Nghiên cứu mô hình hoá quá trình khử photpho trong nước thải bằng phương pháp sinh học

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH HOÁ QUÁ TRÌNH KHỬ PHOTPHO TRONG NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC NGÀNH: CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG NGUYỄN THỊ VÂN ANH Người hướng dẫn khoa học:

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH HOÁ QUÁ TRÌNH KHỬ PHOTPHO TRONG NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC

NGÀNH: CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG

NGUYỄN THỊ VÂN ANH

Người hướng dẫn khoa học: TS ĐẶNG XUÂN HIỂN

HÀ NỘI 2005

NguyÔn ThÞ V©n Anh viÖn khoa häc c«ng nghÖ vµ m«i tr-êng

LỜI NÓI ĐẦU

Trong môi trường sống nói chung, vấn đề bảo vệ và cung cấp nước sạch cho sự sống của muôn loài sinh vật là vô cùng quan trọng Con người, các loài động thực vật trên trái đất không thể tồn tại và phát triển khi không có nước nhưng cũng không thể tồn tại và phát triển khi nguồn nước bị ô nhiễm Vì vậy việc bảo vệ và cung cấp nước sạch, việc thải và xử lý nước bị ô nhiễm trước khi đổ vào nguồn nước là một vấn đề bức xúc đối với toàn thể loài người Nguồn nước thải nếu không xử lý sẽ làm ô nhiễm nguồn nước mặt, ngấm vào nguồn nước ngầm, làm ô nhiễm các nguồn cung cấp nước sạch, làm ảnh hưởng môi trường sống, đến sức khoẻ cộng đồng những người chịu tác động trực tiếp bởi nguồn nước thải này

Trong nước giàu nguồn Nitơ và Photpho, đặc biệt là Photpho, sẽ là điều kiện rất tốt cho tảo phát triển Tảo phát triển làm cho nước có màu sắc, tảo phát triển còn gây cho nước có nhiều mùi khó chịu, như mùi cỏ, mùi mỡ ôi khét, mùi thối… Nhìn chung tảo không gây độc, nhưng sự phát triển không thể kìm hãm của chúng sẽ là nguyên nhân của sự mất cân bằng sinh thái trong nguồn nước chúng tồn tại, làm giảm lượng Oxy hoà tan trong nước Ngoài ra thân xác của chúng làm ách tắc cho bơm, lọc, đường ống, làm giảm độ keo tụ cặn và làm giảm chất lượng nước, đặc biệt về mầu và mùi… Ngoài ra, sự phát triển quá mức của tảo sẽ là nguyên nhân gây ra hiện tượng phú dưỡng cho nguồn nước, là nguyên nhân gây ra sự ô nhiễm thứ cấp Vì vậy cần phải xử lý Photpho tồn tại trong nguồn nước thải trước khi chúng được thải ra môi trường

Để xử lý nước thải chứa nhiều Photpho có nhiều phương pháp khác nhau, trong đó phổ biến nhất là phương pháp kết tủa hoá học và phương pháp

sinh học Trong luận văn tốt nghiệp với đề tài “Nghiên cứu mô hình hoá quá

trình khử Photpho trong nước thải bằng phương pháp sinh học” nhằm

nghiên cứu các quá trình sinh hoá xảy ra trong hệ thống xử lý Photpho bằng phương pháp sinh học, nghiên cứu các thành phần và các cấu tử tham gia vào quá trình này Từ đó thiết lập nên các phương trình cân bằng vật liệu cho các cấu tử trong hệ thống thông qua các biểu thức toán học biểu diễn mối quan hệ tương hỗ giữa các cấu tử và các quá trình áp dụng phương pháp số để giải bài toán cân bằng vật liệu với nồng độ các cấu tử đầu vào đã biết (số liệu thu từ thực nghiệm) và kết quả nhận được các thông số đầu ra của hệ thống xử lý lượng Photpho đã được xử lý Trên cơ sở kết quả nhận được, từ đó có thể đưa

ra quyết định, vận hành, điều khiển, kiểm soát hệ thống một cách tối ưu nhất, đánh giá hiệu xuất xử lý của hệ thống đang hoạt động và trợ giúp cho việc thiết kế công trình xử lý nước thải

Luận văn bao gồm các chương sau:

Chương I: Tổng quan về phương pháp xử lý sinh học

Chương II: Lý thuyết về quá trình khử photpho trong nước thải bằng phương pháp sinh học

Chương III: Mô hình hoá quá trình khử photpho bằng phương pháp sinh học

Chương IV: Áp dụng mô hình

NguyÔn ThÞ V©n Anh viÖn khoa häc c«ng nghÖ vµ m«i tr-êng

CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN

ADP Adenozin diphotphat

ATP Adenozin triphotphat

EMP Con đường Embden - Meyerhof - Parnas

NAD Nicotinamit adenin dinucleotit

PAOs Vi sinh vật tích luỹ photpho

PHA Poly - hydroxyalkanotes

PHB Poly - hydroxybutyrat

PHV Poly - hydroxyvalerat

TCA Chu trình Tricarboxylic acid (Chu trình Krebs)

VFA Axit béo bay hơi

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 2

CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN 4

MỤC LỤC 5

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ SINH HỌC 7

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

1.2 Vi sinh vật 9

1.2.1 Vi sinh vật trong quá trình xử lý sinh học 9

1.2.2 Nhu cầu chất dinh dưỡng cho sự phát triển vi sinh vật 11

1.2.3 Sự tăng trưởng của vi khuẩn 13

1.3 Enzim 15

1.4 Động lực học của quá trình xử lý 16

1.4.1 Tốc độ tăng trưởng của các vi khuẩn 16

1.4.2 ¶nh hưởng của sự hô hấp nội bào 18

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

1.5.1 Nhiệt độ 19

1.5.2 pH 20

1.5.3 ¶nh hưởng của oxi và chất nền được mô tả qua phương trình động học sau: 20

1.5.4 ¶nh hưởng của các chất kìm hãm 21

1.5.5 ¶nh hưởng của các chất độc 22

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT VỀ QUÁ TRÌNH KHỬ PHOTPHO TRONG NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC 23

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

2.2 Các phương pháp khử Photpho trong nước thải 26

2.2.1 Phương pháp kết tủa hoá học 26

2.2.2 Phương pháp sinh học 30

NguyÔn ThÞ V©n Anh viÖn khoa häc c«ng nghÖ vµ m«i tr-êng

2.3 Khử Photphor trong nước thải bằng phương pháp sinh học 35

2.3.1 Cơ chế hoá sinh 35

2.3.2 Vi sinh vật tích luỹ Photpho (PAOs) 44

2.3.3 Nguồn Cacbon 45

2.3.4 Các quá trình xử lý 46

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH HOÁ QUÁ TRÌNH KHỬ PHOTPHO BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC 56

