribosome được chọn làm máy đo thời gian tiến hóa để nhận dạng tế bào vì mã (1) có ý nghĩa tiến hóa, (2) được bảo tồn tốt qua các khoảng cách phát sinh loài rộng và và (3) chứa một số lượng lớn trình tự nucleotide để sự giống nhau về trình tự giữa hai sinh vật cho thấy mối quan
hệ phát sinh loài
Ribosomal RNA can be separated into two components, 30 S (Svedberg units) and 50 S, based
on different centrifugal forces in ultracentrifugation./ RNA ribosome có thể được tách thành hai thành
phần, 30 S (đơn vị Svedberg) và 50 S, dựa trên các lực ly tâm khác nhau trong quá trình siêu ly tâm
The 30 S units consist of 16S rRNA, containing about 1500 nucleotides, and 21 proteins./ 30 đơn vị S
bao gồm 16S rRNA, chứa khoảng 1500 nucleotide và 21 protein While the 16S rRNA can be extracted
from cells for nucleotide sequencing using molecular techniques, more recent developments have led to
using a section of DNA that contains the rRNA genes (the DNA that encodes the 16S rRNA)./ Trong
khi rRNA 16S có thể được chiết xuất từ các tế bào để xác định trình tự nucleotide bằng kỹ thuật phân
tử, những phát triển gần đây hơn đã dẫn đến việc sử dụng một phần DNA có chứa các gen rRNA (DNA
mã hóa rRNA 16S) This method includes genome DNA extraction from the cell material, followed by
a polymerase chain reaction (PCR) procedure that uses DNA primers and a DNA polymerase enzyme
to reproduce and amplify artificially the DNA material by a factor of 106 or more from the small amount
of material extracted from the cell./ Phương pháp này bao gồm tách chiết DNA bộ gen từ vật liệu tế bào,
tiếp theo là quy trình phản ứng chuỗi polymerase (PCR) sử dụng mồi DNA và enzyme DNA polymerase
để tái tạo và khuếch đại nhân tạo vật liệu DNA bằng hệ số 10 6 trở lên từ một lượng nhỏ vật liệu chiết xuất từ tế bào The amplified 16S rRNA gene is then subjected to sequencing to determine its nucleotide
sequence./ Sau đó, gen 16S rRNA được khuếch đại sẽ được giải trình tự để xác định trình tự nucleotide
của nó The sequencing result is compared to the ribosome sequences available in a data base to
determine the identity of the organism and its phylogenetic relationship to known organisms./ Kết quả
giải trình tự được so sánh với trình tự ribosome có sẵn trong cơ sở dữ liệu để xác định danh tính của sinh vật và mối quan hệ phát sinh loài của nó với các sinh vật đã biết
Molecular phylogeny involves a systematic organization and classification of microorganisms
based on their genetic traits./ Phát sinh loài phân tử liên quan đến việc tổ chức có hệ thống và phân loại
vi sinh vật dựa trên các đặc điểm di truyền của chúng The phylogenetic tree of life with distinct
kingdoms as determined from rRNA sequencing is shown on Fig 7-7./ Cây phát sinh loài của sự sống
với các giới riêng biệt được xác định từ trình tự rRNA được trình bày trên Hình 7-7 Cellular life is
divided into three basic domains, two composed of prokaryotic cells (Archaea and Bacteria), as indicated
earlier, and the third composed of Eukarya cells./ Đời sống tế bào được chia thành ba lĩnh vực cơ bản,
hai gồm các tế bào nhân sơ (Cổ khuẩn và Vi khuẩn), như đã chỉ ra trước đó, và khu vực thứ ba bao gồm
Trang 33các tế bào Nhân thực For the bacteria, some were recognized based on similar morphology and
physiology, but most contain a mixture of phenotypic properties, in addition to having different rRNA sequencing properties, the archaea have a number of different phenotypic properties compared to
bacteria./ Đối với vi khuẩn, một số vi khuẩn được nhận biết dựa trên hình thái và sinh lý học tương tự,
nhưng hầu hết đều chứa hỗn hợp các đặc tính kiểu hình, ngoài việc có các đặc tính trình tự rRNA khác nhau, vi khuẩn cổ có một số đặc tính kiểu hình khác với vi khuẩn These differences are found in cell
