1. Khái niệm.
- Vi sinh vật là những tổ chức vi sinh vật rất nhỏ bé, có thể tập hợp lại thành một quần thể lớn hơn gồm những loài khác nhau, dưới những hình thức đơn phân tử, đa phân tử hoặc một nhóm phân tử. Có thể nói phần lớn các vi sinh vật đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình chuyển hóa sinh hóa, chúng có tác dụng làm giảm các chất hữu cơ (BOD,COD) trong nước thải, đồng thời góp phần làm ổn định chất hữu cơ trong dòng chảy.
- Tuy vi sinh vật có kích thước nhỏ bé nhưng chúng có năng lực hấp thu và chuyển hóa vượt qua các sinh vật khác, chẳng hạn như 01 vi khuẩn Lactic (Lactobacillus) trong 01 giờ có thể phân giải được 01 lượng đường Lactose lớn hơn 100 - 10.000 lần so với khối lượng của chúng... Chẳng hạn như: 01 trực khuẩn đại tràng (Escherichia coli) trong các điều kiện thích hợp chỉ sau 12 - 20 phút, lại phân cắt một lần, nếu lấy hệ thời gian là 20 phút/lần, thì mỗi giờ phân cắt 3 lần, sau 24 giờ phân cắt được 72 lần và tạo ra khối lượng tương tương 4.722tấn. Trong tự nhiên không có được các điều kiện tối ưu như: Lượng cơ chất dinh dưỡng (thức ăn), Lượng oxy hòa tan, Môi trường tồn tại thích nghi & sinh trưởng tối ưu...
2. Thức ăn của vi khuẩn.
- Hầu hết các vi sinh vật đều cần tới nguồn thức ăn & dưỡng chất, thức ăn của hầu hết vi khuẩn chủ yếu là: Carbon, Nitrogen, Phosphorus và các chất hữu cơ... Cần lượng oxy để phân chia các tế bào và các yếu tố như: nhiệt độ và pH cũng hết sức quan trọng đối với hệ vi khuẩn trong Hệ thống xử lý nước thải.
- Đại đa số các vi khuẩn đóng vai trò quan trọng trong việc phân hủy chất hữu cơ,biến chất hữ cơ thành chất ổn định, tạo thành các bông cặn dễ lắng.
Vi khuẩn + Chất hữu cơ, oxy (Điều kiện thích hợp) --------> Bông bùn ----------> Lắng.
3.Vi khuẩn ký sinh và vi khuẩn hoại sinh.
- Vi khuẩn ký sinh (Paracific bacteria) là vi khuẩn sống bám vào giá mang dính bám hay vật chủ, thức ăn của nó là thức ăn đã được vật chủ đồng hóa, chúng thường sống trong đường ruột người, động vật và đi vào nước thải theo đường bài tiết thông qua phân & nước tiểu.
- Vi khuẩn hoại sinh (Saprophytic bacteria) dùng chất hữu cơ làm thức ăn, nó phân hủy cặn hữu cơ làm chất dinh dưỡng để tồn tại, sinh trưởng & sinh sản rồi bài tiết cặn hữu cơ có cấu tạo đơn giản & cặn vô cơ.
- Bằng quá trình hoạt động như vậy, vi khuẩn hoại sinh đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong việc làm sạch nước thải. Có rất nhiều loại vi khuẩn hoại sinh, mỗi loài đóng vai trò đặc biệt trong quá trình phân hủy hoàn toàn cặn hữu cơ có trong nước thải và mỗi loài sẽ chết khi hoàn thành chu trình tồn tại, chuyển hóa, sinh trưởng & sinh sản.
- Tất cả các vi khuẩn ký sinh & hoại sinh cần có thức ăn và oxy để đồng hóa. Khi duy trì các điều kiện môi trường: Dưỡng chất (thức ăn), oxy, pH, nhiệt độ... thích hợp để vi khuẩn phát triển thì hiệu quả xử lý sinh học trong công trình sẽ đạt hiệu quả cao.
- Trong nước thải các vi sinh vật có mối quan hệ rất phức tạp với nhau. Quan hệ cạnh tranh đã có ảnh hưởng quyết định đến thành phần vi sinh vật. Nếu hệ vi sinh vật có hại phát triển và áp đảo các vi sinh vật có lợi thì việc tạo bông bùn & lắng cặn không đạt hiệu quả. Vì vậy, việc bổ sung ngay từ đầu các lợi khuẩn cùng bùn cơ chất vào hệ thống xử lý nước thải được xem như một bước quan trọng - hiệu quả cao.
