Giáo trình -Vi hóa sinh kỹ thuật môi trường -Chương 2 ppt

Tuy nhiên, phương trình phản ứng sinh hóa trong điều kiện kỵ khí có thể biểu diễn đơn giản như sau: Vi sinh vật Một cách tổng quát, quá trình phân hủy kỵ khí xảy ra theo 4 giai đoạn Hình

Giáo trình -Vi hóa sinh kỹ thuật môi

trường -Chương 2

CHƯƠNG 2 VI SINH VẬT TRONG NƯỚC THẢI

1 LÝ THUYẾT XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC

Với việc phân tích và kiểm soát môi trường thích hợp, hầu hết các loại nước thải

đều có thể được xử lý bằng phương pháp sinh học Mục đích của xử lý nước thải bằng

phương pháp sinh học là keo tụ và tách các loại keo không lắng và ổn định (phân hủy)

các chất hữu cơ nhờ hoạt động của vi sinh vật hiếu khí hoặc kỵ khí Sản phẩm cuối cùng

của quá trình phân hủy sinh học thường là các chất khí (CO2, N2, CH4, H2S), các chất vô

cơ ( NH4+, PO43-) và tế bào mới Các quá trình sinh học chính sử dụng trong xử lý nước

thải gồm 5 nhóm chính: quá trình hiếu khí, quá trình thiếu khí, quá trình kỵ khí, thiếu

khí và kỵ khí kết hợp và quá trình hồ sinh vật Mỗi quá trình riêng biệt còn có thể phân

chia thành chi tiết hơn, phụ thuộc vào việc xử lý được thực hiện trong hệ thống tăng

trưởng lơ lửng (suspended - growth system), hệ thống tăng trưởng dính bám (attached –

growth system), hoặc hệ thống kết hợp Phương pháp sinh học có ưu điểm là rẻ tiền và

có khả năng tận dụng các sản phẩm phụ làm phân bón (bùn hoạt tính) hoặc tái sinh năng

lượng (khí methane)

Vi sinh vật học cơ sở là phương tiện cho kĩ sư môi trường, để họ thiết kế, xây

dựng và quản lí nước thải bằng phương pháp sinh học Điều quan trọng đối với kĩ sư

môi trường là phải hiểu rằng tất cả các hệ sinh vật đều dựa trên nguyên tắc chung

Nhưng sự khác nhau giữa chúng là môi trường và thành phần môi trường

Những vi sinh vật có thể liên tục chuyển hóa các chất hữu cơ trong nước thải

bằng cách duy nhất là tổng hợp thành tế bào (nguyên sinh chất) mới Chúng có thể hấp

thụ một lượng lớn các chất hữu cơ qua bề mặt tế bào của chúng Nhưng sau khi hấp thụ,

nếu các chất hữu cơ không được đồng hóa thành tế bào chất thì tốc độ hấp thụ sẽ giảm

tới 0 Một lượng nhất định các chất hữu cơ hấp thụ được giành cho việc kiến tạo tế bào

Một lượng khác các chất hữu cơ lại được oxy hóa để sinh năng lượng cần thiết cho việc

tổng hợp Mối quan hệ giữa việc chuyển hóa chất hữu cơ và tổng hợp tế bào cùng với

việc tiêu thụ oxy (tạo năng lượng) theo Mackiney Ross E được biểu thị như sau:

Với

F: lượng chất hữu cơ được chuyển hóa, mg/l theo BOD toàn phần

S: lượng sinh khối tổng hợp được, mg/l chất hữu cơ volantin (chất khô không tro)

Os: tiêu thụ oxy cho tổng hợp, mg/l oxy hòa tan tự do

K1: 1,43

K2: 1,0

Hai hằng số được dùng để chuyển đơn vị đo lường thành mg/l oxy Phương trình

(2-1) có thể áp dụng cho hệ hiếu khí, còn hệ yếm khí thì khác Ở hệ yếm khí thì không

có oxy tự do, chỉ có oxy hóa gián tiếp Đó cũng là oxy hóa nhưng đó là oxy hóa yếm

khí, bằng cách sử dụng chất hữu cơ có liên quan với lượng oxy hóa

1.1 Xử lý hiếu khí

Những hệ hiếu khí để xử lý nước thải bao gồm: bùn hoạt tính (aeroten), lọc sinh

vật, hồ sinh vật hay hồ oxy hóa, cánh đồng tưới

Phương trình cơ bản được biểu thị trực tiếp theo oxy hòa tan, chừng nào hệ được

duy trì trong điều kiện hiếu khí Vì yêu cầu một năng lượng nhất định để tạo ra một

lượng sinh khối nhất định, nên ta có thể biểu thị mối quan hệ giữa tổng hợp và năng

lượng bằng phương trình:

Thay giá trị này vào phương trình (2-1) ta được phương trình biểu thị mối quan

hệ giữa lượng chất hữu cơ đã bị khử và lượng chất được tổng hợp:

F = 2,13S (2-3)

Vấn đề còn lại là xác định chính xác lượng sinh khối được tổng hợp Đây không

phải là do trực tiếp lượng tăng sinh khối mà tổng lượng tăng sinh khối hoạt tính cộng

với lượng sinh khối hoạt tính bị giảm do trao đổi nội bào

Đây là phương trình cơ bản được dùng để thiết kế các hệ xử lý nước thải trong

điều kiện hiếu khí Cần nhớ rằng đây không phải là phương trình duy nhất được sử dụng

trực tiếp, mà còn phải kết hợp với các phương trình khác để giải bài toán Quan trọng

hơn về phương diện thiết kế là tốc độ phản ứng

Có hai mô hình về tốc độ trong hệ sinh học: Tốc độ tăng và tốc độ giảm Tốc độ

tăng (của phản ứng) diễn ra trong suốt khoảng thời gian của pha sinh trưởng lorarit

Trong khi đó, tốc độ giảm của phản ứng diễn ra ở cả pha sinh trưởng chậm dần lẫn pha

oxy hóa nội bào

• Quá trình phân hủy háo khí chất thải hữu cơ:

COHNS + O 2 + VSV hiếu khí → CO 2 + NH 3 + sản phẩm khác + năng lượng

Pha sinh trưởng logarit Nhiều kĩ sư vệ sinh đã cố sử dụng pha sinh trưởng

Log để ổn định - xử lý nước thải nhưng vô ích Trong suốt pha sinh trưởng Log, tốc độ

tổng hợp và do đó tốc độ oxy hóa là lớn nhất Điều đó có nghĩa đơn giản là: đa số các

loại nước thải có thể xử lý trong thời gian ngắn Nhưng tiếc rằng, những vi sinh vật có

hai đặc điểm sinh hóa ngăn cản việc sử dụng pha Log trong việc xử lý nước thải Để

duy trì pha sinh trưởng Log, phải đảm bảo tỷ lệ giữa thức ăn và vi sinh vật (F:M) luôn

luôn lớn hơn 2 Với nước thải sinh hoạt, lượng thực phẩm không cao, do vậy chỉ có lúc

bắt đầu xử lý trong hệ sinh học thì F:M mới cao Ở mức tỷ lệ thức ăn cao như vậy, vi

sinh vật không thể tạo bông, mà sẽ tản mạn trong nước thải Nước ra khỏi pha sinh

trưởng Log vẫn còn chứa nhiều chất hữu cơ chưa được chuyển hóa và nhiều vi khuẩn

tản mạn Chỉ có một số trạm xử lý nước thải công nghiệp có thể sử dụng pha sinh

trưởng Log mà thôi

Pha sinh trưởng chậm dần Pha sinh trưởng chậm dần bắt đầu khi pha sinh

trưởng log kết thúc, khi nồng độ chất hữu cơ trở thành yếu tố giới hạn trong việc sinh

