Quá trình sinh học trong xử lý môi trường

Các qúa trình sinh học trong xử lý môi trường và xử lý nước thải.Các qúa trình sinh học trong xử lý môi trường và xử lý nước thải.Các qúa trình sinh học trong xử lý môi trường và xử lý nước thải.Các qúa trình sinh học trong xử lý môi trường và xử lý nước thải.Các qúa trình sinh học trong xử lý môi trường và xử lý nước thải.

CHƯƠNG 1:

KHÁI NIỆM CƠ BẢN

Tổng quan

Thành phần và phân loại các vi sinh vật

Sự trao đổi chất trong vi sinh vật

Sự sinh trưởng của vi sinh vật

Quá trình sinh học hiếu khí

Quá trình sinh học kị khí.

Quá trình sinh học thiếu khí.

Quá trình nitrat hóa

Quá trình khử nitrat

Quá trình xử lý phốt phot bằng phương

pháp sinh học.

Quá trình chuyển hóa các hợp chất

chứa lưu quỳnh

Quá trình chuyển hóa kim loại nhờ

vi sinh vật

1.1 Tổng quan

Vi sinh vật là gì?

Chúng có những đặc điểm chung gì?

a b

d c

LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VI SINH VẬT

 Antonie van Leewenhoek (1632-1723) phát

minh ra kính hiển vi

 Louis Pasteur (1822-1895) người đã đặt nền

móng và có những đóng góp lớn lao trongnghiên cứu vi sinh vật

Các vi sinh vật trong môi trường nước bao gồm:

+ Sinh vật nổi (plankton): bao gồm VS thực vật nổi

(phytoplankton), và VS động vật nổi

(zooplankton);

+ Sinh vật đáy (benthos) gồm VSV nhỏ và lớn

(benthophyte) và động vật đáy (zoobenthos)

 Hấp thu nhiều, chuyển hóa nhanh.

 Sinh trưởng nhanh, phát triển mạnh.

 Năng lực thích ứng mạnh,

 Phân bố rộng, chủng loại nhiều.

 Có vai trò to lớn đối với HST và đời

sống con người (có ích lẫn có hại).

1.2 PHÂN LOẠI VI SINH VẬT

 Theo R H Whittaker (1920 – 1981) phân

loại VSV thành 5 giới

Nhóm sinh vật chưa có tế bào

1 Giới virus Nhóm giới sinh vật nhân nguyên thủy

 Các nhóm VSV chính

Dựa vào đặc điểm cấu tạo tế bào chia ra làm 3

nhóm lớn:

 Nhóm chưa có cấu tạo tế bào

 Nhóm có cấu tạo tế bào nhưng chưa có cấu

trúc nhân rõ ràng (cấu trúc nhân nguyên thuỷ) gọi là nhóm Procaryote

 Nhóm có cấu tạo tế bào, có cấu trúc nhân

phức tạp gọi là Eucaryote

 Vi Sinh vật dị dưỡng (heterotrophic): sử

dụng chất hữu cơ làm nguồn C

 Vi sinh vật tự dưỡng (autotrophic): sử dụng

CO2 làm nguồn cácbon

 VSV quang dưỡng (phototroph): sử dụng

ánh sáng làm năng lượng

* VSV hóa dưỡng (Chemotroph) lấy năng

lượng từ các phản ứng ôxi hóa- khử

 Các cách phân loại khác

Phân loại dựa vào mối liên hệ với ôxi:

 Vi Sinh vật hiếu khí (obligate aerobes)

 Vi sinh vật kị khí (obligate anaerobes)

* VSV tùy nghi (Facultative anaerobles)

 Vi Sinh vật ưa lạnh (psychrophiles):

Cấu tạo tế bào

- Màng tế bào

- Chất nguyên sinh

- Nhân

môi trường vào cơ thể, chế biến nó thành

các chất của cơ thể và thải các sản phẩm

cuối cùng ra môi trường

1.3 TRAO ĐỔI CHẤT VÀ TRAO ĐỔI NĂNG

LƯỢNG CỦA VSV

 Trao đổi chất:

Quá trình dị hóa:

+ Dị hóa ngoài tế bào: cung cấp vật chất cho

tế bào nhờ các enzym ngoại bào+ Dị hóa trong tế bào được thực hiện nhờ

enzym nội bào

- Enzyme là các protein hoặc protein kết hợp với các hợp chất vô cơ/ phân tử hữu cơ có khối lượng phân tử thấp.