wall composition, cell membrane lipid chemistry, RNA polymerase composition, and protein synthesis
mechanisms in the ribosome./ Những khác biệt này được tìm thấy trong thành phần thành tế bào, hóa
học lipid màng tế bào, thành phần RNA polymerase, và cơ chế tổng hợp protein trong ribosome
Figure 7- 7 Phylogenetic tree of life./ Cây phát sinh loài của sự sống (Adapted bom Madigon et al,
wastewater treatment plant effluents for specific pathogenic organisms./ Bên cạnh khả năng xác định và
phân loại các vi khuẩn cụ thể, các công cụ phân tử có thể được sử dụng để cung cấp thông tin trước đây không có sẵn về các cộng đồng vi sinh vật đang hoạt động và để nghiên cứu nước hoặc nước thải của nhà máy xử lý nước thải cho các sinh vật gây bệnh cụ thể Molecular techniques are evolving
continuously as a result of the interest in microbial cell research./ Các kỹ thuật phân tử đang phát triển
liên tục là kết quả của sự quan tâm đến nghiên cứu tế bào vi sinh vật These techniques were introduced
and described in Sec, 2-8 in Chap 2./ Các kỹ thuật này đã được giới thiệu và mô tả trong Phần 2-8 trong
Chương 2 Two significant techniques involve the use of oligonucleotide probes and restrictive fragment
length polymorphism (RFLP)./ Hai kỹ thuật quan trọng liên quan đến việc sử dụng các đầu dò
oligonucleotide và đa hình độ dài đoạn giới hạn (RFLP) An oligonucleotide or nucleic acid probe takes
advantage of the fact that unique nucleic acid sequences exist in rRNA or in DNA for a particular
microorganism./ Một đầu dò oligonucleotide hoặc axit nucleic tận dụng thực tế là các trình tự axit
nucleic duy nhất tồn tại trong rRNA hoặc trong DNA đối với một vi sinh vật cụ thể In RFLP, DNA is
extracted from cells in a mixed microbial community and analyzed in a way that provides a genetic
Trang 34fingerprint of the community./ Trong RFLP, DNA được chiết xuất từ các tế bào trong một cộng đồng vi
sinh vật hỗn hợp và được phân tích theo cách cung cấp dấu vân tay di truyền của cộng đồng
The oligonucleotide probe is constructed so that it will form a double-stranded nucleic acid by complementary base pairing with a single-strand nucleic acid representing the target genetic information
in the microorganism./ Đầu dò oligonucleotide được cấu tạo sao cho nó sẽ tạo thành một axit nucleic
sợi đôi bằng cách bắt cặp bazơ bổ sung với một axit nucleic sợi đơn đại diện cho thông tin di truyền đích trong vi sinh vật The number of base pairs may be as low as 15 to 18 to over 100./ Số lượng cặp bazơ có thể thấp từ 15 đến 18 đến hơn 100 The complementary base pairing of two single- stranded
nucleic acids is termed hybridization./ Sự kết đôi bazơ bổ sung của hai axit nucleic mạch đơn được gọi
là lai ghép The probe is labeled so that it can be detected by fluorescent or radioactive techniques./ Đầu
dò được dán nhãn để có thể phát hiện ra nó bằng kỹ thuật huỳnh quang hoặc phóng xạ With the more
common fluorescent techniques, the probe contains a reagent that produces a color product or
fluorescence, which can be detected with x-ray film./ Với các kỹ thuật huỳnh quang phổ biến hơn, đầu
dò có chứa thuốc thử tạo ra sản phẩm màu hoặc huỳnh quang, có thể phát hiện được bằng phim X quang Reagents used to tag the nucleic acid probe include digoxigenin, biotin, and fluorescein./ Thuốc thử được sử dụng để gắn thẻ cho đầu dò axit nucleic bao gồm digoxigenin, biotin và fluorescein
Radioactive labeling of the probe is used less often and is done by using a radio-labeled substance such
as 32P, which is incorporated into the phosphate structure of the nucleotide./ Việc ghi nhãn phóng xạ của
đầu dò ít được sử dụng hơn và được thực hiện bằng cách sử dụng chất được đánh dấu phóng xạ như 32