- Sản phẩm vi sinh hiếu khí Bio_Feeda bao gồm các vi sinh vật có lợi đảm bảo đáp ứng được điều kiện khởi tạo và bổ sung duy trì ổn định hệ vi sinh hiếu khí trong hệ thống xử lý nước thải điển hình & đặc thù.
4. Sự tăng trưởng của tế bào sinh vật
- Sự sinh trưởng của vi sinh vật là quá trình sinh sản (tăng số lượng, kích thước tế bào) và tăng sinh khối (tăng trọng lượng) quần thể vi sinh vật. Hiệu quả của sự dinh dưỡng (đồng thời là sự giảm BOD, COD, TOC,..) là quá trình tổng hợp các bộ phận của tế bào và tăng sinh khối. Tất cả những biến đổi về hình thái, sinh lý trong tế bào được tổng hợp thành khái niêm phát triển.
- Trong quá trình xử lý nước thải sự sinh trưởng cũng là sự tăng số lượng tế bào và sự thay đổi kích thước tế bào được phản ảnh qua sự tăng sinh khối của hệ vi sinh vật. Tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật phụ thuộc vào điều kiện bên ngoài, đặc tính sinh lý hóa và trạng thái hoạt động của tế bào. Vi sinh vật sinh sản chủ yếu bằng cách nhân đôi tế bào.
Nuôi cấy tĩnh/nuôi cấy theo mẻ.
- Đây là phương pháp mà trong suốt thời gian nuôi cấy không thêm chất dinh dưỡng cũng như không loại bỏ các sản phẩm cuối cùng của quá trình trao đổi chất. Sự sinh trưởng/sự tăng trưởng sinh khối của vi sinh vật biểu thị bằng lượng bùn hoạt tính X (mg/lít) theo thời gian t, được thể hiện bằng 5 giai đoạn.
Giai đoạn 1: Giai đoạn làm quen/phase tiềm phát/phase lag.
- Phase Lag bắt đầu từ khi nuôi cấy đến khi vi sinh vật bắt đầu sinh trường. Trong phase này nồng độ bùn X=Xo (Xo là sinh khối ở thời điểm t=0 giây). Tốc độ sinh trưởng rg = dX/dt = 0.
- Thời gian để tăng gấp đôi số lượng vi sinh vật tối thiểu được gọi là thời gian sinh trưởng/thời gian thế hệ thường là 20 phút có khi đến vài ngày. Khi chất dinh dưỡng cạn kiệt, pH và nhiệt độ... của môi trường thay đổi vượt ra ngoài các trị số tối ưu thì quá trình sinh trưởng & sinh sản bị dừng lại.
- Gần cuối giai đoạn này tế bào vi sinh vật mới bắt đầu sinh trưởng tức tăng về kích thước, thể tích & trọng lượng do tạo ra nhiều Protein, Acide Nucleic, Men enzymes Proteinaza, Amilaza nhưng chưa tăng về số lượng.
Giai đoạn 2: Giai đoạn sinh sản theo cách nhân đôi tế bào (theo cấp số nhân)/giai đoạn lũy tiến hay phase sinh trường Logarit/phase số mũ (Phase Log).
- Trong Phase Log chất dinh dưỡng đáp ứng đầy đủ cho vi sinh vật sinh trưởng và phát triển theo lũy thừa. Sinh trưởng & sinh sản đạt mức độ cao nhất. Sinh khối và khối lượng tế bào tăng theo phương trình: N = N0 x 2n
n: Số lần phân chia tế bào của No tế bào ban đầu.
X: Tốc độ sinh trưởng tăng tỷ lệ thuận với X.
Từ đó, có đường cong hàm mũ) theo phương trình động học: rg = dX/dt = µ.X.
Trong đó:
rg: Tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật (mg/l.s);
X: Nồng độ sinh trưởng hay tốc độ sinh trưởng riêng vi sinh vật (l/s).
X: Nồng độ sinh khối/ nồng độ bùn (mg/l);
µ: Hằng số tốc ñộ sinh trưởng hay tốc ñộ sinh trưởng riêng Vi sinh vật(1/s).
Giai đoạn 3: Giai đoạn sinh trưởng chậm dần/phase sinh trưởng chậm dần.