- Enzyme là chất xúc tác, hình thành phức với chất hữu cơ, phức này chuyển hóa thành sản phẩm riêng và giải phóng enzyme ban đầu.

-Tế bào vi khuẩn sản sinh các loại enzyme khác nhau cho mỗi cơ chất sử dụng,

-Hai loại enzyme thường được sản sinh:

+ Extracellular : chuyển hóa cơ chất bên ngoài tế bào thành một dạng chất có thể đi vào bên trong tế bào và tiếp tục được phân hủy bởi các enzyme Intracellular.

+ Intracellular là các enzyme nội bào, thực hiện phản ứng tổng hợp tế bào và tạo ra năng lượng.

1.3 TRAO ĐỔI CHẤT VÀ TRAO ĐỔI NĂNG

LƯỢNG CỦA VSV

 Hai quá trình có đặc trưng riêng biệt tùy theo đặc

điểm sống của từng nhóm VSV

+ Nhóm sinh dưỡng quang năng sử dụng trực

tiếp năng lượng của ánh sáng mặt trời để đồnghóa CO2 tạo thành chất hữu cơ của cơ thể

+ Nhóm dinh dưỡng hóa năng vô cơ sử dụng

năng lượng sinh ra trong quá trình oxy hóa một

chất vô cơ nào đó để đồng hóa CO2 trong khôngkhí

+ Nhóm dinh dưỡng hóa năng hữu cơ sử

dụng chất hữu cơ làm chất oxy hóa sinh

năng lượng

1.3 TRAO ĐỔI CHẤT VÀ TRAO ĐỔI NĂNG

LƯỢNG CỦA VSV

• Nhóm kị khí có quá trình oxy hóa sinh năng

lượng không kèm theo việc liên kết với oxy củakhông khí (chất nhận điện tử không phải là oxy

mà là chất hữu cơ hoặc một chất vô cơ)

Chất nhận điện tử là chất hữu cơ

Chất nhận điện tử là chất vô cơ

1.3 TRAO ĐỔI CHẤT VÀ TRAO ĐỔI NĂNG

LƯỢNG CỦA VSV

Bảng 1.6 Các dạng chuyển hóa chính

VSV sống.

 Sinh trưởng và phát triển không phải lúc nào cũng

diễn ra cùng một lúc

a Sự sinh trưởng

 Các phương pháp kiểm tra sự sinh trưởng của VSV:

+ Đo kích thước tế bào non và tế bào trưởng thành.+ Xác định sinh khối tươi và sinh khối khô bằng

phương pháp ly tâm và cân xác định trọng lượng

+ Xác định hàm lượng nitơ tổng số hoặc xác định

cacbon tổng số

+ Xác định quá trình trao đổi chất

b Sự phát triển

 Các VSV sinh sản bằng phương pháp nhân đôi thường

cho lượng sinh khối rất lớn sau một thời gian ngắn

 Để xác định khả năng phát triển của VSV hiện nay

người ta dùng nhiều phương pháp:

+ Xác định số lượng tế bào bằng pp đếm trực tiếp trênkính hiển vi hay gián tiếp trên mặt thạch

1.4 Quá trình sinh trưởng và phát triển

cơ sở xây dựng một đồ thị chuẩn của mật độ tế bào.+ Tính thời gian một thế hệ Thời gian cho một lầnphân chia tế bào gọi là tgian thế hệ G

+Số lần phân chia n được tính theo công thức

+ Số lần phân chia trong 1 giờ C hay còn gọi là hằng

số tốc độ phân chia

1.4 Quá trình sinh trưởng và phát triển

 Hiện tượng này xảy ra khi môi trường chứa nguồn

cacbon gồm một hỗn hợp của 2 chất hữu cơ khác nhau

 Quá trình này đòi hỏi một thời gian nhất định và xuất

hiện 2 pha lag và pha log

Sinh trưởng và phát triển trong nuôi cấy liên tục

 PP nuôi cấy liên tục là pp người ta cho dòng môi

trường mới liên tục vào trong quá trình lên men, đồngthời sẽ lấy liên tục sản phẩm của quá trình lên men đó

ra khỏi hệ thống

 VSV phát triển trong môi trường nuôi cấy liên tục sẽ

có một quy luật riêng

1.4 Quá trình sinh trưởng và phát triển

 PP nuôi cấy tĩnh hay phương pháp nuôi cấy theo chu

kỳ là pp nuôi cấy ở đó môi trường dinh dưỡng đượcgiữ nguyên khi bắt đầu nuôi cấy đến khi kết thúc quátrình nuôi cấy