P, chất này được đưa vào cấu trúc photphat của nucleotit Autoradiography is used to detect the
radio-labeled hybridized probe, which involves the use of a scintillation counter or photographic film./ Chụp
ảnh tự động được sử dụng để phát hiện đầu dò lai ghép được gắn nhãn vô tuyến, bao gồm việc sử dụng máy đếm ánh sáng hoặc phim chụp ảnh Probes can be used to analyze DNA or RNA extracted from
cells or can be transferred to react with rRNA and fluoresce within the cell (see Fig 7-8)./ Đầu dò có
thể được sử dụng để phân tích DNA hoặc RNA được chiết xuất từ tế bào hoặc có thể được chuyển để phản ứng với rRNA và phát huỳnh quang trong tế bào (xem Hình 7-8) The latter is referred to as
fluorescence in situ hybridization (FTSH) (Maier et al., 2000)./ Sau này được gọi là lai huỳnh quang tại
chỗ (FTSH) (Maier và cộng sự, 2000)
Wagner et al, (1995) demonstrated the use of FISH to identify dense clusters (up to 3000 cells)
of ammonia-oxidizing (Nitrosomonas) bacteria in several activated-sludge plant samples./ Wagner và
cộng sự, (1995) đã chứng minh việc sử dụng FISH để xác định các cụm dày đặc (lên đến 3000 tế bào)
vi khuẩn oxy hóa amoniac (Nitrosomonas) trong một số mẫu thực vật bùn hoạt tính The probe, termed
the NEU probe, contained 18 nucleotides./ Đầu dò, được gọi là đầu dò NEU, chứa 18 nucleotide A probe used for the study of E coli developed to study UV disinfection was illustrated previously on Fig 2-36 in Chap 2./ Một đầu dò được sử dụng để nghiên cứu E coli được phát triển để nghiên cứu khử
trùng bằng tia cực tím đã được minh họa trước đây trên Hình 2-36 trong Chương 2 One of the distinct
advantages of FISH is that the distribution of a species in its environment can be observed./ Một trong
những lợi thế khác biệt của FISH là có thể quan sát được sự phân bố của một loài trong môi trường của
nó Also, FISH techniques have been employed with more than one nucleic acid probe added to the
sample./ Ngoài ra, kỹ thuật FISH đã được sử dụng với nhiều hơn một đầu dò axit nucleic được thêm vào
mẫu Using this technique, a number of bacterial species or strains can be identified and their relative
distribution within the matrix can be observed./ Sử dụng kỹ thuật này, một số loài hoặc chủng vi khuẩn
có thể được xác định và có thể quan sát được sự phân bố tương đối của chúng trong chất nền
Trang 35
Figure 7- 8 Dot blot technique to probe DMA genetic information./ Hình 7-8 Kỹ thuật chấm chấm
để thăm dò thông tin di truyền DMA
Trang 36In most applications RFLP is not used to identify a particular organism, but to characterize a
microbial community./ Trong hầu hết các ứng dụng, RFLP không được sử dụng để xác định một sinh
vật cụ thể mà để xác định đặc điểm của một cộng đồng vi sinh vật In RFLP, restriction enzymes are
used to cut DNA extracted from the microbial cells into various fragments./ Trong RFLP, các enzym
giới hạn được sử dụng để cắt DNA chiết xuất từ tế bào vi sinh vật thành các đoạn khác nhau Different
organisms will yield different DNA fragment lengths and different nucleotide sequences within these
fragments./ Các sinh vật khác nhau sẽ tạo ra độ dài đoạn DNA khác nhau và trình tự nucleotide khác
nhau trong các đoạn này From an analysis of the DNA fragments, it is possible to obtain information
about the diversity of the microbial community, and the identification of a particular organism
responsible for the type of microbial degradation observed./ Từ việc phân tích các đoạn DNA, có thể thu
được thông tin về sự đa dạng của cộng đồng vi sinh vật, và xác định một sinh vật cụ thể chịu trách nhiệm
về loại suy thoái vi sinh vật được quan sát thấy
Table 7- 6 Classification of microorganisms by electron donor, electron acceptor, sources of cell