trưởng của những tế bào mới Tốc độ trao đổi chất trong pha sinh trưởng chậm dần

không thể xác định được, bởi vì không thể ổn định và liên tục biến đổi khi nồng độ chất

hữu cơ giảm Pha sinh trưởng chậm dần sẽ ngừng lại khi tỷ lệ F:M giảm xuống tới 0 Đa

số các hệ xử lý sinh học được vận hành giữa pha sinh trưởng chậm dần và pha hô hấp

nội bào, sao cho tỷ lệ F:M ở thời điểm kết thúc vừa đủ để xác định nồng độ chất hữu cơ

còn lại đảm bảo cho sinh khối ở trạng thái hoạt tính Cần nhấn mạnh rằng tất cả các chất

hữu cơ chủ yếu đã được ổn định, nghĩa là đã bị khử từ dạng tan và biến thành tế bào

chất ở thời điểm kết thúc pha sinh trưởng chậm

Pha hô hấp nội bào Sự sinh trưởng không dừng lại ở pha hô hấp nội bào,

nhưng tốc độ phân hủy tế bào tăng lên và làm cho sinh khối hoạt tính giảm đi Một

lượng rất nhỏ được tổng hợp ở pha nội bào nhờ kết quả chuyển hóa chất hữu cơ, nhưng

với tốc độ rất chậm Tốc độ phản ứng trong pha hô hấp nội bào đã được xác định một

cách chính xác Những số liệu thu được chứng tỏ rằng sinh khối hoạt tính bị phân hủy ở

tốc độ 0,6%/giờ Sinh khối hoạt tính (Ma) bị phân hủy thành hai hợp phần: một phần bị

oxy hóa, một phần là chất trơ Phần bị oxy hóa với tốc độ 0,5% trong 1 giờ Trong khi

đó phần trơ bị phân hủy với tốc độ 0.1% /giờ Chuyển đổi thành phần sinh khối bị oxy

hóa thành lượng oxy tiêu thụ ta sẽ được tốc độ tiêu thụ oxy là 0.7% trong 1giờ

Xác định oxy tiêu thụ ở pha hô hấp nội bào là phương pháp duy nhất cho phép

xác định sinh khối hoạt tính trong bùn sinh học

Chẳng hạn có thể xác định sinh khối hoạt tính Ma sinh khối không hoạt tính Mi

của một sinh khối bất kỳ:

Sinh khối tổng cộng = Ma + Mi (2-7)

Bình thường việc xác định chất khô không tro (VS) của sinh khối vi sinh vật lơ

lửng được tiến hành bằng cách xác định tổng lượng chất hữu cơ trong sinh khối Từ

lượng oxy tiêu thụ trong pha nội bào có thể tính được Ma rồi sau đó tính Mi

Hình 2 1 Các đường cong tiêu thụ oxy xác định bằng phương pháp Warburg

1.2 Xử lý kỵ khí

Quá trình phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ là quá trình sinh hóa phức tạp tạo ra

hàng trăm sản phẩm trung gian và phản ứng trung gian Tuy nhiên, phương trình phản

ứng sinh hóa trong điều kiện kỵ khí có thể biểu diễn đơn giản như sau:

Vi sinh vật

Một cách tổng quát, quá trình phân hủy kỵ khí xảy ra theo 4 giai đoạn (Hình 2.1):

• Giai đoạn 1: Thủy phân, cắt mạch các hợp chất cao phân tử

• Giai đoạn 2: Acid hóa

• Giai đoạn 3: Acetate hóa

• Giai đoạn 4: Methane hóa

Các chất thải hữu cơ chứa các chất hữu cơ cao phân tử như proteins, chất béo,

carbohydrates, celluloses, lignin,… Trong giai đoạn thủy phân, sẽ được cắt mạch tạo

thành những phân tử đơn giản hơn, dễ phân hủy hơn Các phản ứng thủy phân sẽ

chuyển hóa protein thành amino acids, carbohydrate thành đường đơn, và chất béo

thành acid béo Trong giai đoạn acid hóa, các chất hữu cơ đơn giản lại được tiếp tục

chuyển hóa thành acetic acid, H2 và CO Các acid béo dễ bay hơi chủ yếu là acetic acid,

propionic và lactic acid Bên cạnh đó, CO2 và H2, methanol, các rượu đơn giản khác

cũng được hình thành trong quá trình cắt mạch cacbohydrat Vi sinh vật chuyển hóa

methane chỉ có thể phân hủy một số loại cơ chất nhất định như CO2 + H2, formate,

acetate, methanol, methylamines và CO Các phương trình phản ứng xảy ra như sau:

4H2 + CO2 CH4 + 2H2O

Quá trình acctate hoá và khử hydro

Quá trình thủy phân

Hình 2 2 Quá trình phân hủy kỵ khí

Tùy theo trạng thái của bùn, có thể chia quá trình xử lý kỵ khí thành:

- Quá trình xử lý kỵ khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng như quá trình tiếp

xúc kỵ khí (Anaerobic Contact Process), quá trình xử lý bằng lớp bùn kỵ khí với

dòng nước đi từ dưới lên (Upflow Anearobic Sludge Blanket – UASB):

- Quá trình xử lý kỵ khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng bám dính như quá trình

lọc kỵ khí (Anaerobic Filter Process)

Các phương trình cơ bản của trao đổi yếm khí và trao đổi hiếu khí khác nhau rất

ít Trong cả hai hệ, lượng chất hữu cơ cần thiết để hình thành tế bào chất đều như nhau

Các mô hình trao đổi chất có nhiều cấu trúc cơ bản giống nhau, năng lượng đòi hỏi để

tạo ra một đơn vị tế bào chất cũng phải như nhau ở cả hai hệ Chỉ có sự khác nhau giữa

hai hệ là cơ chế tạo năng lượng và năng lượng sản ra trên một đơn vị chất hữu cơ đã

chuyển hóa

Có thể thấy rằng, sự trao đổi yếm khí không hiệu quả trong việc sản sinh tế bào

chất, nhưng việc sản sinh tế bào chất không phải là mục đích của hệ xử lý nước thải

bằng phương pháp sinh hóa Hệ xử lý nước thải bằng phuơng pháp sinh hóa yếm khí

điển hình là tổng cộng của việc tạo axit và tạo mêtan Khi mêtan có mức tan 0,17mg /l

thì việc trao đổi yếm khí coi như được hoàn thành, dòng nước ra sẽ chứa ít chất hữu cơ

và tạo ra lượng bùn ít nhất Đó chính là ưu việt của biện pháp xử lý yếm khí nước thải

2 ĐỘNG HỌC CÁC QUẦN THỂ SINH VẬT TRONG CÁC CÔNG TRÌNH XỬ

LÝ NƯỚC THẢI

Trong thiên nhiên cũng như trong các công trình làm sạch nước thải thường tồn

tại hỗn hợp các loài vi sinh vật Loài này có thể cạnh tranh với loài khác vì thức ăn Có

hai kiểu cạnh tranh là: các loài cùng tranh nhau một loại thức ăn và loài này dùng loài

khác làm thức ăn Cạnh tranh vì thức ăn là yếu tố quan trọng trong động học quần thể

2.1 Cùng tranh nhau một loại thức ăn

Trong cùng điều kiện môi trường như nhau, nếu loại vi sinh vật nào theo đặc

tính trao đổi chất của mình, có khả năng đồng hóa được nhiều thức ăn nhất, thì loài đó

chiếm vai trò chủ đạo trong môi trường

Nếu hai loài vi khuẩn cùng trong một môi trường dinh dưỡng và cùng có thể sử

dụng được dung dịch dinh dưỡng thì chúng cùng sinh trưởng Nếu một trong hai loài vi

khuẩn không thể sử dụng hoàn toàn chất dinh dưỡng thì loài đó không thể tồn tại lâu