3.1 Khái quát về mô hình hoá 56

3.1.1 Sơ lược về phương pháp mô hình hoá 56

3.1.2 Đặc điểm của phương pháp mô hình hoá 57

3.1.3 Vai trò của mô hình hoá trong lĩnh vực nghiên cứu về xử lý nước thải 58

3.2 Giới thiệu một số nghiên cứu về mô hình hoá ứng dụng trong công nghiệp 59

3.3 Mô hình hoá quá trình khử Photpho bằng phương pháp sinh học 61

3.3.1 Các cấu tử trong mô hình 61

3.3.2 Các thông số hệ số tỷ lượng trong mô hình 63

3.3.3 Các quá trình trong mô hình 64

3.3.4 Các mô hình 68

3.3.5 Xác định các thông số của mô hình 69

3.3.6 Thiết lập phương trình cân bằng vật liệu cho các cấu tử trong quá trình khử Photpho trong nước thải bằng phương pháp sinh học 75

CHƯƠNG 4: ÁP DỤNG MÔ HÌNH 91

4.1 Nồng độ các thành phần trong mô hình 91

4.2 Kết quả tính toán 95

TÀI LIỆU THAM KHẢO 100

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ SINH HỌC

1.1 NGUYÊN LÝ CHUNG CỦA QUÁ TRÌNH XỬ LÝ SINH HỌC

Các chất hữu cơ hoà tan, các chất keo và phân tán nhỏ sẽ được chuyển hoá bằng cách hấp phụ và keo tụ sinh học trên bề mặt của tế bào vi sinh vật Tiếp đó, trong quá trình trao đổi chất, dưới tác dụng của men nội bào, các chất hữu cơ sẽ bị phân huỷ Quá trình vi sinh vật tiêu thụ chất bẩn từ nước thải gồm ba giai đoạn sau:

+ Di chuyển các chất gây ô nhiễm từ pha lỏng tới bề mặt của vi sinh vật

do khuyếch tán đối lưu và phân tử

+ Di chuyển chất bẩn từ bề mặt ngoài tế bào qua màng bán thấm bằng khuyếch tán do sự chênh lệch nồng độ các chất ở trong và ngoài tế bào

+ Quá trình chuyển hoá các chất ở trong tế bào vi sinh vật với sự sản sinh năng lượng và quá trình tổng hợp các chất mới của tế bào với sự hấp thụ năng lượng

Nồng độ các chất ở xung quanh tế bào giảm dần, các thành phần thức ăn mới từ môi trường bên ngoài (môi trường nước thải) lại khuyếch tán và bổ xung thay thế Thường quá trình khuyếch tán trong môi trường chậm hơn quá trình hấp thụ qua màng tế bào nên nồng độ các chất dị dưỡng xung quanh tế bào bao giờ cũng thấp Song đối với sản phẩm của tế bào tiết ra thì nhiều hơn

so với những nơi xa tế bào

Giai đoạn hấp thụ và hấp phụ là cần thiết trong việc tiêu thụ chất hữu cơ của vi sinh vật song không phải có ý nghĩa quyết định trong quá trình xử lý nước thải mà đóng vai trò chủ yếu quyết định là quá trình diễn ra trong tế bào

vi sinh vật

NguyÔn ThÞ V©n Anh viÖn khoa häc c«ng nghÖ vµ m«i tr-êng

Hình 1.1: Quá trình chuyển hoá các chất hữu cơ khi ôxi hoá sinh hoá

1 Chất bẩn trước khi xử lý

2 Chất bẩn bị giữ lại trên bề mặt tế bào

3 Chất bẩn còn lại trong môi trường sau khi xử lý

4 Chất bẩn bị ôxi hoá trực tiếp thành CO2, H2O, H

5 Chất bẩn bị đồng hoá được tổng hợp để tăng sinh khối

6 Tự ôxi hoá của vi sinh vật thành CO2 và H2O do men hô hấp nội bào

7 Phần dư của vi sinh vật

Nước thải tiếp xúc bùn hoạt tính, một phần lớn chất bẩn bị giữ lại trên bề mặt tế bào, phần còn lại ra ngoài theo dòng ra, trong một phần chất bẩn bị giữ lại chỉ có một phần bị ôxi hoá hoàn toàn thành CO2 và H2O, một phần sẽ bị đồng hoá để tổng hợp tế bào tức là để sinh khối của vi sinh vật tăng lên Đồng thời, song song với quá trình đồng hoá trong tế bào vi sinh vật còn diễn ra quá trình dị hoá, phân huỷ các chất có trong tế bào sống Như vậy, một phần trong

số các chất sống đã được tổng hợp lại tự ôxi hoá

+ Oxy hoá các hợp chất hữu cơ:

CxHyOzN + (x + y/4 + z/3 + 3/4) O2 xCO2 + (y - 3)/2 H2O + NH3 + H +Tổng hợp để xây dựng tế bào:

Enzym

Enzym

CxHyOzN + NH3 + O2 C5H7NO2 + C2O + H2O + H +Hô hấp nội sinh:

+ Xét về hình dạng bên ngoài, vi khuẩn có thể chia ra thành 3 nhóm: Cầu khuẩn (đường kính 0,5 ~ 1,0m); Trực khuẩn (chiều dài: 0,5 ~ 1,0m; chiều rộng 1,5 ~ 3m); Xuắn khuẩn (dài 0,5 ~ 5; rộng 6 ~ 15m) Chúng có trong nước thải dưới dạng tụ tập lại thành màng mỏng như lưới hoặc liên kết với nhau thành khối như bông cặn Song cũng có loại vi khuẩn dạng sợi (filamentous) kết với nhau thành lưới nhẹ nổi lên bề mặt làm ngăn cản quá trình lắng ở bể lắng đợt 2

+ Công thức hoá học gần đúng của tế bào là C5H7NO2 Khi Photpho được xem xét thì công thức hoá học là C60H87O23N12P

+ Nhiệt độ nước thải có ảnh hưởng lớn đến quá trình hoạt động và sinh sản của vi khuẩn, phần lớn vi khuẩn hoại sinh hoạt động có hiệu quả cao và phát triển mạnh mẽ ở nhiệt độ 20 ~ 400C Một số loại vi khuẩn có trong quá trình xử lý cặn phát triển ở nhiệt độ 50 ~ 600C

Enzym

NguyÔn ThÞ V©n Anh viÖn khoa häc c«ng nghÖ vµ m«i tr-êng

+ pH của môi trường cũng là yếu tố chính trong sự phát triển của vi sinh vật, phần lớn vi khuẩn không thể chịu đựng được ở pH > 9,5 và pH < 4,5 Nhìn chung pH của sự phát triển vi khuẩn: pHOP = 6,5 ~ 7,5

b Nấm:

Phần lớn nấm là hiếu khí nghiêm ngặt, có khả năng tăng trưởng dưới độ

ẩm thấp và có thể chịu đựng môi trường với pH tương đối thấp (pH = 2 ~ 9;

pHOP = 5,6) Tuy nhiên, vì các kích thước lớn, tỷ trọng nhẹ, nấm nếu phát triển mạnh sẽ nổi lên trên mặt nước gây cản trở đến quá trình lắng ở bể lắng đợt hai

Có vai trò quan trọng trong quá trình xử lý sinh học vì:

+ Tảo có khả năng tạo ra ôxi nhờ phản ứng quang hợp Do đó, tảo cung cấp ôxi cho vi khuẩn hiếu khí và là cần thiết cho sự sống đối với sinh thái của môi trường nước

+ Do Nitơ và Photpho là nguồn thức ăn cho tảo nên khi Nitơ, Photpho nhiều sẽ dẫn đến sự phát triển mạnh mẽ của tảo gây ra hiện tượng phú dưỡng nên cần phải khử Nitơ, Photpho dưới nồng độ cho phép trước khi xả ra nguồn tiếp nhận

1.2.2 Nhu cầu chất dinh dưỡng cho sự phát triển vi sinh vật

+ Nguồn năng lượng và Cacbon: thường được gọi là chất nền, gồm có 2

sinh vật sử dụng Cacbon ở dạng hợp chất hữu cơ để tổng hợp tế bào gọi là sinh vật dị dưỡng, còn sử dụng Cacbon ở dạng CO2 thì được gọi là sinh vật tự dưỡng

Năng lượng cần thiết để tổng hợp tế bào có thể được cung cấp bởi ánh

sáng hoặc bởi phản ứng hoá học Những vi sinh vật có thể sử dụng ánh sáng

NguyÔn ThÞ V©n Anh viÖn khoa häc c«ng nghÖ vµ m«i tr-êng

như nguồn năng lượng được gọi là sinh vật quang dưỡng (phototrops) Sinh vật này có thể là dị dưỡng hoặc tự dưỡng (tảo và vi khuẩn quang hợp) còn những vi sinh vật mà năng lượng của chúng được lấy từ phản ứng ôxi hoá hoá học thì được gọi là sinh vật hoá dưỡng (chemotrops) Cũng như vi sinh vật quang dưỡng, sinh vật hoá dưỡng cũng có thể là dị dưỡng (động vật nguyên sinh, nấm, vi khuẩn) hoặc tự dưỡng (vi khuẩn nitrat) Những sinh vật hoá tự dưỡng nhận năng lượng từ sự ôxi hoá các hợp chất vô cơ như NH3, NO2-, SO2-còn sinh vật hoá dị dưỡng nhận năng lượng từ sự ôxi hoá các hợp chất hữu cơ

Bảng1.1: Phân loại vi sinh vật theo nguồn Cacbon và năng lượng Phân loại Nguồn năng lượng Nguồn Cacbon

Vi sinh vật tự dưỡng

Vi sinh vật quang tự dưỡng Ánh sáng CO2

Vi sinh vật hoá tự dưỡng Phản ứng ôxi hoá khử

hợp chất vô cơ

CO2

Vi sinh vật dị dưỡng

Vi sinh vật quang dị dưỡng Ánh sáng C- dạng hợp chất

Vi sinh vật hoá dị dưỡng Phản ứng ôxi hoá khử

hợp chất hữu cơ

C- dạng hợp chất

+Nhu cầu chất dinh dưỡng và nhân tố tăng trưởng:

- Chất dinh dưỡng vô cơ chủ yếu cần thiết cho vi sinh vật là: P, N, S, K,

Mg, Ca, Fe, Na, Cl Ngoài ra, còn cần những chất dinh dưỡng quan trọng thứ yếu khác bao gồm: Zn, Mn, Mo, Se, Co, Cu, Ni, V và W

- Chất dinh dưỡng hữu cơ (được biết như là các nhân tố cho sự tăng trưởng) gồm: aminoaxit, purin (C5H4N4), pirydin (C5H5N) và vitamin

Các nguyên tố N, P và K cần được đảm bảo một lượng cần thiết trong xử

lý sinh hoá Hàm lượng nguyên tố dinh dưỡng phụ thuộc vào thành phần của nước thải và tỷ lệ giữa chúng được xác định bằng thực nghiệm:

BOD : N : P = 100 : 5 : 1

1.2.3 Sự tăng trưởng của vi khuẩn

Vi sinh vật có thể nảy nở thêm nhờ sinh sản phân đôi, sinh sản giới tính

và nảy mầm nhưng chủ yếu chúng phát triển bằng cách phân đôi Thời gian phân đôi tế bào thường được gọi là thời gian sinh sản, có thể dao động từ 20 phút đến vài ngày

Vi khuẩn sẽ không thể tiếp tục sinh sản đến vô tận bởi những giới hạn môi trường khác nhau như nồng độ chất nền, nồng độ chất dinh dưỡng, pH, nhiệt độ thay đổi ra ngoài phạm vi tối ưu…

Hình 1.2: Quá trình tăng trưởng của vi sinh vật

Dựa trên đặc tính sinh lý và tốc độ sinh sản của vi sinh vật, quá trình phát triển của chúng được chia thành nhiều giai đoạn:

* Giai đoạn 1: Giai đoạn tiềm tàng

Vi sinh vật chưa thích nghi với môi trường và đang biến đổi để thích nghi Đến cuối giai đoạn này tế bào vi sinh vật mới bắt đầu sinh trưởng Các

tế bào mới chỉ tăng về kích thước nhưng chưa tăng về số lượng

NguyÔn ThÞ V©n Anh viÖn khoa häc c«ng nghÖ vµ m«i tr-êng

Tốc độ tăng trưởng của tế bào = 0

dt dX

* Giai đoạn 2: Giai đoạn luỹ tiến

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

dt

dX

tỷ lệ thuận với X

ma x

dX : Tốc độ tăng trưởng tế bào

max : Tốc độ tăng trưởng riêng lớn nhất

dt X

1 2

639 , 0 2 ln

* Giai đoạn 3: Giai đoạn chậm dần

Giai đoạn tương ứng với sự cạn kiệt của môi trường nuôi cấy cùng với

sự biến mất của một hoặc nhiều phần tử cần thiết cho sự tăng trưởng của vi sinh vật Trong một số trường hợp, giai đoạn này được gây ra do sự tích tụ các sản phẩm ức chế sinh ra trong quá trình chuyển hoá vi khuẩn Trong giai đoạn chậm dần X được tiếp tục tăng nhưng

dt

dX

lại giảm

* Giai đoạn 4: Giai đoạn ổn định

X đạt tới trị số cực đại Xmax, số tế bào mới sinh ra vừa đủ bù vào số tế bào già cỗi chết đi