carbon, and end products/ Phân loại vi sinh vật theo chất cho điện tử, chất nhận điện tử, nguồn cacbon tế bào và sản phẩm cuối cùng
Type of
bacteria
Common reaction name
Carbon source
Electron donor (substrate oxidized)
Electron acceptor
Products
Aerobic
heterotrophic
Aerobic oxidation
Organic compounds
Organic compounds
Facultative
heterotrophic
Denitrification anoxic reaction
Organic compounds
Organic compounds
NO2, NO3- N2, CO2, H2O
Anaerobic
heterotrophic
Acid fermentation
Organiccompounds
Organic compounds
Organiccompounds
Volatile fatty acids (VFAs) (acetate,
propionate, butyrate]
Iron reduction Organic
compounds
Organic compounds
Fe (III) Fe (II), CO2, H2O
Sulfate reduction
Organic compounds
Organic compounds
SO4 H2S, CO2, H2O
Methanogenesis Organic
compounds
Volatile fatty acids (VFAs)
7-3 INTRODUCTION TO MICROBIAL METABOLISM/
GIỚI THIỆU VỀ METABOLISM
Trang 37Basic to the design of a biological treatment process, or to the selection of the type of biological process
to be used, is an understanding of the biochemical activities of microorganisms./ Cơ bản để thiết kế một
quy trình xử lý sinh học, hoặc lựa chọn loại quy trình sinh học được sử dụng, là sự hiểu biết về các hoạt động sinh hóa của vi sinh vật The classification of microorganisms by sources of cell carbon, elec-tron
donor, electron acceptor, and end products is summarized in Table 7-6./ Sự phân loại vi sinh vật theo
nguồn cacbon tế bào, chất cho điện tử, chất nhận điện tử và sản phẩm cuối cùng được tóm tắt trong Bảng 7-6 Different microorganisms can use a wide range of electron acceptors, including oxygen,
nitrite, nitrate, iron (III), sulfate, organic compounds, and carbon dioxide./ Các vi sinh vật khác nhau có
thể sử dụng nhiều loại chất nhận điện tử, bao gồm oxy, nitrit, nitrat, sắt (III), sunfat, các hợp chất hữu
cơ và carbon dioxide Schematic represen-tations of some common types of bacterial metabolism are
given on Fig 7-9 showing the energy production and cell carbon sources./ Biểu đồ sơ đồ của một số kiểu
trao đổi chất phổ biến của vi khuẩn được đưa ra trên Hình 7-9 cho thấy quá trình sản xuất năng lượng
và các nguồn carbon của tế bào The two major topics considered in this section are (1) the general
nutritional requirements of the microorganisms commonly encountered in wastewater treatment, and (2)
the nature of microbial metabolism based on the need for molecular oxygen./ Hai chủ đề chính được
xem xét trong phần này là (1) nhu cầu dinh dưỡng chung của các vi sinh vật thường gặp trong xử lý nước thải, và (2) bản chất của quá trình trao đổi chất của vi sinh vật dựa trên nhu cầu oxy phân tử
Carbon and Energy Sources for Microbial Growth/
Nguồn cacbon và năng lượng cho sự phát triển của vi sinh vật
To continue to reproduce and function properly, an organism must have sources of energy, carbon for the synthesis of new cellular material, and inorganic elements (nutri- ents) such as nitrogen, phosphorus,
sulfur, potassium, calcium, and magnesium./ Để tiếp tục sinh sản và hoạt động bình thường, một sinh
vật phải có nguồn năng lượng, cacbon để tổng hợp vật chất tế bào mới, và các nguyên tố vô cơ (chất dinh dưỡng) như nitơ, phốt pho, lưu huỳnh, kali, canxi và magiê Organic nutrients (growth factors) may
also be required for cell synthesis./ Các chất dinh dưỡng hữu cơ (các yếu tố tăng trưởng) cũng có thể
cần thiết cho quá trình tổng hợp tế bào Carbon and energy sources, usually referred to as substrates,
and nutrient and growth factor requirements for various types of organisms are considered in the
following discussion./ Các nguồn cacbon và năng lượng, thường được gọi là chất nền, và các yêu cầu
về chất dinh dưỡng và yếu tố tăng trưởng đối với các loại sinh vật khác nhau được xem xét trong phần thảo luận sau.