được vì thiếu khả năng tạo năng lượng

Khi hai loài vi khuẩn đều có thể đồng hóa một loại thức ăn với tốc độ như nhau

Nhưng nếu trong hai loài vi khuẩn đó, loài này lớn hơn loài kia, thì số lượng mỗi loài sẽ

tùy thuộc khối lượng tế bào chất Chẳng hạn, loài vi khuẩn A có khối lượng gấp hai lần

loài vi khuẩn B, thì số lượng vi khuẩn B sẽ tạo ra gấp đôi số lượng vi khuẩn A, nhưng

tổng khối lượng của mỗi loài đều bằng nhau Thông thường, loài vi khuẩn lớn không thể

đồng hóa chất hữu cơ với tốc độ như loài vi khuẩn nhỏ hơn Nguyên nhân là do tổng

diện tích bề mặt tiếp xúc của loài vi khuẩn lớn sẽ nhỏ hơn

Đa số vi khuẩn có kích thước như nhau và cùng sống lâu trong môi trường

không quen thuộc Pseudomonas hầu như có thể đồng hóa được mọi chất hữu cơ và

sống lâu ở mọi môi trường Vì vậy loài này là loài đầu tiên có trách nhiệm phân hủy

chất hữu cơ trong công trình vệ sinh Loài Alcaligenes và Flavobacterium cũng quan

trọng gần như Pseudomonas vì chúng có thể đồng hóa trước tiên là protein Ở nơi nào

có protein thì ở đó có Alcaligenes và Flavobacterium

Đối với nấm, tảo, động vật nguyên sinh Protozoa cũng diễn ra sự cạnh tranh

tương tự vì thức ăn Chúng đều có kiểu trao đổi chất với chất dinh dưỡng tan, nhưng

kích thước của chúng khác nhau nên tốc độ trao đổi chất khác nhau Vi khuẩn nhỏ nhất

nên có tốc độ trao đổi chất lớn nhất Sau đó là nấm đến Protozoa Ở dung dịch chất hữu

cơ đậm đặc, với điều kiện hiếu khí, tất cả vi sinh vật đều phát triển nhưng vi khuẩn đóng

vai trò chủ đạo Ở dung dịch yếu của chất hữu cơ thì Protozoa không thể làm gì được để

sống

2.2 Loài này ăn loài khác

Một trong những kiểu cạnh tranh quan trọng là cạnh tranh giữa thực vật và động

vật Thực vật sử dụng thức ăn dạng tan, trong khi đó động vật lại dùng thức ăn dạng rắn

không tan Thực vật là thức ăn cho động vật Với nghĩa thực thì động vật và thực vật

không cạnh tranh nhau vì thức ăn, mà chúng chỉ có liên quan tới sự cạnh tranh mà thôi

2.3 Mối quan hệ mật độ cá thể giữa các quần thể vi sinh vật

Điều kiện môi trường và các yếu tố ngoại cảnh: như đã nói ở trên, ảnh hưởng rất

nhiều đối với quần thể vi sinh vật

Vi khuẩn chủ đạo thứ cấp

Trong hỗn hợp các quần thể vi khuẩn, loại nào sử dụng được cơ chất thì sẽ sinh

trưởng nhanh Khi cơ chất đã bị khử thì vi sinh vật cũng chết và tạo chất nhầy, giải

phóng nhiều hợp chất của tế bào ra môi trường – dung dịch Các hợp phần của tế bào

chủ yếu là protein Kết quả là Flavobacterium và Alcaligenes có khả năng sinh trưởng

và phát triển Khi đó ta gọi những loài này là chủ đạo thứ cấp hai bậc hai Khái niệm

này rất quan trọng khi xử lý nước thải công nghiệp, đòi hỏi phải có những vi sinh vật

chủ đạo bậc một với chuyên môn cao! Thời gian tiếp xúc quá lâu có thể làm giảm hiệu

suất do quần thề vi sinh vật bậc một quá ít

Hình 2 3 Đồ thị về các loài vi khuẩn chủ đạo sơ cấp và thứ cấp

Động học quần thể Protozoa

Hình 2 4 Sự sinh trưởng tương đối của các loài vi sinh vật khi xử lý nước thải chứa

chất hữu cơ

Ghi chú: số lượng các loài vi sinh vật không trong cùng tỷ lệ

Tính chủ đạo của Protozoa đi kèm rất mật thiết với tính chủ đạo của vi khuẩn

Vì rất dễ nhìn dưới kính hiển vi cho nên Protozoa là những loài chỉ thị quí giá đối với

chu trình sinh học và trong việc xử lý nước thải

Mastigophora, Flagellates không bao giờ phát hiện được nhiều ở nước thải, trừ

nước rất bẩn và mới nhiễm bẩn Loài Phytoflagellates phải cạnh tranh với vi khuẩn để

giành lấy cơ chất tan, và chúng thường bị thất bại Loài Zooflagellates thường có ưu thế

hơn Phytoflallates lại kém hơn so với loài Ciliates bơi tự do trong việc bắt vi khuẩn

Chừng nào vi khuẩn còn nhiều thì Ciliates bơi tự do cũng sẽ nhiều Khi quần thể vi

khuẩn giảm, thì Ciliates bơi tự do lại phải nhường chỗ cho loài Ciliates có tiêm mao

Ciliates có tiêm mao đớp những hạt lơ lững và nuốt qua ống rất nhanh Chúng yêu cầu

năng lượng rất ít nên có thể sống lâu hơn ở nơi ít quần thể vi khuẩn Khi môi trường đã

được ổn định thì ciliates có tiêm mao cũng không sống nổi vì không đủ năng lượng nữa

và phải nhường chỗ cho Rotifers và những động vật bậc cao hơn Những loài này có thể

sử dụng các chất là những xác chết của vi khuẩn hoặc các hạt lơ lửng hữu cơ khác

Mối quan hệ giữa vi khuẩn và tảo

Mối quan hệ giữa tảo và vi khuẩn rất khắng khít và là quan hệ hỗ sinh Hai loài

này không thể cạnh tranh với nhau vì thức ăn, nhưng hoạt động của chúng tùy thuộc lẫn

nhau Vi khuẩn đồng hóa chất hữu cơ trong điều kiện hiếu khí để thành CO2 và nước

Tảo sử dụng CO2 và giải phóng oxy

Kiểm tra phân tích các hiện tượng sinh hóa cho thấy: vi khuẩn đồng hóa các chất

hữu cơ phức tạp với sự có mặt của oxy để thành tế bào mới CO2, amon, và các chất vô

cơ để chuyển thành tế bào mới và giải phóng oxy

Hình 2 5 Mối quan hệ hỗ sinh giữa tảo và vi khuẩn

Nuôi cấy đặc biệt

Trong xử lý nước thải công nghiệp, nhiều khi phải nuôi cấy các loài đặc biệt và

thuần khiết Tuy nhiên rất khó hiện thực hóa ý niệm này Hỗn hợp các loài vi sinh vật

luôn đạt kết quả khả quan hơn là một loài thuần khiết

Do vậy người ta thường chỉ bổ sung các loài thuần khiết đặc biệt vào hỗn hợp

các quần thể vi sinh vật để thay đổi loài chủ đạo mà thôi Đương nhiên tính chủ đạo của

vi sinh vật này tùy thuộc môi trường và người ta phải cho thêm một khối lượng lớn vi

sinh vật thuần khiết trong một khoảng thời gian ngắn

3 XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG CÁC QUÁ TRÌNH TỰ NHIÊN

3.1 Cánh đồng tưới, cánh đồng lọc

Sau khi lắng ở bể đợt một, nước thải được xả ra cánh đồng Ở đó diễn ra quá

trình oxy hóa sinh hóa các chất hữu cơ trong điều kiện hiếu khí Ở nơi nào tạo thành