 Sản phẩm của quá trình lên men chỉ lấy ra khi hết quá

trình nuôi cấy

 Sự phát triển và sinh trưởng của VSV trong hệ kín đó

tuần hoàn theo một quy luật nhất định

Sinh trưởng và phát triển trong nuôi cấy tĩnh

 Sự sinh trưởng và phát triển của VSV có 4 giai đoạn

Đường cong sinh trưởng của VSV

1.4 Quá trình sinh trưởng và phát triển

 Giai đoạn 1 : còn gọi là pha lag, pha tiền phát triển.

 Giai đoạn 2 : còn gọi là pha cấp số hay pha log, pha

này biểu hiện rõ nét bởi tốc độ sinh sản của VSV đạtcực đại

 Giai đoạn 3 : Là giai đoạn cân bằng hay pha ổn định

 Giai đoạn 4 : Còn gọi là pha tử vong

1.8 KHẢ NĂNG CHUYỂN HÓA CÁC CHẤT NITƠ

TRONG TỰ NHIÊN

A Giới thiệu

 Nitơ là thành phần của protein và acid nucleic

trong tế bào vi sinh, động vật và thực vật

 Trong không khí, nitơ chiếm khoảng 78,16% theo

thể tích hoặc 75,5% theo trọng lượng

 Theo ước tính không khí bao quanh trái đất chứa

đến 4x1015T nitơ

 Trong thực tế, cây trồng (cũng như người và các

loài động vật) không có khả năng đồng hóa trực

tiếp nguồn nitơ lớn lao này

 VSV đóng vai trò chủ yếu của chu trình nitơ

trong môi trường

1.8 KHẢ NĂNG CHUYỂN HÓA CÁC CHẤT NITƠ

TRONG TỰ NHIÊN

 VSV trong 5 giai đoạn : cố định nitơ, đồng

hóa nitơ, khoáng hóa nitơ, nitrat hóa và

khử nitrat.

a Sự cố định nitơ (Nitrogen fixation).

 Khử nitơ bằng hóa học tốn năng lượng,

đắt tiền.

 Một số VK, tảo có khả năng khử nitơ bằng

con đường sinh học sản phẩm NH3.

 Hằng năm, các VSV cố định được 2x108T

khối nitơ.

1.8 KHẢ NĂNG CHUYỂN HÓA CÁC CHẤT NITƠ

TRONG TỰ NHIÊN

- VSV cố định nitơ cộng sinh: đó là các vi

khuẩn nốt sần cộng sinh vối cây họ đậu.

 Nitrogenase – enzyme của quá trình cố định

nitơ.

 Sự cố định nitơ được thực hiện bởi

enzyme nitrogenase

 Sự sinh tổng hợp của các enzyme này được

kiểm soát bởi gen nif Azotobacter.

 Không khí quá mạnh cũng làm ức chế quá

trình cố định nitơ phân tử.

b Sự đồng hóa nitơ (asimilation)

 Nitrat amon.

 Trong đất, các phân bón có amon sẽ được

ưa thích hơn phân bón nitrat.

 Cho mỗi 100 đơn vị C được đồng hóa, tế

bào cần khoảng 10 đơn vị N (tỷ số C/N =

10).

1.8 KHẢ NĂNG CHUYỂN HÓA CÁC CHẤT NITƠ

TRONG TỰ NHIÊN

c Sự khoáng hóa nitơ (ammonification).

 Sự khoáng hóa nitơ là sự chuyển hóa các

hợp chất nitơ hữu cơ thành các dạng vô cơ.

 Các protein được khoáng hóa đến amon

theo trình tự :

Protein acid amin khử amin đến amon.

 Protein peptid hoặc acid amin bởi các

enzyme proteolytic ngoại bào.

Amino acid + O2 acid + NH4+Amino acid + H acid + NH4+

d Quá trình nitrat hóa (nitrification).

 VSV của quá trình nitrat hóa

 Quá trình này được thực hiện bởi 2 loại

1.8 KHẢ NĂNG CHUYỂN HÓA CÁC CHẤT NITƠ

TRONG TỰ NHIÊN

- Nitrobacter (N agilis, N winogradski)

chuyển hóa nitrit thành nitrat.

- Về lý thuyết, VK cần lượng oxy là

4,6mgO2/1mg NH4+ để oxy hóa amon đến

nitrat.