Figure 7- 9 Examples of bacteria metabolism: (a) aerobic, heterotrophic (b) aerobic autotrophic, (c) anaerobic, heterotrophic./ Ví dụ về quá trình trao đổi chất của vi khuẩn: (a) hiếu khí, dị dưỡng (b) tự dưỡng hiếu khí, (c) kỵ khí, dị dưỡng
Carbon Sources./ Nguồn cacbon Microorganisms obtain their carbon for cell growth from either
Organic matter or carbon dioxide./ Các vi sinh vật lấy carbon để phát triển tế bào từ chất hữu cơ hoặc
Trang 38carbon dioxide Organisms that use organic carbon for the formation of new biomass are called heterotrophs, while organisms that derive cell carbon from carbon dioxide are called autotrophs./ Các sinh vật sử dụng carbon hữu cơ để hình thành sinh khối mới được gọi là sinh vật dị dưỡng, trong khi các sinh vật lấy carbon tế bào từ carbon dioxide được gọi là sinh vật tự dưỡng The conversion of carbon
dioxide to cellular carbon compounds requires a reductive process, which requires a net input of energy./
Việc chuyển đổi carbon dioxide thành các hợp chất carbon tế bào đòi hỏi một quá trình giảm thiểu, đòi hỏi nguồn năng lượng đầu vào liên tục Autotrophic organisms must therefore spend more of their energy
for synthesis than do heterotrophs, resulting in generally lower yields of cell mass and growth rates./ Do
đó, sinh vật tự dưỡng phải dành nhiều năng lượng hơn cho quá trình tổng hợp so với sinh vật dị dưỡng, dẫn đến năng suất khối lượng tế bào và tốc độ tăng trưởng nói chung thấp hơn
Energy Sources./ Nguồn năng lượng The energy needed for cell synthesis may be supplied by light
or by a chemical oxidation reaction./ Năng lượng cần thiết cho quá trình tổng hợp tế bào có thể được
cung cấp bởi ánh sáng hoặc phản ứng oxy hóa hóa học Bacteria can oxidize organic or inorganic
com-pounds to gain energy./ Vi khuẩn có thể oxy hóa các hợp chất hữu cơ hoặc vô cơ để thu được năng
lượng Those organisms that are able to use light as an energy source are called phototrophs./ Những sinh vật có thể sử dụng ánh sáng làm nguồn năng lượng được gọi là sinh vật quang dưỡng Phototrophic
organisms may be either heterotrophic (certain sulfur-reducing bacteria) or autotrophic (algae and
photosynthetic bacteria)./ Các sinh vật quang dưỡng có thể là dị dưỡng (một số vi khuẩn khử lưu huỳnh)
hoặc tự dưỡng (tảo và vi khuẩn quang hợp) Organisms that derive their energy from chemical reactions
are known as chemotrophs./ Các sinh vật lấy năng lượng từ các phản ứng hóa học được gọi là sinh vật
tự dưỡng As with the phototrophs, chemotrophs may be either heterotrophic (protozoa, fungi, and most
bac-teria) or autotrophic (i.e., nitrifying bacteria)./ Cũng như các sinh vật quang dưỡng, sinh vật hóa
dưỡng có thể là dị dưỡng (động vật nguyên sinh, nấm và hầu hết các vi khuẩn) hoặc tự dưỡng (tức là vi khuẩn nitrat hóa) Chemoautotrophs obtain energy from the oxidation of reduced inorganic compounds,
such as ammonia, nitrite, ferrous iron, and sulfide./ Chemoautotrophs thu được năng lượng từ quá trình
oxy hóa các hợp chất vô cơ bị khử, chẳng hạn như amoniac, nitrit, sắt đen và sunfua Chemoheterotrophs
usually derive their energy from the oxidation of organic compounds./ Sinh vật dị dưỡng thường lấy
năng lượng từ quá trình oxy hóa các hợp chất hữu cơ