điều kiện yếm khí thì ở đó quá trình oxy hóa bị cản trở

Ở đây quá trình oxy hóa sinh hóa chất hữu cơ trong nước thải diễn ra được là

nhờ các loại vi sinh vật, sinh vật Những quần thể sinh vật đất cũng gồm: vi khuẩn, nấm,

tảo, các loài động vật hạ đẳng và động vật không xương Những cơ thể sống này trong

quá trình hoạt động sẽ thực hiện quá trình tự làm sạch đất sau khi tưới nước thải Tỷ lệ

và số lượng giữa các loài khác nhau nhưng nói chung, kích thước càng nhỏ thì số lượng

sinh vật sống trong cùng một dung tích đất sẽ càng nhiều Trong đất nhiều nhất là vi

khuẩn, rồi thứ tự là nấm, tảo và động vật hạ đẳng Sở dĩ như vậy là vì mỗi loài sinh vật

đất đều có nhiều nhu cầu khác nhau Khả năng thỏa mãn tất cả những nhu cầu đó sẽ

càng cao nếu hạng mục nhu cầu của sinh vật càng ít Mặt khác, thời gian trưởng thành ở

sinh vật lớn hơn sẽ lâu hơn so với sinh vật nhỏ Như thế khả năng di truyền cho thế hệ

sau của sinh vật lớn cũng sẽ ít hơn

Vi khuẩn trong đất có tưới nước thải Trong đất có tưới nước thải chứa hai

nhóm vi khuẩn là: vi khuẩn riêng của đất và vi khuẩn từ nước thải đưa vào Lượng nước

thải của vi khuẩn đưa vào chỉ bằng 1% lượng vi khuẩn của đất Như vậy chỉ sau một

mùa thì số vi khuẩn của nước thải sẽ bằng số vi khuẩn của đất Hai nhóm vi khuẩn này

đồng thời có quan hệ đối kháng và cộng sinh Sau một thời gian một số sẽ chết, chủ yếu

là vi khuẩn ăn chất đạm và vi khuẩn thối rữa, đường ruột Còn đa số sẽ thích nghi với

điều kiện mới, tồn tại, phát triển và làm thay đổi thành phần cấu trúc của đất Cấu trúc

của đất, thành phần tính chất nước thải, tiêu chuẩn tưới và điều kiện khí hậu… là những

yếu tố quyết định ảnh hưởng tới sự hình thành quần thể sinh vật, tức là ảnh hưởng tới

hiệu quả xử lý nước thải

Những quá trình oxy hóa sinh hóa diễn ra chủ yếu là ở lớp đất trên cùng với

chiều dầy chừng 40cm Trong lớp này sẽ tồn tại “ màng sinh vật”- tức là các vi sinh vật

mà chủ yếu là vi khuẩn Chúng thực hiện quá trình oxy hóa sinh hóa Khi lọc nước qua

đất, phần lớn vi khuẩn bị giữ lại, còn nước thì thấm qua Vi khuẩn bị giữ lại là do khe

hở giữa các hạt đất rất nhỏ và cơ bản là do có sự tương tác điện hóa giữa các vi khuẩn

và màng sinh vật Hạt đất càng nhỏ thì hấp phụ vi khuẩn càng mạnh (xem bảng 2.1)

Khả năng hấp phụ của màng sinh vật rất lớn Theo Strôganôv (1938- Lapsin,

Strôganôv) thì với diện tích 1m2 mặt đất với chiều dày 40cm thì tổng diện tích hấp phụ

của những tế bào vi khuẩn là 48.000 m Tốc độ lọc nước qua màng sinh vật cũng rất

chậm, chỉ khoảng 1cm/giờ

Bảng 2 1 Sự hấp thụ vi khuẩn Bact Ptrodigiosum của các loại hạt đất (theo Misustin)

hai tuần, khi lớp đất trên cùng phát triển đủ các quần thể sinh vật Lúc đầu vi khuẩn của

nước thải vào đất chủ yếu là vi khuẩn hoại sinh – sử dụng chất hữu cơ Sau đó trong quá

trình nitrat hóa, phát triển những vi khuẩn tự dinh – sử dụng chất vô cơ, phần lớn là vi

khuẩn nitra hóa Trong đất bình thường số vi khuẩn nitrat hóa không quá 10.000 tế

bào/1g đất Nhưng đất ở cánh đồng lọc tới 1 triệu tế bào/ 1g đất

Nhờ có sự sống – hoạt động của số đông vi khuẩn nitrat hóa như vậy cho nên về

mùa hè trên mỗi hecta cánh đồng lọc có thể thu được 70kg nitrat trong một ngày Để

oxy hóa muối amon, cần tiêu thụ 260kg oxy/ngđ Ngoài ra để oxy hóa các chất hữu cơ

chức cacbon, tiêu thụ 160kg oxy/ngđ Như vậy trên một ha, tổng cộng tiêu thụ

420kg/ngđ Do đó phải đảm bảo thoáng khí, không được ứ động bùn ở cánh đồng

Những khu đất tất không bị ứ đọng bùn có thể giữ lại tất cả các loại vi khuẩn gây

bệnh và 99,99% trực khuẩn đường ruột

Nấm Đa số nấm là loại hiếu khí, vì nấm không có khả năng quang hợp nên

nguồn cacbon chủ yếu lấy từ các chất hữu cơ chứa cacbon (tinh bột, cellulose, acid béo,

rượu cao phân tử, paraphin…), nguồn nitơ là muối amon, nitrat, đôi khi cả pepton, axit

amin

Tảo Gồm chủ yếu là tảo xanh lam, tảo lục Lượng tảo trong đất cũng nhiều, từ

100.000 đến 3 triệu/1cm3 đất Khi xử lý nước thải, vai trò của tảo trong đất là: tạo oxy

Bất kì một nguồn bổ sung oxy nào cũng rất quan trọng vì phải tiêu thụ rất nhiều để oxy

hóa chất hữu cơ Do vậy sự phát triển của tảo trong đất rất cần thiết, đặt biệt đối với đất

kém thoáng khí

Các loại động vật: Gồm động vật hạ đẳng và loài không xương

Loài hạ đẳng – Protozoa: gồm loại giả túc và có tiêm mao Chúng là loài hiếu

khí chỉ sống ở lớp đất trên cùng: có tới 500.000 con/1g đất

Nguồn dinh dưỡng chủ yếu của Protozoa là vi khuẩn Vai trò của chúng trong

việc xử lý nước thải ở cánh đồng chỉ giới hạn ở chỗ chúng tiêu diệt vi khuẩn, đặc biệt là

tế bào vi khuẩn giả, tạo điều kiện dễ dàng cho các tế bào vi khuẩn khác sinh sản và xuất

hiện nhiều thế hệ vi khuẩn trẻ có hoạt tính sinh hóa mạnh hơn Kết quả là quá trình oxy

hóa sinh hóa được tăng cường

Động vật không xương gồm giun, bọ Vai trò của chúng là làm xốp đất lọc ở

trên Điều này quan trọng khi đất ứ đọng bùn Ngoài ra trong ruột động vật không

xương, nhiều chất bền vững như xenlulo, chitin, keratin, v.v …hoàn toàn bị phân hủy

thành CO2, nước và amoniac Như vậy nghĩa là các vi khuẩn trong ruột động vật không

xương sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho vi khuẩn ở đất làm việc tốt