- pH tối ưu để cho tăng trưởng của

Nitrobacter trong khoảng 7,2 – 7,8.

 Các yếu tố kiểm soát quá trình nitrat hóa.

- Sự tăng trưởng của Nitrosomonas và

Nitrobacter tuân theo động học của Monod

và phụ thuộc vào nồng độ của amon và

nitrat.

1.8 KHẢ NĂNG CHUYỂN HÓA CÁC CHẤT NITƠ

TRONG TỰ NHIÊN

 Để tiến hành quá trình nitrat hóa, nồng độ

oxy hòa tan không nên dưới 2mg/l.

 Để oxy hóa 1mg NH4+ cần 4,6mg O2.

 Nhiệt độ thích hợp cho tốc độ tăng trưởng

của vi khuẩn nitrat hóa trong khoảng 8 –

30oC.

 pH

 pH tối ưu nằm trong khoảng 7,5 – 8,5.

 Quá trình nitrat hóa ngừng lại ở pH thấp

hơn 6.

 Một phần VSV nitrat hóa bị giảm khi tỷ số

này tăng.

1.8 KHẢ NĂNG CHUYỂN HÓA CÁC CHẤT NITƠ

TRONG TỰ NHIÊN

 Quá trình nitrat hóa khá nhạy cảm với một

vài hợp chất độc có trong nước thải.

 Các hợp chất gây độc nhất cho VK nitrat

hóa là cyanide, thiourea, phenol và các kim loại nặng (Ag, Ni, Cu…)

e Sự khử nitrat hóa (denitrification)

 VSV của quá trình khử nitrat hóa.

 Hai cơ chế quan trọng nhất của sự khử

nitrat là khử nitrat đồng hóa và dị hóa.

 Khử nitrat đồng hóa

 Nitrat được chuyển thành nitrit và NH4+ tự

do.

 Khử nitrat được thực hiện bởi nhiều

enzyme khử nitrat đồng hóa, mà hoạt tính

không bị ảnh hưởng bởi oxy.

1.9 KHẢ NĂNG CHUYỂN HÓA CÁC CHẤT NITƠ

 Các VSV trong quá trình này là các VSV tự

dưỡng hoặc dị dưỡng hiếu khí mà chúng có thể chuyển sang tăng trưởng kỵ khí khi

nitrat được dùng làm chất nhận điện tử.

 Do nitrat là chất nhận điện tử nên tốc độ

khử nitrat phụ thuộc vào nồng độ nitrat

theo kiểu động học Monod.

1.9 KHẢ NĂNG CHUYỂN HÓA CÁC CHẤT NITƠ

TRONG TỰ NHIÊN

 Sự oxy hóa của glucose giải phóng nhiều

năng lượng khi có sự hiện diện của oxy

hơn là nitrat.

 VK khử nitrat phải có chất nhận điện tử để

thực hiện quá trình.

1.9 KHẢ NĂNG CHUYỂN HÓA CÁC CHẤT NITƠ

TRONG TỰ NHIÊN

 Quá trình khử nitrat được kích thích khi có

mặt Mo, Se.

 VK khử nitrat ít nhạy cảm với hóa chất

độc hại hơn là VK nitrat hóa.

 Photpho là thành phần quan trọng của ATP, acid

nuleic và photpholipit của màng tế bào

 Photpho có thể được dự trữ trong các hạt volutin

nội bào như là polyphotphate ở cả procaryote vàeucaryote

 Là chất dinh dưỡng giới hạn tăng trưởng của tảo

trong các hồ

1.10 KHẢ NĂNG CHUYỂN HÓA CÁC CHẤT

PHOTPHO TRONG TỰ NHIÊN

tự nhiên

 P hữu cơ tích lũy trong đất

và được VSV phân giải

1.10 KHẢ NĂNG CHUYỂN HÓA CÁC CHẤT

PHOTPHO TRONG TỰ NHIÊN

1.10 KHẢ NĂNG CHUYỂN HÓA CÁC CHẤT

PHOTPHO TRONG TỰ NHIÊN

C Sự phân giải lân hữu cơ do VSV

 Các hợp chất lân hữu cơ trong đất có

nguồn gốc từ xác động vật, thực vật phân xanh, phân chuồng…

thành muối của H3PO4 được thực hiện bởi nhómVSV phân hủy photpho hữu cơ.