* Giai đoạn 5: Giai đoạn suy giảm (hoặc các giai đoạn nội sinh)

Mật độ các tế bào giảm xuống vì các tế bào bị chết đi và tốc độ chết vượt

xa tốc độ sinh sản ra tế bào mới Trong giai đoạn này các vi sinh vật buộc phải thực hiện quá trình trao đổi chất bằng chính các nguyên sinh chất có trong tế bào vì nồng độ các chất dinh dưỡng cấp cho tế bào bị cạn kiệt

1.3 ENZIM

Enzym được coi là chất xúc tác sinh học quan trọng nhất để các quá trình chuyển hoá trong tế bào vi sinh vật xảy ra nhanh chóng do nó có cường lực xúc tác mạnh, mạnh hơn nhiều lần so với xúc tác thông thường Enzym được sinh ra trong các tế bào vi sinh vật, nó làm tăng tốc độ phản ứng lên nhiều lần

mà bản thân Enzym không bị biến đổi về thành phần hoá học

Cơ chế tác dụng của Enzym được giải thích theo các quan điểm hiện nay như sau: trong phản ứng có xúc tác Enzym, nhờ sự tạo thành phức trung gian Enzym-cơ chất (E-S) mà cơ chất được hoạt hoá Điều này có thể giải thích bởi

vì khi cơ chất kết hợp vào Enzym, do kết quả sự phân cực hoá, sự chuyển dịch các electron và sự biến dạng của các liên kết tham gia trực tiếp vào các phản ứng dẫn tới làm thay đổi động năng cũng như thế năng, kết quả làm cho

cơ chất hoạt động hơn, nhờ đó phản ứng chuyển hoá trong tế bào vi sinh vật

dễ dàng hơn Năng lượng hoạt hoá khi có xúc tác Enzym rất nhỏ so với khi không có Enzym xúc tác

Cơ chế của quá trình tạo phức - cơ chất, biến đổi thành sản phẩm, giải phóng Enzym thường trải qua 3 giai đoạn theo sơ đồ sau:

E + S ES P + E

* Giai đoạn 1: Enzim (E) kết hợp với cơ chất (S) bằng các liên kết yếu tạo thành phức Enzym-cơ chất (ES) không bền Phản ứng này xảy ra nhanh và đòi hỏi năng lượng hoạt hoá thấp

* Giai đoạn 2: Xảy ra sự biến đổi cơ chất dẫn tới sự kéo căng và phá vỡ các liên kết đồng hoá trị tham gia phản ứng

NguyÔn ThÞ V©n Anh viÖn khoa häc c«ng nghÖ vµ m«i tr-êng

* Giai đoạn 3: Tạo thành sản phẩm, Enzym được giải phóng dưới dạng

tự do và tiếp tục tham gia các phản ứng tiếp theo

Các loại liên kết và tương tác hình thành trong phức Enzym – Cơ chất là tương tác tĩnh điện, liên kết hyđrô, tương tác Val der Vaals

Trong phản ứng sinh hoá tuỳ theo tính chất mà người ta chia làm 2 loại Enzym:

* Enzym ngoại bào (extracellular enzym): Loại Enzym này thường được tạo ra khi xung quanh tế bào vi sinh vật là những cơ chất khó, không di chuyển qua màng tế bào được Nhờ sự hoạt hoá của các Enzym này mà cơ chất có thể khuyếch tán qua màng tế bào được dễ dàng hơn

* Enzym nội bào (intracellular enzym): Đây thực chất là các phản ứng chuyển hoá bên trong tế bào

Với sự có mặt của các Enzym tốc độ phản ứng chất nền đến sản phẩm cuối cùng tăng lên rất cao Tuy nhiên hoạt động của Enzym chịu ảnh hưởng rất nhiều vào các yếu tố môi trường, pH, nhiệt độ, nồng độ Enzym và nồng độ

cơ chất…

1.4 ĐỘNG LỰC HỌC CỦA QUÁ TRÌNH XỬ LÝ

Để đảm bảo cho quá trình xử lý sinh học diễn ra một cách hiệu quả phải tạo được điều kiện môi trường: pH, nhiệt độ, chất dinh dưỡng, chất nền, thời gian tốt nhất cho hệ vi sinh vật

1.4.1 Tốc độ tăng trưởng của các vi khuẩn

X

Trong đó:

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

 : Tốc độ tăng trưởng riêng (ngày -1)

X: Nồng độ vi sinh vật trong bể phản ứng hay nồng độ bùn hoạt tính (mg/l)

S K

S: Nồng độ chất nền giới hạn tăng trưởng (mg/l)

KS: Hằng số bán tốc độ, thể hiện ảnh hưởng của nồng độ chất nền tại thời điểm tốc độ tăng trưởng  =1/2  max

Hình 1.3: Đồ thị ảnh hưởng của nồng độ chất nền đối với sự tăng trưởng riêng của vi sinh vật

Vậy rg= X=

S K

NguyÔn ThÞ V©n Anh viÖn khoa häc c«ng nghÖ vµ m«i tr-êng

tế bào mới sinh ra lại hấp thụ chất nền và sinh sản tiếp nên có thể thiết lập mối quan hệ giữa tốc độ tăng trưởng và tốc độ dùng chất nền của vi khuẩn

Từ (1.3) và (1.4) Ta có:

).(

max

S K Y

X S Y

X S k

.

1.4.2 Ảnh hưởng của sự hô hấp nội bào

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

vi sinh vật có trong nước thải và gọi sự giảm khối lượng tế bào là do phân rã nội sinh

rd = - kd X (1.7)

X S

d S

k S K

r

r Y

NguyÔn ThÞ V©n Anh viÖn khoa häc c«ng nghÖ vµ m«i tr-êng

1.5.2 pH

Động lực học của pH được mô tả như sau:

 max (pH) =  max (pH op)

I K

2

max

S K

S S

K

S

S o S o



Trong đó:

 max: Tốc độ tăng trưởng riêng cực đại (ngày-1)

4S, So2: Nồng độ chất nền, oxi hoà tan (mgO2/l)

KO2, KS: Hằng số bão hoà đối với oxi, chất nền (mg/l)

Trong thực tế, nồng độ oxi hoà tan trong bể aeroten sẽ được duy trì 1,5 –

4 (mg/l) Và giá trị 2 mg/l là giá trị được sử dụng phổ biến, với giá trị nồng độ



oxi lớn hơn 4mg/l thì việc cải tiến hoạt động là không đáng kể nhưng chi phí cho sục khí lại tăng lên đáng kể