Ngoài vi sinh vật, động vật trên đây, cần phải kể tới các loài thực vật Thực vật

sẽ hấp thụ các nguyên tố dinh dưỡng trong đất, cạnh tranh với vi khuẩn nitrat hóa vì

chúng cùng sử dụng muối amon Rễ cây sẽ làm cho đất xốp và thoáng khí

3.2 Hồ sinh vật hay hồ Oxy hóa

Cấu tạo hồ Hồ sinh vật là loại công trình được sử dụng phổ biến để xử lý nước

thải của thị trấn, khu dân cư nhỏ Hồ thường rộng và nông Nước thải được dẫn vào một

điểm ở giữa hoặc phía đầu hồ và được xả ra ở một hay ở nhiều điểm ở phía cuối hồ Hồ

thường sâu từ 0,6 -1,2 m và thậm chí 3- 6 m, tùy thuộc từng loại hồ Chiều sâu hồ khống

chế ít nhất từ 0,5 - 0,6 m với mục đích ngăn ngừa cỏ mọc Ngược lại nếu hồ sâu quá 6 m

sẽ làm điều kiện khuấy trộn và ánh sáng kém đi Nếu hồ nông thì diện tích mặt thoáng

phải rộng Mức độ khuấy trộn tự nhiên tùy thuộc vào tốc độ gió Ở những hồ rộng và

nông thì khuấy trộn tốt hơn là hồ hẹp và sâu

Ban đầu người ta sử dụng hồ để xử lý nước thải gọi là xử lý bậc hai: nước thải

trước khi xả vào hồ phải qua bể lắng đợt một Như vậy phải xây dựng một tổ hợp công

trình với bể lắng và một bể xử lý cặn, do đó giá thành xây dựng và quản lý sẽ đắt Sau

này, lại có xu thế tổng hợp tất cả các công trình đó lại: lắng, lên men cặn và oxy hóa

được thực hiện trong cùng một hồ, gọi là hồ yếm khí tùy tiện Khi đó giá thành xây

dựng và quản lý sẽ giảm đi Ngày nay, người ta sử dụng hồ sinh vật để xử lý bậc hai

hoặc bậc ba – tức là xử lý triệt để chất thải

Bản thân tên gọi là hồ oxy hóa cũng nói lên đó là công trình xừ lý nước thải

trong điều kiện hiếu khí Tuy nhiên cũng tồn tại vùng yếm khí hoặc vùng tùy tiện, gần

giống như ở bể lọc sinh vật hay ở cánh đồng tưới nước thải

Sự phân hủy chất hữu cơ thực hiện nhờ sinh vật mà chủ yếu là vi khuẩn, một

phần nhỏ nhờ Protozoa Vi khuẩn sẽ tạo thành CO2 và nước trong điều kiện yếm khí;

tạo axit hữu cơ trong điều kiện yếm khí Chỉ khi tạo CO2 và nước – là sản phẩm trao

đổi cuối cùng thì BOD của nước ra khỏi hồ mới thấp Muốn vậy phải đảm bảo cho hệ

hoạt động trong điều kiện hiếu khí

Người ta nói rằng, tảo có thể đảm bảo cho hồ ở điều kiện hiếu khí Tuy nhiên

không phải như vậy, mà làm thoáng được thỏa mãn bởi tổ hợp cả từ bề mặt lẫn nhờ

phản ứng sinh hóa

Tảo thu năng lượng ánh sáng mặt trời và các chất vô cơ trong nước để tổng hợp

nguyên sinh chất của mình Một trong những phản ứng kèm theo trong việc tổng hợp

nguyên sinh chất là giải phóng oxy Nhiều người cho rằng oxy do tảo giải phóng sẽ

cung cấp đủ cho vi khuẩn phân hủy chất hữu cơ Thực tế thì không đủ cho vi khuẩn và

Protozoa được, trừ trường hợp chúng có nguồn dinh dưỡng bổ sung và nhiều hơn nguồn

dinh dưỡng lấy từ nước thải là sản phẩm trao đổi chất của vi sinh vật Khi xem xét quá

trình trao đổi chất ta thấy vi khuẩn phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện hiếu khí, tạo

nguyên sinh chất mới, CO2, nước – là những sản phẩm cuối cùng Tảo tiếp thu CO2 do

vi khuẩn tạo ra, nước, muối khoáng vô cơ để biến thành nguyên sinh chất của mình Sự

giải phóng oxy tỷ lệ với lượng CO2 bị phân hủy Tất nhiên nguồn oxy không phải là

CO2 mà là từ nước Nước còn là nguồn hydro nữa Điều này có nghĩa là nguồn bổ sung

oxy còn phải lấy từ nguồn khác nữa nếu muốn duy trì hệ ở trạng thái hiếu khí

Ở những vùng nước cứng, trong nước có bicacbonat và cacbonat để cung cấp bổ

sung cho tảo nguồn cacbon, nhưng không liên quan đến quá trình trao đổi chất ở nước

thải Tuy nhiên việc tiêu thụ bicacbonat và cacbonat sẽ dẫn đến kết quả là: oxy do tảo

giải phóng ra sẽ nhiều hơn lượng oxy vi khuẩn yêu cầu Thậm chí nước sẽ trở nên bão

hòa oxy

Khi phân tích cân bằng vật chất của chu trình trao đổi cho thấy: vi khuẩn sẽ sản

sinh ra khối lượng – 180g chất hữu cơ từ 450g BOD toàn phần đã bị khử Để việc trao

đổi chất của tảo được duy trì ở điều kiện hiếu khí thì tảo phải tạo được 150g chất hữu

cơ Vì nước thải thô chỉ chứa khoảng 300g chất hữu cơ trong 400g BOD toàn phần, nên

hiệu suất sẽ là: 300 chất hữu cơ của nước thải biến hết thành 300g chất hữu cơ dạng

nguyên sinh chất của vi khuẩn và tảo Thực chất, chất hữu cơ chỉ biến từ dạng này sang

dạng khác mà thôi Khi có ánh sáng mặt trời thì tảo không yêu cầu oxy lấy năng lượng

cần thiết từ mặt trời Nhưng về đêm, không có áng sáng mặt trời thì tảo sẽ tiêu thụ oxy

cũng giống như vi khuẩn để trao đổi nội bào Sự tiêu thụ oxy của nguyên sinh chất đã

hình thành sẽ ít hơn oxy tiêu thụ của các tế bào của bản thân nước thải, cho nên tốc độ

tiêu thụ oxy sẽ giảm dần theo sự chuyển hóa này

Làm thoáng bề mặt cũng là nguồn oxy không được bỏ qua, vì hồ nông và rộng

thì gió sẽ thổi trên mặt hồ và khuấy trộn nước hồ Nếu hồ thiếu hụt oxy của không khí

sẽ hòa trộn với nước và bổ sung cho sự thiếu hụt đó Về đêm khi tảo yêu cầu oxy như vi

khuẩn thì sự là thoáng bề mặt sẽ cung cấp oxy và giữ cho hệ ở trạng thái hiếu khí

Kích thước của hồ oxy hóa phải được thiết kế đủ rộng để hồ vừa đảm bảo lắng

tốt vừa oxy hóa tốt Những hạt cặn trơ, bền vững không bị phân hủy sinh hóa sẽ cùng

với vi sinh vật lắng xuống và trôi theo nước Lượng vi khuẩn sẽ nhiều nhất ở những nơi

có chất hữu cơ, nhưng sẽ giảm dần về phía cuối hồ, nơi xả nước đi Nhiều vi sinh vật do

trao đổi nội bào, chết và lắng xuống trước khi nước qua ống xả Như vậy chất hữu cơ bị

oxy hóa sẽ được tách ra khỏi nước trước khi xả nước ra nguồn – sông Rõ ràng dung

tích hồ phải đủ để chứa cặn lắng và vi sinh vật

Hình 2 6 Sơ đồ hoạt động của hồ sinh vật

Vi sinh vật trong hồ Cũng như ở các công trình xử lý khác cùng chức năng:

chủ yếu là vi khuẩn và tảo Ngoài ra còn Protozoa, giả túc Rotifers Loại vi sinh vật nào

chiếm ưu thế chủ đạo trong hồ là tùy thuộc tải trọng chất bẩn và các yếu tố vật lý khác