The energy-producing chemical reactions by chemotrophs are oxidation-reduction reactions that
involve the transfer of electrons from an electron donor to an electron acceptor./ Các phản ứng hóa học
tạo ra năng lượng của sinh vật hóa học là phản ứng oxy hóa - khử bao gồm sự chuyển electron từ chất cho điện tử sang chất nhận điện tử The electron donor is oxidized and the electron acceptor is reduced./ Chất cho điện tử bị oxy hóa và chất nhận điện tử bị khử The electron donors and acceptors can be either
organic or inorganic compounds, depending on the microorganism./ Chất cho và chất nhận electron có
thể là hợp chất hữu cơ hoặc vô cơ, tùy thuộc vào vi sinh vật The electron acceptor may be available
within the cell during metabolism (endogenous) or it may be obtained from outside the cell (i.e.,
dissolved oxygen) (exoge-nous)./ Chất nhận điện tử có thể có sẵn trong tế bào trong quá trình trao đổi
chất (nội sinh) hoặc nó có thể được lấy từ bên ngoài tế bào (tức là oxy hòa tan) (ngoại sinh) Organisms
that generate energy by enzyme-mediated electron transport to an external electron acceptor are said to
have a respiratory metabolism./ Các sinh vật tạo ra năng lượng bằng cách vận chuyển điện tử qua trung
gian enzim đến chất nhận điện tử bên ngoài được cho là có quá trình trao đổi chất hô hấp The use of
an inter-nal electron acceptor is termed fermentative metabolism and is a less efficient energy- yielding process than respiration./ Việc sử dụng chất nhận điện tử bên trong được gọi là quá trình chuyển hóa lên men và là một quá trình sản xuất năng lượng kém hiệu quả hơn so với quá trình hô hấp Heterotrophic
Trang 39organisms that are strictly fermentative are characterized by lower growth rates and cell yields than
respiratory heterotrophs./ Sinh vật dị dưỡng lên men nghiêm ngặt được đặc trưng bởi tốc độ phát triển
và sản lượng tế bào thấp hơn sinh vật dị dưỡng hô hấp
When oxygen is used for the electron acceptor the reaction is termed aerobic, and reactions
involving other electron acceptors are considered anaerobic./ Khi oxy được sử dụng cho chất nhận điện
tử, phản ứng này được gọi là hiếu khí, và các phản ứng liên quan đến chất nhận điện tử khác được coi
là kỵ khí The term anoxic is used to distinguish the use of nitrite or nitrate for electron acceptors from
the others under anaerobic conditions./ Thuật ngữ thiếu khí được sử dụng để phân biệt việc sử dụng nitrit
hoặc nitrat cho chất nhận điện tử với những chất khác trong điều kiện kỵ khí Under anoxic conditions
nitrite or nitrate reduction to gaseous nitrogen occurs, and this reaction is also referred to as biological
denitrification./ Trong điều kiện thiếu khí xảy ra quá trình khử nitrit hoặc nitrat thành nitơ thể khí, và
phản ứng này còn được gọi là quá trình khử nitơ sinh học Organisms that can only meet their energy
needs with oxygen are called obligate aerobic microorganisms./ Các sinh vật chỉ có thể đáp ứng nhu cầu
năng lượng của chúng với oxy được gọi là vi sinh vật hiếu khí bắt buộc Some bacteria can use oxygen
or nitrate/nitrite as electron acceptors when oxygen is not available./ Một số vi khuẩn có thể sử dụng oxy
hoặc nitrat / nitrit làm chất nhận điện tử khi oxy không có sẵn These bacteria are called facultative