1.5.4 Ảnh hưởng của các chất kìm hãm

Các chất kìm hãm như chất độc, sản phẩm của phản ứng, sự dư chất nền

có thể gây độc, ức chế đến sự biến đổi hiếu khí

Sự ức chế của chất kìm hãm cạnh tranh:

 =

) 1 (

I S

m

K

I K

S

S

+ +

KS’: Hằng số bão hoà đối với sự cạnh tranh

KS: Hằng số bão hòa khi không có cạnh tranh

Ki: hằng số ức chế

i: Nồng độ chất ức chế (mg/l)

Sự ức chế của chất kìm hãm không cạnh tranh: ảnh hưởng đến động lực

học tăng trưởng bằng sự giảm tốc độ tăng trưởng riêng

 max ’=

I K

m

K I S K

S

+ +



Gồm:

* Sự kìm hãm của sản phẩm: Các sản phẩm của phản ứng có thể tác dụng như chất kìm hãm không cạnh tranh của enzim

*Kìm hãm do thừa chất nền:

NguyÔn ThÞ V©n Anh viÖn khoa häc c«ng nghÖ vµ m«i tr-êng

 =

I S m

K

S S

K +

+ 1

Các chất oxi hoá mạnh như: H2O2, KMnO4, O3, nước javen

Các axit, bazơ (gây nên sự thuỷ phân protit), CO, CN, H2S (rất độc vì chúng kết hợp với kim loại trong men hô hấp làm mất hoạt tính của các men này và quá trình hô hấp bị đình chỉ)

Các hợp chất hữu cơ như rượu, phênol Các thuốc nhuộm (tím gential, xanh metylen)

Photpho là nhân tố giới hạn sự sinh trưởng của rất nhiều vi sinh vật vì phần lớn Photpho trong tự nhiên tồn tại dưới dạng muối không tan như: muối nhôm, muối sắt và muối canxi không tan Các dạng sống trên trái đất phụ thuộc vào khả năng hoà tan của các Photphate không tan Đây là một quá trình mà vi sinh vật đóng vai trò quan trọng

Trong vỏ trái đất chứa 0,08% Photpho, hầu hết Photpho ở dạng Apatite, Apatite là CanxiPhotphate chứa Floride (Ca5(PO4)3).(F, Cl, OH)

Trong môi trường nước Photpho thường ở các dạng:

- Photpho cô đặc: tồn tại dưới dạng Pyro-, Meta- và Poly-Photphate

- OrthoPhotphate: tồn tại dưới dạng H3PO4, H2PO4-, HPO4-2, PO4-3

- Photpho hữu cơ: gắn với Cacbon và Oxi

NguyÔn ThÞ V©n Anh viÖn khoa häc c«ng nghÖ vµ m«i tr-êng

Pyro- Meta- Poly- Photphate cô đặc

H3PO4 H2PO4- HPO42- PO43- Ortho photphate Photpho liên kết với cacbon và oxy Photpho hữu cơ

Các Photphate này có thể ở dạng hoà tan hoặc dạng hạt hoặc là thành phần của mô động vật và thực vật

Dạng của OrthoPhotphate phụ thuộc vào pH môi trường, trong phạm vi pH=6

~ 8 thì dạng H2PO4- và HPO4-2 chiếm ưu thế Dạng OrthoPhotphate – muối Photphate của axit Photphoric H2PO4-, HPO4-2, PO4-3 có ở trong các loại phân bón hoặc cơ thể động vật, đặc biệt là tôm, cá thối rữa Photphate cô đặc được

sử dụng rộng rãi trong các loại chất tẩy rửa: PyrometaPhotphate-Na2(PO4)6, TripolyPhotphate-Na5P3O10, PyroPhotphate-Na4P2O7

Tất cả các dạng Poly-Photphate đều có thể chuyển hoá về Photphate trong môi trường nước, đặc biệt là ở điều kiện môi trường axit và nhiệt độ cao (nhất là gần điểm sôi)

Ortho-Photpho hữu cơ là thành phần trong chất thải con người và thức ăn dư thừa

Nguồn nước thải chứa Photpho:

- Nước thải từ phân động vật và con người

- Nước thải từ các quá trình công nghiệp có sử dụng các hợp chất Photphate

- Nước thải công nghiệp chứa nồng độ Photpho cao: Nhà máy chế biến thực phẩm (thịt, sữa, thuỷ sản), nhà máy sản suất phân bón, các quá trình giặt tẩy

Tổng hàm lượng Photpho trong nước thải:

 P = PHữu cơ + Ortho-P + Poly-P

Bảng 2.1: Photpho trong nước thải sinh hoạt chưa xử lý Dạng Photpho Trung bình,

mg/l

Phạm vi, mg/l Phạm vi,

g/người.ngày

* Ảnh hưởng của Photpho đối với hệ sinh thái

Ảnh hưởng của sự ô nhiễm Photpho sơ cấp trong nước là sự phì dưỡng bởi vì Photpho là dinh dưỡng giới hạn sự tăng trưởng của thực vật trong nước

tự nhiêm Nước thải chứa hàm lượng lớn Photpho hoà tan dẫn đến sự phì dưỡng nhanh hơn, kết quả là trong các hồ và các thuỷ vực sự tăng trưởng nhanh của tảo là nguyên nhân làm giảm tính trong của nước, giảm nồng độ oxi hoà tan phát sinh ra các mùi hôi thối, làm mất đi một số loài cá nhỏ và sự tăng trưởng nhanh của các sinh vật thuỷ sinh hoang dã ở các vịnh nông Các dòng chảy chứa độ đục lớn làm ngăn cản ánh sáng cần thiết cho sự quang hợp không phải là nguyên nhân chính tới sự phì dưỡng, tuy nhiên tại các cửa sông

và các dòng sông chảy chậm chưa bị ô nhiễm nếu được kết hợp với các nguồn thải sẽ bị ảnh hưởng bất lợi

Quá trình phì dưỡng hoá đóng vai trò quan trọng trong dây chuyền thực phẩm của hệ sinh thái nước

Trong nước, tảo sử dụng CO2, Ni tơ vô cơ, orthophotphat và các chất dinh dưỡng khác với lượng rất nhỏ để phát triển Tảo lại là thức ăn của động vật phù du Một số loại cá nhỏ ăn động vật phù du và rong tảo, một số loại cá lớn lại ăn loại các nhỏ Như vậy năng suất của dây chuyền thực phẩm phụ

NguyÔn ThÞ V©n Anh viÖn khoa häc c«ng nghÖ vµ m«i tr-êng

thuộc vào lượng N,P Khi nồng độ N, Photpho cao rong tảo phát triển mạnh tạo ra khối lượng lớn đến mức các loài động vật phù du không thể tiêu thụ hết, dẫn đến việc làm đục nước Việc phân huỷ tảo sẽ tạo ra mùi và tạo ra hầu hết các chất cặn lăng, gây ra giảm oxi hoà tan trong nước, từ đó gây cản trở cho việc phát triển hầu hết các loài cá