Ở hồ tải trọng thấp (nuớc ít bẩn) thì số chủng loại nhiều hơn so với hồ nước bẩn

Hồ có hỗn hợp nhiều loại nước thải chảy vào thì số loài vi sinh vật cũng nhiều

hơn so với hồ chỉ có một loại nước thải chảy vào

Những loài vi khuẩn chủ yếu là Pseudomonas, Flavobacterium, Alcalogenes Vi

khuẩn Coli chết nhanh do sản phẩm kháng sinh của tảo và các vi khuẩn khác tiết ra

Coli không cạnh tranh nổi thức ăn với các loài vi khuẩn khác

Sự phát triển của tảo tùy thuộc vào các loai chất dinh dưỡng và mức dinh dưỡng

Những loài Phytoflagellates và Euglena, Chlorella sẽ phát triển ở nơi có nồng độ chất

dinh dưỡng cao Chúng có thể trao đổi bằng quang hợp hoặc hóa hợp và do đó góp phần

vào việc phân hủy chất hữu cơ Kích thước của chúng ngăn cản chúng cạnh tranh thức

ăn với vi khuẩn Những loài Phytoflagellates nhỏ sẽ đòi hỏi năng lượng nhiều và chiếm

ưu thế chủ đạo hơn so với các loài tảo khác, khi mức dinh dưỡng cao Tảo xanh thường

sống ở nơi mức dinh dưỡng giảm và năng lượng không đủ cho khối lượng lớn của

Phytoflagellates hoạt tính Một trong những loài điển hình là: Spirogyra, Vaucheria và

Ulothrix Số loại chất dinh dưỡng sẽ xác định chính xác dạng nào là chủ đạo

Khi có chất dinh dưỡng thì Protozoa cũng có mặt Nếu nước chảy vào với nồng

độ chất hữu cơ cao thì kích thích các loài Flagelates (chẳng hạn Chinamonas) phát triển

nhưng đồng thời cũng mở đường cho Ciliates giả túc bơi tự do như Colpidium,

Paramecium, Glaucoma, Euplotes phát triển Khi lượng vi khuẩn giảm thì Ciliates giả

túc như Vorticella và Episriles sinh trưởng phát triển Khi nước ít bẩn, tải trọng chất

hữu cơ thấp và lượng oxy nhiều thì các loài động vật bậc cao như Daphnia, Rotaria

xuất hiện Những loài động vật động cao có thể sử dụng tảo, vi khuẩn cho nên nước ra

khỏi hồ chứa ít vi khuẩn và tảo Như vậy động vật cũng đóng vai trò làm trong nước

4 ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH TĂNG TRƯỞNG CỦA VI SINH VẬT

Để đảm bảo vi sinh vật có thể tồn tại trong môi trường thì chúng ta phải được

phép tái sản xuất với một lượng đủ Giai đoạn này phụ thuộc vào tốc độ tăng trưởng, nó

liên quan trực tiếp đến tốc độ chuyển hóa hoặc sử dụng chất thải Nếu trong một môi

trường thích hợp cho sự tăng trưởng và phát triển của vi sinh vật khả năng chuyển hóa

chất hữu cơ phụ thuộc vào tốc độ tăng trưởng của vi sinh vật

4.1 Tăng trưởng tế bào

Trong cả hệ thống xử lý liên tục lẫn từng mẻ tốc độ tăng trưởng của vi khuẩn có

thể được xác định bằng phương trình sau:

Với rg: tốc độ tăng trưởng của vi khuẩn (sinh khối/ đơn vị thể tích x thời gian)

µ: tốc độ tăng trưởng riêng, (thời gian -1)

X: nồng độ của vi khuẩn, (sinh khối/ đơn vị thể tích)

Do dX/dt = rB đối với hệ thống xử lý từng mẻ, do đó:

dX/dt= µX (1-2) 4.2 Ảnh hưởng của nồng độ chất nền

Trong nuôi cấy mẻ, nếu những thành phần cần thiết cho sự tăng trưởng như chất dinh

dưỡng, một số nguyên tố vi lượng,… chỉ hiện diện với một hàm lượng giới hạn, nó sẽ

gây ảnh hưởng hạn chế đến tốc độ tăng trưởng ,những chất đó được gọi là chất giới hạn

quá trình sinh trưởng.(Hình 2.7 )

Qua thí nghiệm , người ta thấy rằng ảnh hưởng của các chất giới hạn sinh trưởng

costheer được biểu hiện qua nuối cấy liên tục, tăng trưởng bị giới hạn Theo thí nghiệm,

người ta thấy rằng ảnh hưởng của việc giới hạn cơ chất hay chất dinh dưỡng có thể được

biểu hiện qua phương trình Monod như sau:

µ= µ m S/(K s + S) (1-3)

Với

µ: tốc độ tăng trưởng riêng, (thời gian-1)

µm: tốc độ tăng trưởng tối đa,(thời gian-1)

S: nồng độ của cơ chất giới hạn tăng trưởng, (khối lượng cơ chất/ đơn vị thể

tích)

Ks: hằng số tốc độ bán phản ứng, là nồng độ cơ chất mà tốc độ tăng trưởng riêng

bằng nửa tốc độ tăng trưởng tối đa (µ= 1/2µm), ( khối lượng cơ chất/ đơn vị thể tích)

Ảnh hưởng của nồng độ cơ chất trên tốc độ tăng trưởng riêng được trình bày

trong (Hình 2.7) Nếu giá trị của µ từ phương trình (1-3) được thay thế vào phương

trình (1-1) thì tốc độ tăng trưởng được biểu diễn là:

r g = µ m XS(K s + S) µ (1-4)

sHình 2 7 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của giới hạn dinh dưỡng lên tốc độ tăng

trưởng đặc biệt

4.3 Tăng trưởng tế bào và sử dụng cơ chất

Trong cả hai hệ thống tăng trưởng liên tục và từng mẻ, một phần cơ chất được

chuyển hóa thành tế bào mới và một phần được oxy hóa thành sản phẩm cuối vô cơ và

hữu cơ Do lượng tế bào mới được sản xuất đại diện cho số cơ chất, mối tương quan

giữa hai giá trị: tốc độ sử dụng cơ chất và tốc độ tăng trưởng được thể hiện như sau:

Với

rg: tốc độ tăng trưởng của vi khuẩn, (sinh khối/ đơn vị thể tích x thời gian)

Y: hệ số hiệu quả cực đại, mg/mg (được định nghĩa như là tỉ số giữa sinh khối

của tế bào hình thành và sinh khối cơ chất tiêu thụ, việc đó được thực hiện trong suốt

giai đoạn tăng trưởng logarith)

rsu : tốc độ sử dụng cơ chất, (sinh khối/ đơn vị thể tích x thời gian)

Hiệu quả phụ thuộc vào các yếu tố:

(1) Trạng thái oxy hóa của nguồn carbon và những nguyên tố vi lượng

(2) Độ polimer hóa của cơ chất

(3) Các con đường chuyển hóa

(4) Tốc độ tăng trưởng

(5) Các thông số vật lý trong quá trình nuôi cấy

Nếu giá trị rg từ phương trình (1-4) được thay vào phương trình (1-5), tốc độ cơ

chất sử dụng có thể được xác định như sau:

Ở phương trình (1-6), giá trị µm/Y thường được thay thế bằng giá trị k, được

định nghĩa là tốc độ sử dụng cơ chất tối đa trên một đơn vị sinh khối vi sinh vật

Thay thế giá trị k vào phương trình (1-6) ta được:

4.4 Ảnh hưởng của chuyển hóa nội bào

Trong hệ thống sinh học xử lý nước thải, do tuổi của tế bào làm cho không phải

mọi tế bào đều tăng trưởng ở pha logarith Hơn nữa khi biểu diễn tốc độ tăng trưởng

chúng ta phải hiệu chỉnh với lượng năng lượng cần thiết để tế bào duy trì sự sống và

những nhân tố khác như sự chết hay bị làm mồi cho sinh vật khác,… cũng phải được đề

cập Thường thì các nhân tố này được gộp lại với nhau và giả thiết rằng độ giảm sinh

khối do những nguyên nhân này tương ứng với nồng độ vi sinh vật hiện diện Sự giảm

này gọi chung là phân hủy nội bào Khái niệm phân hủy nội bào có thể được công thức

hóa như sau:

Với

rd: phân hủy nội bào

kd: hệ số phân hủy nội bào (thời gian-1)

X: nồng độ tế bào, (sinh khối/ đơn vị thể tích)

Kết hợp phương trình (1-9) với (1-4) và (1-5) ta được tốc độ tăng trưởng thật:

r ’= r - r

r g ’= µ m XS/(K s + S)- k d X (1-10)

Với

rg’: tốc độ tăng trưởng thật của vi khuẩn, (sinh khối/ đơn vị thể tích x thời gian)

Tốc độ tăng trưởng riêng thật được cho phương trình (1-12)

µ’= µ- kd

µ’= µ m S/(K s +S) - k d (1-12)

Với

µ’: tốc độ tăng trưởng riêng thật, (sinh khối/ đơn vị thể tích x thời gian)

Ảnh hưởng của hô hấp nội bào lên hiệu quả tăng trưởng thật của vi khuẩn được tính

toán dựa vào phương trình:

Y obs = -r g ’/r su (1-13)

4.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Nhiệt độ là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình xử lý

sinh học Nhiệt độ không những ảnh hưởng lên hoạt động chuyển hóa của quần thể vi

sinh vật mà còn ảnh hưởng liên quan đến những nhân tố như tốc độ trao đổi khí và đặc

tính lắng của chất rắn Ảnh hưởng của nhiệt độ lên tốc độ phản ứng của quá trình sinh

Khoảng giá trị Giá trị trung bình

0,060 0,030

0,075 0,014

5 QUÁ TRÌNH TỰ LÀM SẠCH CỦA NGUỒN NƯỚC MẶT

Sông hồ là những công trình thiên nhiên hoặc nhân tạo, là những nguồn cung

cấp nước mặt đồng thời là nơi tiếp nhận nước mưa, nước thải sinh hoạt, công

nghiệp,…Tất cả các nguồn nước chảy về sông hồ đều mang theo các chất bẩn hữu cơ,

vô cơ Ở những điều kiện bình thường thích hợp thì những chất đó kích thích sự phát

triển của sinh vật Ở những dòng sông, suối, vùng núi cao thì sự sống của sinh vật đơn

điệu, nghèo nàn hơn, và ít chất dinh dưỡng hơn Nhưng những con sông chảy qua vùng

đồng bằng phì nhiêu màu mỡ, dân cư đông đúc, trù phú thì sự hoạt động sống của sinh

vật rất phong phú vì đầy đủ chất hữu cơ - chất dinh dưỡng Nếu các chất bẩn (theo

lượng từng chất và số loại chất) vừa đủ phù hợp với khả năng đồng hóa của sinh vật thì

các quá trình sinh hóa sẽ diễn ra trong điều kiện hiếu khí và có lợi cho con người Nếu

các chất bẩn quá nhiều, vượt quá khả năng đồng hóa của sinh vật thì các dạng sinh vật

thượng đẳng phải chết và chỉ có vi khuẩn phát triển, tạo điều kiện yếm khí, gây tổn thất

cho con người Khi đó ta hiểu là nguồn nước sông hồ bị nhiễm bẩn Ngày nay do sự

phát triển đô thị, công nghiệp và nền kinh tế xã hội nói chung, các dòng sông sẽ bị ô

nhiễm bẩn quá mức và là mối lo ngại lớn cho con người

5.1 Quá trình tự làm sạch

Quá trình tự làm sạch của nguồn nước có thể chia thành 2 giai đoạn:

• Quá trình xáo trộn – pha loãng giữa các dòng chất bẩn với khối lượng nguồn

nước Đó là quá trình vật lý thuần túy

• Quá trình tự làm sạch với nghĩa riêng của nó Đó là quá trình khoáng hóa các

chất bẩn hữu cơ - hay rộng hơn, đó là quá trình chuyển hóa - phân hủy các chất

bẩn hữu cơ nhờ các thủy sinh vật, vi sinh vật Ở mức độ nhất định, dù ít dù nhiều

tất cả những cơ thể sống đó đều tham gia vào quá trình, đồng thời chúng sinh

trưởng - sinh sản (kể cả chết) và phát triển Sinh khối của chúng tăng lên

Trong các dòng sông chảy, các dòng chất sẽ pha loãng với nước sông trên một

khoảng nhất định Trong suốt khoảng chiều dài đó có thể phân biệt các vùng sau đây:

• Vùng xả chất bẩn (A)

• Vùng xáo trộn hoàn toàn (B)

• Vùng bẩn nhất, ở đó oxy hòa tan ít nhất (C)

• Vùng phục hồi - ở đó kết thúc quá trình tự làm sạch (D) (hình 2.8)

Hình 2 8 Các vùng nhiễm bẩn của dòng chảy

Hình 2 9 Ảnh hưởng của chất bẩn đối với sự sống – hoạt động của vi sinh vật trong

nước sông

Cường độ quá trình tự làm sạch phụ thuộc nhiều yếu tố: dung tích nước sông,

tốc độ dòng chảy, điều kiện làm thoáng hòa tan oxy theo bề mặt, chiều sâu dòng chảy,

nhiệt độ, thành phần hóa lý của nước, tính chất các chất bẩn,…Trước hết ta hãy xét một

số khái niệm cơ bản sau:

z Tổng sản phẩm sơ cấp trong nước nguồn

Theo phương thức dinh dưỡng, tất cả các cơ thể sống trên trái đất được chia

thành hai loại: sinh vật sản xuất và sinh vật tiêu thụ Sinh vật sản xuất là những loại tự

dưỡng, tạo chất hữu cơ bằng cách cố định CO Sinh vật tiêu thụ là những loại dị dưỡng,

chỉ sử dụng chất hữu cơ có sẵn Sinh vật sản xuất bao gồm tất cả các thực vật, vi khuẩn

tự dưỡng (trừ nấm) Sinh vật tiêu thụ gồm tất cả những loài sinh vật còn lại

Chất hữu cơ tạo trong quá trình quang hóa được gọi là sản phẩm sơ cấp Khối

lượng chủ yếu của sản phẩm sơ cấp được tổng hợp nhờ thực vật Vai trò của vi khuẩn

trong quá trình này không lớn lắm

Việc tổng hợp sản phẩm sơ cấp – là cơ sở của sự sống trên trái đất Việc tái tạo

các chất hữu cơ có liên quan mật thiết đến quá trình quang hóa, tức là tùy thuộc điều

kiện chiếu sáng Tuy nhiên lượng sản phẩm sơ cấp không chỉ phụ thuộc cường độ quang