aerobic bacteria./ Những vi khuẩn này được gọi là vi khuẩn hiếu khí dễ sinh
Organisms that generate energy by fermentation and that can exist only in an envi-ronment that
is devoid of oxygen are obligate anaerobes./ Các sinh vật tạo ra năng lượng bằng quá trình lên men và
chỉ có thể tồn tại trong môi trường không có oxy là vi khuẩn kỵ khí bắt buộc Facultative anaerobes have
the ability to grow in either the presence or absence of molecular oxygen and fall into two subgroups,
based on their metabolic abilities./ Vi khuẩn kỵ khí nuôi cấy có khả năng phát triển trong điều kiện có
hoặc không có oxy phân tử và được chia thành hai nhóm phụ, dựa trên khả năng trao đổi chất của chúng True facultative anaerobes can shift from fermentative to aerobic respiratory metabolism,
depending upon the presence or absence of molecular oxygen./ Các vi khuẩn kỵ khí thực sự có thể chuyển
từ quá trình lên men chuyển hóa hô hấp hiếu khí, tùy thuộc vào sự có mặt hoặc không có oxy phân tử
Aerotolerant anaerobes have a strictly fermentative metabolism but are relatively insensitive to the
presence of molecular oxygen./ Các vi khuẩn kỵ khí không dung nạp có một quá trình chuyển hóa lên
men nghiêm ngặt nhưng tương đối không nhạy cảm với sự hiện diện của oxy phân tử
Nutrient and Growth Factor Requirements/
Yêu cầu về yếu tố dinh dưỡng và tăng trưởng
Nutrients, rather than carbon or energy sources, may at times be the limiting material for microbial cell
synthesis and growth./ Các chất dinh dưỡng, chứ không phải là nguồn cacbon hoặc năng lượng, đôi khi
có thể là nguyên liệu hạn chế cho sự tổng hợp và tăng trưởng của tế bào vi sinh vật The principal
inorganic nutrients needed by microorganisms are N, S, P, K, Mg, Ca, Fe, Na, and Cl./ Các chất dinh
dưỡng vô cơ chính mà vi sinh vật cần là N, S, P, K, Mg, Ca, Fe, Na và Cl Minor nutrients of importance
include Zn, Mn, Mo, Se, Co Cu, and Ni (Madigan et al., 2000)./ Các chất dinh dưỡng nhỏ quan trọng
bao gồm Zn, Mn, Mo, Se, Co Cu và Ni (Madigan và cộng sự, 2000) Required organic nutrients, known
as growth factors, arc compounds needed by an organism as precursors or constituents of organic cell
material, which cannot be synthesized from other carbon sources./ Các chất dinh dưỡng hữu cơ cần
thiết, được gọi là các yếu tố tăng trưởng, các hợp chất cung cần thiết cho một sinh vật như là tiền chất hoặc thành phần của vật chất tế bào hữu cơ, không thể được tổng hợp từ các nguồn cacbon khác
Although growth factor requirements differ from one organism to another, the major growth factors fall
Trang 40into the following three classes: (1) amino acids, (2) nitrogen bases (i.e., purines and pyrimidines), and
(3) vitamins./ Mặc dù các yêu cầu về yếu tố tăng trưởng khác nhau ở mỗi sinh vật, các yếu tố tăng trưởng
chính thuộc ba nhóm sau: (1) axit amin, (2) bazơ nitơ (tức là, purin và pyrimidin), và (3) vitamin
For municipal wastewater treatment sufficient nutrients are generally present, but for industrial
wastewaters nutrients may need to be added to the biological treatment processes./ Đối với xử lý nước