Tại Mỹ, nước thải từ xấp xỉ khoảng 55% dân số được thải thẳng vào đại dương hoặc các hệ thống sông chính, những dò sông đó cũng đổ trực tiếp vào đại dương Khoảng 30% dân số sống ở vùng nông thôn không có hệ thống cống rãnh công cộng Điều này dẫn đến chỉ 15% dòng nước thải được đưa vào các hồ nội địa với ngy cơ sự phì dưỡng Trước dây các hoạt động để giải quyết sự ô nhiễm Photpho là xử lý nước thải trước khi xả trực tiếp vào các hồ

và sông hoặc suối

2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP KHỬ PHOTPHO TRONG NƯỚC THẢI

Có nhiều phương pháp xử lý Photpho trong nước thải, trong đó phổ biến nhất là phương pháp kết tủa hoá học và phương pháp sinh học Quá trình xử

lý Photpho có thể hoặc sử dụng riêng từng phương pháp trên hoặc kết hợp cả hai phương pháp này

2.2.1 Phương pháp kết tủa hoá học

Kết tủa hoá học trong xử lý nước thải là quá trình bổ sung hoá chất để thay đổi trạng thái vật lý của các chất rắn lơ lửng và các chất hoà tan để có thể loại bỏ dễ dàng bằng lắng cặn hoặc tuyển nổi, Photpho được gắn kết vào các chất rắn lơ lửng và được loại bỏ ra khỏi nước thải

Các chất hoá học phổ biến nhất là Al2(SO4)3, FeCl2, FeCl3, Fe2(SO4)3 và sữa vôi Các Polyme cũng được sử dụng trong việc liên kết với các muối nhôm và sắt

• Dùng hoá chất sữa vôi, Ca(OH)2:

Khi cho sữa vôi vào nước thải, vôi sẽ làm tăng pH và phản ứng kiềm Cacbonat tạo ra kết tủa Canxicacbonat theo phản ứng sau:

Ca+2 + OH- + HCO3- = CaCO3 + H2O Ion Ca+2 cũng phản ứng với OrthoPhotphate, với sự có mặt của OH- tạo

ra keo Canxihydroxyapatite theo phản ứng sau:

5Ca+2 + 4OH- + 3HPO4-3 = Ca5(OH)(PO4)3 + 3H2O

Để loại bỏ phần lớn Photpho trong nước thải giá trị pH thích hợp pH = 9.5 ~ 11.5, liều lượng vôi cần thiết phụ thuộc vào độ kiềm, nồng độ Photpho trong nước thải và mức độ yêu cầu xử lý

• Dùng hoá chất muối nhôm, Al(SO4)3:

Khi cho muối nhôm vào trong nước thải, ion nhôm sẽ phản ứng với ion Photphate theo phản ứng sau:

Al2(SO4)3.14,3H2O + 2PO4-3 = 2Al(PO4) + 3SO4-2 + 14,3H2O Ngoài ra ion nhôm cũng phản ứng với độ kiềm trong nước thải theo phương trình sau:

Al2(SO4)3.14,3H2O + 6HCO3- = 2Al(OH)3 + 3SO4-2 + 6CO2 + 14,3H2O

• Dùng hoá chất muối sắt, FeCl3:

Phản ứng của muối sắt với Photpho trong nước thải theo phương trình sau:

FeCl3.6H2O + PO4-3 = Fe(PO4) + 3Cl- + 6H2O FeCl3.6H2O + 3HCO3- = Fe(PO4) + 3CO2 + 3Cl- + 6H2O Các chất hoá học có thể được đưa vào tại nhiều vị trí khác nhau trong dây chuyền xử lý Phụ thuộc vào vị trí bổ xung hoá chất mà các quá trình có

thể được gọi bằng các tên khác nhau: kết tủa trực tiếp, tiền kết tủa, kết tủa

đồng thời hoặc hậu kết tủa Và có thể kết hợp tất cả các phương pháp trên tạo

thành phương pháp xử lý từng phần Quá trình kết tủa hoá học có thể loại bỏ 95% Photpho trong nước thải và đạt được nồng độ đầu ra thấp (< 0,5 mg P/ lít)

NguyÔn ThÞ V©n Anh viÖn khoa häc c«ng nghÖ vµ m«i tr-êng

Phương pháp này có nhược điểm:

- Tạo ra lượng bùn lớn

- Chi phí cho hoá chất cao

- Ảnh hưởng tiêu cực đến hệ sinh thái do nồng độ các muối nhôm và muối sắt gây ra

P

Lắng cuối

P

Lắng

sơ bộ

Quá trình sinh học

Hoá chất

Lắng cuối

Lắng

sơ bộ

Quá trình sinh học

Hoá chất

Dòng ra

NguyÔn ThÞ V©n Anh viÖn khoa häc c«ng nghÖ vµ m«i tr-êng

- Quá trình đồng hoá Photpho thông thường

- Quá trình kết tủa hoá học, trung gian sinh học

P

Lắng

sơ bộ

Quá trình sinh

học

Hoá chất

Trong quá trình xử lý sinh học nước thải sinh hoạt bằng quá trình bùn hoạt tính, cacbon hữu cơ có mặt trong nước hoặc được tổng hợp thành tế bào sinh vật hoặc được oxy hoá thành CO2

Năm 1979, theo Riding và cộng sự, thành phần tỷ lượng của vi sinh vật

và thành phần nước thải chỉ có 20 ~ 30% Photpho trong nước thải được loại

bỏ trong quá trình đồng hoá Photpho thông thường

Theo lý thuyết, nhu cầu BOD trong quá trình bùn hoạt tính đạt hiệu quả nếu mối quan hệ C : N : P = 100 : 5 : 1 Thông thường trong nước thải sinh hoạt thì mối quan hệ này xấp xỉ 100 : 17 : 5 Hai mối quan hệ này chỉ ra rằng 80% Photpho không được loại bỏ Thông thường hàm lượng Photpho trong bùn chiếm 2 ~ 3% trọng lượng khô của bùn, khi sinh khối chứa 2,25% Photpho thì thành phần của sinh khối là C60H24N12O24P