hóa mà còn tùy thuộc lượng thực vật Dù quang hợp có mạnh nhưng trên sông hồ ít thực

vật thì lượng sản phẩm sơ cấp cũng ít Ngược lại, dù quang hợp có hơi yếu nhưng trên

sông hồ nhiều động vật phù du và thực vật thượng đẳng thì lượng sản phẩm sơ cấp cũng

rất lớn Độ sâu nguồn nước càng tăng thì độ chiếu sáng càng giảm và lượng sản phẩm

sơ cấp sẽ tùy thuộc nhiều vào sự phân bố thực vật theo chiều dày lớp nước Thực vật

nằm ở lớp dưới sâu, ít được chiếu sáng thì sản lượng sơ cấp sẽ giảm

Giai đoạn quang hợp ngoài ánh sáng thường ngắn hơn giai đoạn trong bóng tối,

cho nên tảo có thể sống – tồn tại ở ngoài vùng chiếu sáng tốt Khi nổi lên mặt nước

chúng nhận 1 lượng bức xạ mặt trời cần thiết, khi chìm xuống sâu chúng sẽ thực hiện

quang hợp tối Khí hậu trung hòa tảo phân bố trên sông, hồ không đều, ở lớp trên nhiều

tảo hơn lớp dưới Như vậy phần tảo bị đói ánh sáng bao giờ cũng ít hơn chúng phân bố

đều theo chiều dày lớp nước Chẳng hạn, khi lặng gió 62% tảo bị thiếu ánh sáng, khi gió

cấp 5 tới 90% bị thiếu ánh sáng

Thành phần của nước, cụ thể lượng nitơ, phôtpho cũng ảnh hưởng đến lượng sản

phẩm sơ cấp Nhu cầu các nguyên tố dinh dưỡng đối với các loài thực vật không giống

nhau Thí dụ khuê tảo rất cần silic để tạo panxiria

Lượng sản phẩm sơ cấp được biểu thị bằng đơn vị khối lượng (hoặc dơn vị năng

lượng tương đương), được tổng hợp trong 1 đơn vị thời gian Sản phẩm có thể tính theo

đơn vị dung tích, điện tích, hoặc toàn bộ nguồn nước

Khi quang hợp, các quá trình tái tạo sinh khối mới của thực vật phù du, việc tạo

oxy và năng lượng liên quan với nhau Theo Oswald (1963) mối quan hệ đó có thể biểu

Bảng 2 5 Lượng sản phẩm sơ cấp trong các hố (theo Vinberg 1960)

70 – 200

400

5 – 7.5 7.5 – 10.0

z Chuyển hóa và phân hủy chất hữu cơ

Sinh khối của các sinh vật tự dưỡng: tảo, thực vật nước bậc cao; vi khuẩn - là

nguồn thức ăn cho các loại dị dưỡng – vi khuẩn, nấm, động vật phù du, Necton Trong

số này có nhóm sinh vật đặc biệt gọi là sinh vật hoại sinh, khoáng hóa chất hữu cơ chết

chúng cung cấp các nguyên tố khoáng cho loại tự dưỡng

Để đặc trưng cho trình tự chuyển hóa các chất hữu cơ con người dùng khái niệm

“mức dinh dưỡng”,…Việc chuyển hóa chất hữu cơ (và cả năng lượng trong đó) từ mức

dinh dưỡng này sang mức khác, số loài và sinh khối của chúng giảm dần và tạo ra nhiều

lớp sinh khối Những loài nhỏ nhưng tốc độ sinh sản nhanh với cùng một sinh khối

thường tạo ra nhiều chất hữu cơ hơn các loài to lớn Tuy nhiên cũng có khi sinh khối

của loài thuộc mức dinh dưỡng sau lớn hơn sinh khối của loài thuộc mức dinh dưỡng

trước Do vậy phải phân biệt hai khái niệm: sinh khối và sản phẩm Sinh khối là tổng

khối lượng của tất cả các sinh vật thuộc một mức dinh dưỡng nào đó còn sản phẩm là

sinh khối tạo ra ở một mức dinh dưỡng nào đó trong một khoảng thời gian nhất định

(trong đó kể cả khối lượng đã tiêu thụ, chết, hoặc tách khỏi hệ thống)

Khác với sinh khối, năng lượng của một chất hữu cơ nào đó khi chuyển từ mức

dinh dưỡng này sang mức dinh dưỡng khác luôn luôn thay đổi

Trong bất kì “mức dinh dưỡng nào”, thức ăn do những vi sinh vật sử dụng đều

không hấp thụ được hết và bao giờ cũng còn lại một ít Ở lượng đã hấp thụ được, một

phần tiêu hao cho việc tăng sinh khối, một phần bị oxy hóa để sinh năng lượng Năng

lượng này lại có thể sử dụng cho mức dinh dưỡng tiếp theo Phần năng lượng tiêu thụ

trong các quá trình sống, hoạt động của sinh vật, được tản vào không gian và bị loại

khỏi quá trình chuyển hóa chất hữu cơ Tuy nhiên khi tản năng lượng cũng diễn ra quá

trình chuyển hóa chất hữu cơ Đồng thời với việc giải phóng năng lượng cũng giải

phóng CO2 và các nguyên tố dinh dưỡng vào nước CO2 và các nguyên tố dinh dưỡng

lại tạo ra sản phẩm sơ cấp - tức là lại tích lũy năng lượng

Công thức xác định tổng năng lượng:

A= S + T + C (Đơn vị năng lượng hoặc lượng oxy) (1-16)

Với:

A: tổng năng lượng chứa trong thức ăn ban đầu

S: năng lượng tích lũy khi tăng sinh khối

T: năng lượng tiêu hao trong quá trình trao đổi chất

C: năng lượng của phần thức ăn chưa hấp thụ được

Hiệu suất sử dụng thức ăn được đặc trưng bằng các hệ số không thứ nguyên:

K1= S/A

K2= S/ (A-C) = S/ (S+T)

Với

K1: hệ số sử dụng thức ăn tiêu thụ cho sinh trưởng

K2: hệ số sử dụng phần thức ăn đã hấp thụ tiêu thụ cho sinh trưởng

K1,K2 càng cao thì hiệu quả sử dụng thức ăn cho tăng sinh khối càng cao

Số mức năng lượng của loại peligian (sinh vật phù du) thường là 3-4, của sinh vật đáy là

2

Chẳng hạn:

Mức dinh dưỡng 1: vi khuẩn

Mức dinh dưỡng 2: trích trùng ăn vi khuẩn

Mức dinh dưỡng 3: động vật phù du ăn trích trùng

Mức dinh dưỡng 4: cá bé ăn động vật phù du

Mức dinh dưỡng 5: cá lớn

Hình 2.10 là chu trình sinh hoá bình thường ở nguồn nước mặt Có thể nói vi

khuẩn là nhân tố chính của quá trình sinh hóa bình thường trong nước thiên nhiên

Chúng có chất hữu cơ hòa tan thành tế bào của mình và các chất vô cơ Những chất vô

cơ lại được tảo sử dụng để xây dựng tế bào Những vi khuẩn và tảo lại là thức ăn cho

động vật hạ đẳng sử dụng Động vật hạ đẳng, tảo, vi khuẩn lại là thức ăn cho cá bé rồi

cá lớn, cá lại là thức ăn cho người Chu trình cứ thế diễn ra Cần lưu ý rằng sinh khối

của cá chiếm phần rất nhỏ trong sản phẩm sơ cấp Nếu trong nước chỉ sống có loài cá ăn

cỏ - tức là loài thuộc mức dinh dưỡng thứ 2 thì sinh khối cuối cùng sẽ nhiều hơn đáng

kể