thải đô thị, thường có đủ chất dinh dưỡng, nhưng đối với nước thải công nghiệp, chất dinh dưỡng có thể cần được bổ sung vào quy trình xử lý sinh học The lack of sufficient nitrogen and phosphorus is common
especially in the treatment of food-processing wastewaters or wastewaters high in organic content./ Việc
thiếu đủ nitơ và phốt pho là phổ biến đặc biệt là trong xử lý nước thải chế biến thực phẩm hoặc nước thải có hàm lượng chất hữu cơ cao Using the formula C12H87O23N12P (given previously) for the composition of cell biomass, about 12.2 g of nitrogen and 2.3 g of phosphorus are needed per 100 g of
cell biomass./ Sử dụng công thức C 12 H 87 O 23 N 12 P (đã cho trước đó) cho thành phần của sinh khối tế bào, cần khoảng 12,2 g nitơ và 2,3 g phốt pho trên 100 g sinh khối tế bào
7-4 BACTERIAL GROWTH AND ENERGETICS/
SỰ TĂNG TRƯỞNG CỦA VI KHUẨN VÀ NĂNG LƯỢNG
In the description of microbial metabolism it was noted that as microorganisms con-sume substrate and
carry out oxidation-reduction reactions, growth occurs by the pro-duction of additional cells./ Trong mô
tả về sự trao đổi chất của vi sinh vật, người ta đã lưu ý rằng khi vi sinh vật tiêu thụ chất nền và thực hiện các phản ứng oxy hóa-khử, sự tăng trưởng xảy ra bằng cách sản sinh thêm các tế bào Thus, in
wastewater treatment applications biomass is produced continuously as the substrate in the wastewater
is consumed and biodegraded./ Do đó, trong các ứng dụng xử lý nước thải, sinh khối được sản xuất liên
tục khi chất nền trong nước thải được tiêu thụ và phân hủy sinh học Topics considered in this section
include (1) bacterial reproduction, (2) bacterial growth patterns in a batch reactor, (3) bacterial growth and biomass yield, (4) methods used to measure biomass growth, (5) estimating cell yield and oxygen requirements from stoichiometry, (6) estimating cell yield from bioenergetics, and (7) observed versus
synthesis yield./ Các chủ đề được xem xét trong phần này bao gồm (1) sự sinh sản của vi khuẩn, (2) mô
hình phát triển của vi khuẩn trong bể phản ứng theo mẻ, (3) sự phát triển của vi khuẩn và năng suất sinh khối, (4) các phương pháp được sử dụng để đo lường sự phát triển sinh khối, (5) ước tính sản lượng
tế bào và nhu cầu oxy từ phép đo phân tích, (6) ước tính sản lượng tế bào từ quá trình tạo điện sinh học,
và (7) quan sát được so với năng suất tổng hợp The material presented in this section will serve as a
basis for the sections that follow and the material presented in Chaps 8, 9, and 10./ Tài liệu được trình
bày trong phần này sẽ là cơ sở cho các phần tiếp theo và tài liệu được trình bày trong các Chương 8, 9
và 10
Bacterial Reproduction/
Sự sinh sản của vi khuẩn
Bacteria can reproduce, as noted in Chap, 2, by binary fission, by asexual mode, or by budding./ Vi
khuẩn có thể sinh sản, như đã nêu trong Chương 2, bằng cách phân hạch nhị phân, bằng phương thức
vô tính hoặc bằng cách nảy chồi Generally: they reproduce by binary fission, in which the original cell
becomes two new organisms./ Nói chung: chúng sinh sản bằng cách phân hạch nhị phân, trong đó tế
bào ban đầu trở thành hai sinh vật mới The time required for each division, which is termed the
generation time, can vary from days to less than 20 min./ Thời gian cần thiết cho mỗi bộ phận, được gọi