2.2.2.2 Kết tủa hoá học, trung gian sinh học

Trong suốt cuối những năm 60 và giữa những năm 70 của thế kỷ trước, việc nghiên cứu cơ chế khử Photpho bằng sinh học được tập trung vào việc thiết lập về bản chất hoặc khử bằng sinh học mang tính cơ bản hoặc khử bằng hoá học Khử Photpho trong quá trình bùn hoạt tính có thể là kết quả của sự kết tủa đồng thời khi trong nước thải có mặt các cation Ca, Fe, Al, Mg và Zn Năm 1973, Ferguson và cộng sự đã nghiên cứu sự kết tủa Photphate bằng Canxi tại giá trị pH thấp và nhận thấy sự kết tủa có thể xảy ra tại pH = 8 trong quá trình bùn hoạt tính

Năm 1985, Arvin đã cho rằng sự kết tủa đồng thời trong quá trình bùn hoạt tính là kết quả của sự có mặt các cation trong nước thải, thông thường các cation trong nước thải với lượng như sau:

Bảng 2.2: Khả năng khử Photpho bằng kết tủa hóa học (Theo Arvin 1985)

Cation Nồng độ

trong nước thải

Phần bị xử lý (mg / l)

Tỷ lệ mol Cation /

P bị xử lý (mmol)

NguyÔn ThÞ V©n Anh viÖn khoa häc c«ng nghÖ vµ m«i tr-êng

Tổng 0.19 mmol tương đương 6 mg / l được loại bỏ

Năm 1985, Arvin và Holin-Kristensen đã kết luận rằng khử Photpho trong quá trình bùn hoạt tính, phần từ tích luỹ Poly-P và đồng hoá Photpho thông thường, có thể được giải thích bởi sự kết tủa khối thông thường, kết tủa khối tăng tiến (được điều hoà mang tính sinh học) và kết tủa màng sinh học Kết tủa Photphate trong màng sinh hoc khử Nitrat đã được chứng minh bằng thực nghiệm bởi Arvin và Holin Kristensen vào năm 1983 Cơ chế có thể được giải thích bằng thực tế rằng: Quá trình khử Nitrat tạo ra sự tăng pH bên trong màng sinh học, tạo ra tác nhân kết tủa Canxi Photphate Tỷ lệ mol Canxi và Photphate = 1.7 và hàm lượng Photphate trong màng chiếm 9.3% trọng lượng khô Kết tủa khối tăng tiến là hệ quả của nồng độ Photpho tăng trong pha yếm khí dẫn đến sự giải phóng Photpho

Nồng độ Photpho trong hệ thống càng cao, tốc độ kết tủa ở trạng thái kết tủa Photpho động học càng nhanh Để đạt tới việc khử Photpho thực thì pH, hoạt tính của Canxi và các nhân tố khác phải sao cho Photpho ở dạng kết tủa trong pha khoáng không bị hoà tan trở lại được trong giai đoạn hiếu khí Hình 2.1 giải thích cơ chế kết tủa khối tăng tiến

Vi sinh vật chứa Poly-P đóng vai trò như là một bơm Photpho trong hệ thống, bơm Photpho từ khối lỏng của bể hiếu khí tới bể yếm khí, nơi mà một phần của nó kết tủa và tích luỹ trong pha vô cơ (pha khoáng)

NguyÔn ThÞ V©n Anh viÖn khoa häc c«ng nghÖ vµ m«i tr-êng

Hình 2.1 Sơ đồ Photphate tích luỹ trong pha khoáng được điều hoà sinh học bởi PAOs, (theo Arvin và Holm – Kristensen 1983)

Arvin và Holmn – Kristensen (1985) đã tìm ra rằng: 50 ~ 60% Photphate trong bùn được kết tủa khi nghiên cứu hai hệ thống xử lý Photpho bằng phương pháp sinh học theo mẻ Các cation chiếm ưu thế trong Photphate kết tủa là Ca2+ và Mg2+ Fukase và cộng sự (1985) đã cho thấy có một lượng lớn Photphate liên kết với các kim loại trong bùn Lý do cho phản ứng tự sinh này

là nồng độ Photpho và các cation tăng, kết hợp với độ kiềm cao đã kích thích

sự kết tủa trong vùng hiếu khí

Miya và cộng sự (1987) đã ủng hộ thuyết của Arvin (1983) về sự kết tủa được điều hoà mang tính sinh học Qua các thí nghiệm họ đã kết luận rằng: sự kết tủa Photpho cũng có thể xảy ra dưới những điều kiện yếm khí, đặc biệt nếu nồng độ Photpho trong pha lỏng của bùn là cao

2.2.2.3 Quá trình hấp thụ sinh học

VSV trong bùn

Photpho

Dòng ra P Dòng vào

Pha vô cơ trong bùn

Xem chi tiết phần: 2.3 Khử Photpho trong nước thải bằng phương pháp sinh học

2.3 KHỬ PHOTPHOR TRONG NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC

2.3.1 Cơ chế hoá sinh

Levin và Shapiro (1965) là những người đầu tiên đưa ra cơ chế hoá sinh

về quá trình hấp thụ Photpho dư thừa Họ cho rằng: quá trình hấp thụ là quá trình sinh học đi theo con đường Emden – Meyerhof kết hợp với chu trình Krebs Họ cũng cho rằng một số nấm, tảo và vi khuẩn có thể tích luỹ Photpho trong chuỗi dài Poly- P vô cơ gọi là các hạt hay là các Volutin

Harold (1966) đã đưa ra các tài liệu nghiên cứu về Poly-P trong tế bào vi khuẩn dưới quan điểm vi sinh vật Ông đã khẳng định rằng: việc tích luỹ Poly-P nhằm phục vụ cho chức năng tích luỹ Photpho hay tích luỹ năng lượng thì chưa thật rõ ràng song có một điều chắc chắn là chỉ có một con đường duy nhất sinh tổng hợp chuỗi dài Poly-P và đó là phản ứng được xúc tác bởi Enzym polyphotphate kinaza, trong đó nhóm Photphoryl cuối cùng của ATP được chuyển tới Poly-P theo phương trình sau:

Fuhs và Chen (1975) cho rằng: trong điều kiện yếm khí đã thiết lập một

hệ vi thực vật yếm khí và tạo ra các sản phẩm như là Etanol, Acetat, Sucinat

Enzym

NguyÔn ThÞ V©n Anh viÖn khoa häc c«ng nghÖ vµ m«i tr-êng

Các chất này như là một nguồn Cacbon cho vi khuẩn Acineto bacter spp

Trong mỗi giai đoạn yếm khí thì có hệ vi thực vật khác nhau và cho các sản phẩm khác nhau

Nicholls và Osborn (1979) đã phát triển mô hình hoá sinh mở rộng thuyết của Harold, mô hình có thể được mô tả như là một mô hình sống còn