 Những VSV này có khả năng tiết ra enzym

photphataza để xúc tác cho quá trình phân giải

 Các VSV phân hủy lân hữu cơ theo sơ đồ tổng

quát:

1.10 KHẢ NĂNG CHUYỂN HÓA CÁC CHẤT

PHOTPHO TRONG TỰ NHIÊN

 VSV phân giải lân hữu cơ chủ yếu thuộc 2 chi :

Bacillus và Pseudomonas

B megatherium

B mycoides

Pseudomonas sp.

 Sự sinh sản axit trong quá trình sống của một số

nhóm VSV đã làm cho nó có khả năng chuyển cáchợp chất photpho từ dạng khó tan thành dạng dễtan

 Sản phẩm trong quá trình phân giải lân vô cơ là

CO2

1.10 KHẢ NĂNG CHUYỂN HÓA CÁC CHẤT

PHOTPHO TRONG TỰ NHIÊN

 Các vi khuẩn nitrat hóa sống trong đất cũng có

khả năng phân giải lân vô cơ theo phương trình

 Các vi khuẩn sulfat hóa cũng có khả năng phân

giải photphat khó tan do VS tạo ra thành H2SO4trong quá trình sống

các axit hữu cơ trong quá trình sống cũng có thểlàm cho dạng photpho khó tan thành dễ tan.

Pseudomonas radiobacter

B butyricus

Aspergillus niger

1.11 KHẢ NĂNG CHUYỂN HÓA CÁC CHẤT LƯU

HUỲNH TRONG TỰ NHIÊN

A Vòng tuần hoàn lưu huỳnh

của các axit amin chứa

lưu huỳnh như metionin,

xystein và trong nhiều

loại enzym quan trọng

a Sự oxy hóa các hợp chất lưu huỳnh do vi khuẩn tự

dưỡng hóa năng.

 Một số vi khuẩn tự dưỡng hóa năng có khả

năng oxy hóa các hợp chất lưu huỳnh vô cơ như

Thiosulfat, khí sunfua hydro, và lưu huỳnh

nguyên chất thành SO4

2-1.11 KHẢ NĂNG CHUYỂN HÓA CÁC CHẤT LƯU

HUỲNH TRONG TỰ NHIÊN

 Năng lượng sinh ra trong quá trình oxy

hóa được VSV sử dụng để đồng hóa CO2

tạo thành đường.

 Các loài vi khuẩn có khả năng oxy hóa các

hợp chất lưu huỳnh là Thiobacillus

thioparus và Thiobacillus thioxidans.

 Ngoài ra còn có 1 số vi khuẩn có khả năng

oxy hóa các hợp chất S vô cơ là

Thiobacillus denitrificans và Begiatra

minima.

dưỡng quang năng.

 Oxy hóa H2S thành SO42-.

 Các vi khuẩn thuộc họ Thiodaceae

chlorobacteria thường oxy hóa H2S tạo

C6H12O6, H2SO4, S.

1.11 KHẢ NĂNG CHUYỂN HÓA CÁC CHẤT LƯU

HUỲNH TRONG TỰ NHIÊN

c Sự khử các hợp chất S vô cơ do VSV.

 Quá trình phản sulfat hóa là quá trình khử

các hợp chất S vô cơ thành H2S.

 Nhóm VSV tiến hành quá trình này gọi là

nhóm vi khuẩn phản sulfat hóa

 Chất hữu cơ đóng vai trò cung cấp hydro

trong quá trình khử SO4

 Vi sinh vật có khả năng oxy hóa khử làm

thay đổi trạng thái oxy hóa khử của kim loại và làm mất độc tính của kim loại

 Cơ chế giải độc kim loại được nghiên

cứu nhiều nhất là trường hợp giải độc

thủy ngân của Pseudomonas aeruginosa.

1.12 Vi sinh vật xử lý kim loại nặng

• Thủy ngân tồn tại ở 3 dạng oxy hóa khử HgO,

Hg+, Hg2+ Dạng Hg2+ có độc tính rất cao sẽ

được Pseudomonas aeruginosa chuyển thành

HgO nhờ tác dụng của enzym NADP – Hg2+

reductase.

Cơ chế kháng kim loại bao gồm:

• Cơ chế bơm kim loại độc ra khỏi tế bào, ngăn

ngừa sự nhiễm độc của tế bào

• Cơ chế khử độc bằng phản ứng oxy hóa khử,

biến kim loại từ trạng thái oxy hóa khử có độc tính cao thành dạng ít hoặc không có độc tính.