- Trong giai đoạn này dưỡng chất trong môi trường đã giảm sút và bắt đầu cạn kiệt cùng với sự biến mất của một hay vài thành phần cần thiết cho sự sinh trưởng hoặc do môi trường tích lũy các sản phẩm gây ức chế và kìm hãm vi sinh vật được sinh ra trong quá trình chuyển hóa sinh hóa nội bào trong tế bào ở phase Log. Sự sinh sản của vi sinh vật dần tiệm cận tùy thuộc vào sự giảm nồng độ các dưỡng chất. Vi sinh vật tiếp tục tăng nhưng tốc độ sinh trưởng giảm dần từ giai đoạn tăng trưởng sang giai đoạn hoạt động ổn định & đạt mức cân bằng ở cuối phase.
Giai đoạn 4: Giai đoạn sinh trưởng ổn định/phase ổn định.
- Chất dinh dưỡng trong pha này có nồng độ thấp,nhiều sản phẩm của quá trình trao đổi chất được tích lũy.Vi sinh vật đạt mức tối đa,số lượng tế bào đạt cân bằng.Sự sinh trưởng dùng lại,cường độ trao đổi chất giảm rõ rệt.
Giai đoạn 5: Giai đoạn suy tàn/phase suy vong/phase oxy hóa nội bào.
- Trong giai đoạn này sinh khối bùn bị suy giảm bởi quá trình oxy hóa diễn ra. Trong giai đoạn này số lượng tế bào có khả năng sống giảm theo lũy thừa, các tế bào bị chết & tỷ lệ chết hoặc mất hoạt động cứ tăng dần lên bởi nguyên nhân chính là dưỡng chất đã quá suy giảm hoặc đã cạn kiệt. Sự tích lũy sản phẩm trao đổi chất có tác động ức chế, kìm hãm và đôi khi tiêu diệt cả vi sinh vật. Các điều kiện môi trường lý, hóa, sinh môi trường thay đổi không thuận lợi cho tế bào một cách tự nhiên theo quy luật phát triển của tế bào...
- Quá trình nuôi cấy tĩnh vi sinh vật được ứng dụng trong công nghệ xử lý nước thải với điều kiện tĩnh và hoạt hóa bùn. Giá trị các thông số của quá trình phát triển vi sinh vật phụ thuộc vào các loài vi sinh vật, hàm lượng cơ chất nền, nhiệt độ môi trường, pH mà các vi sinh vật tồn tại trong đó.
Nuôi cấy liên tục/dòng liên tục.
- Ngược lại, với quá trình nuôi cấy tĩnh, nuôi cấy liên tục là phương pháp mà trong suốt thời gian nuôi cấy liên tục cho thêm dưỡng chất mới bổ sung, đồng thời tiến hành loại bỏ các sản phẩm cuối cùng của quá trình trao đổi chất ra khỏi môi trường nuôi cấy. Do đó, vi sinh vật luôn luôn ở trong điều kiện ổn định về dưỡng chất cần thiết, cũng như sản phẩm trao đổi chất & tốc độ sinh trưởng, sinh sản phụ thuộc vào tốc độ cung cấp dưỡng chất. Quá trình nuôi cấy liên tục, tốc độ sinh trưởng rg được biểu thị bằng phương trình:
rg = dX/dt = (µ – D). X (3.2)
Trong đó:
X: Nồng độ sinh khối ban đầu/nồng độ bùn (mg/l);
µ: Hằng số tốc độ sinh trưởng (1/s).
Hệ số pha loãng D = F/V;
F: Tốc độ cung cấp dinh dưỡng cho môi trường (ml/h);
V: Thể tích môi trường (ml).
Dễ dàng nhận thấy rằng khi:
Khi µ > D thì dX/ dt > 0 dẫn đến mật độ vi sinh vật tăng.
Khi µ < D thì dX/ dt < 0 dẫn đến mật độ vi sinh vật giảm.
Khi µ = D thì dX/dt = 0 dẫn đến mật độ vi sinh vật ở trạng thái cân bằng động học không tăng không giảm theo thời gian.
- Quá trình nuôi cấy liên tục vi sinh vật được ứng dụng trong công nghệ xử lý nước thải ở điều kiện rộng.
Bài viết có sự tham khảo từ tài liệu của PGS.Nguyễn Văn Phước.
Bài viết trong quá trình hoàn thiện và đang tiếp tục phát triển.
Xem thêm