Họ đã thừa nhận rằng: sự tích luỹ Poly-P là sự phản ứng lại của vi sinh vật đối với áp lực của quá trình yếm khí và Poly-P tích luỹ đó sẽ giúp cho vi sinh vật tồn tại trong môi trường yếm khí Họ cũng nhận thấy rằng Poly- hydroxy butyrat (PHB) đóng vai trò quan trọng đối với sự sống còn của vi sinh vật trong vùng yếm khí Khả năng tạo PHB là cơ sở cho sự sống còn đối với vi khuẩn hiếu khí khi chúng được đặt vào môi trường yếm khí tạm thời

Rensink và cộng sự (1981) đã giả thiết rằng: vi sinh vật tích luỹ Cacbon

từ các axit béo dễ bay hơi mạch ngắn dưới điều kiện yếm khí ở dạng PHB Năng lượng cho sự tổng hợp PHB được lấy từ quá trình phân giải Poly-P thành Ortho-Photphate dạng thuỷ phân

Những kết quả nghiên cứu của Fuhs và Chen (1975), Nicholls và Osborn (1979), Rensink, Donker và De Vries (1981), Maraias, Loewenthan và Siebritz (1983) không giải thích đầy đủ cơ chế sinh học Tuy nhiên, họ đã đưa

ra một mô hình hoá sinh thô sơ có thể được mô tả như sau: Quá trình tiếp nối yếm khí – hiếu khí thuận lợi cho sự sinh trưởng của vi sinh vật Mô hình được tổng kết trong sơ đồ sau:

Trong môi trường yếm khí:Chuỗi poly photphate trong tế bào vi sinh vật được thuỷ phân thành orthophotphate Quá trình này tạo ra năng lượng cần thiết cho vi sinh vật tích luỹ photpho (PAOs) tích luỹ cacbon dưới dạng PHB Như vậy trong điều kiện yếm khí Photpho được thải vào trong môi trường Trong môi trường hiếu khí, thiếu khí: Cacbon tích luỹ được sử dụng tạo năng lượng cho sự tăng trưởng của vi sinh vật và hấp thụ photpho dư thừa trong nước thải Như vậy trong điều kiện hiếu khí Photpho được tích luỹ trong

vi sinh vật

Mô hình sinh hoá này là nền tảng để hiểu rõ hơn cơ chế hoá sinh Một vài mô hình hoá sinh mô tả cơ chế khử Photpho bằng phương pháp sinh học

đã được phát triển, một trong số mô hình đó là mô hình Comeau và Mino Mô

Thời gian lưu

Môi trường yếm khí Môi trường hiếu khí

NguyÔn ThÞ V©n Anh viÖn khoa häc c«ng nghÖ vµ m«i tr-êng

hình Comeau mô tả quá trình trao đổi chất của PAOs trong điều kiện yếm khí

và hiếu khí Mô hình Mino được phát triển dựa trên Comeau và cộng sự (1985) Mô hình Comeau dựa trên vi sinh vật Acinetobacterspp như là vi sinh vật tích luỹ Photpho, trong khi đó mô hình Mino được dựa trên các kết quả thí nghiệm theo mẻ trong phòng thí nghiệm

• Mô hình trao đổi chất của PAOs trong điều kiện yếm khí (theo

ở dạng ion Mỗi Acetat khuyếch tán vào trong tế bào, sau đó phân ly sẽ tạo ra một ion H+ làm pH giảm Các PAOs sẽ dùng nguồn dự trữ Poly-P để ổn

định pH một cách trực tiếp hoặc qua con đường tạo ra ATP

Hình 2.2: Mô hình trao đổi chất của PAOs trong điều kiện yếm khí (theo Comeau 1990)

H+

Photphate thải ra đóng một vai trò bị động và tốc độ Photphate thải ra sẽ phản ánh tốc độ sử dụng Poly-P của PAOs Phạm vi tích luỹ Acetat của PAOs

sẽ phụ thuộc vào hàm lượng có sẵn của Poly-P Poly-P được dùng để ổn định

pH hoặc cho phép hấp thụ Acetat nhiều hơn

Nguồn dự trữ Poly-P cũng có thể cung cấp năng lượng cho sự hình thành Acetyl CoA Acetyl CoA có thể được tạo ra một cách trực tiếp từ Acetat hoặc qua con đường tạo thành Acetyl Photphate Trong cả hai trường hợp năng lượng đều đòi hỏi dưới dạng ATP

• Quá trình hình thành PHB từ Acetyl CoA:

O ||

CH 3 – C ~ S CoA

(Acetyl CoA)

CH 3 O | //

O = C – CH 3 – C ~ S CoA

CH 3 O CH 3 O CH 3 O | || || || | ||

CH 3 O | ||

HO – CH – CH 2 – C – ( - hydroxylbutyrat)

O = C – CH 2 – C – (Acetoacetat)

HS CoA

NguyÔn ThÞ V©n Anh viÖn khoa häc c«ng nghÖ vµ m«i tr-êng

Trong quá trình tổng hợp PHB yêu cầu có NADH, NADH có thể được tạo ra qua chu trình TCA (chu trình Krebs) trong môi trường yếm khí Khi Acetyl CoA được cấp vào chu trình, sự chuyển hoá Acetat thành PHB với quá trình trao đổi chất của Acetat qua chu trình TCA cụ thể được mô tả bằng công thức sau:

9nAc + 9nATP + CoASH C4H6O2)4nCoA + 9nADP + 9nPi + 2nCO2

Qua công thức trên cho thấy: Một Acetat được sử dụng và một ATP được yêu cầu sẽ tạo ra một ADP và một Pi Tỷ lệ mol lý thuyết về sự hấp thụ acetat và thải Photpho: Acetat : thải P = 1 : 1

• Mô hình trao đổi chất của PAOs trong điều kiện hiếu (thiếu) khí:

Khi xâm nhập vào vùng yếm khí hoặc thiếu khí, PAOs sẽ tích luỹ PHA

và nguồn dự trữ Poly-P sẽ bị giảm đi

Dưới những điều kiện hiếu khí với O2 có sẵn, vi sinh vật sẽ tạo ra năng lượng bằng sự chuyển vận electron Photphoryl hoá đi kèm với việc tạo ra ATP Tỷ lệ ATP : ADP sẽ tăng và sự hình thành Poly-P từ ATP bắt đầu

ADP + H3PO4 ATP

ATP + (Pi)n ADP + (Pi)n+1

PAOs phân huỷ nguồn dự trữ PHA để tạo năng lượng Điều kiện đó sẽ được thực hiện bởi sự phân huỷ PHA thành Acetyl CoA, chất mà được cấp vào chu trình trao đổi chất TCA Năng lượng được tạo ra ở dạng NADH, năng lượng náy được dùng để tạo ra động lực Protm (lực chuyển protm H+: gmt), gmt có thể được dùng vận chuyển Photphate và tạo thành ATP Sau đó ATP

sẽ được dùng cho sự tăng trưởng vi sinh vật và tích luỹ Poly-P