TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG MỤC LỤC
Trang
MỤC LỤC........................................................................................................................1
DANH SÁNH HÌNH .......................................................................................................4
DANH SÁCH BẢNG ......................................................................................................5
CHƯƠNG 1 SINH VẬT TRONG CÁC NGUỒN NƯỚC TỰ NHIÊN......................1
1. CÁC NGUỒN NƯỚC...............................................................................................1
2. SỰ NHIỄM BẨN NGUỒN NƯỚC..........................................................................2
2.1. Nhiễm bẩn tự nhiên............................................................................................2
2.2. Nhiễm bẩn nhân tạo ...........................................................................................3
3. PHÂN LOẠI NGUỒN NƯỚC THEO MỨC ĐỘ NHIỄM BẨN.............................4
CHƯƠNG 2 VI SINH VẬT TRONG NƯỚC THẢI....................................................6
1. LÝ THUYẾT XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC...........6
1.1. Xử lý hiếu khí.....................................................................................................7
1.2. Xử lý kỵ khí .......................................................................................................9
2. ĐỘNG HỌC CÁC QUẦN THỂ SINH VẬT TRONG CÁC CÔNG TRÌNH XỬ
LÝ NƯỚC THẢI
........................................................................................................10
2.1. Cùng tranh nhau một loại thức ăn....................................................................11
2.2. Loài này ăn loài khác .......................................................................................11
2.3. Mối quan hệ mật độ cá thể giữa các quần thể vi sinh vật ................................11
3. XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG CÁC QUÁ TRÌNH TỰ NHIÊN.............................14
3.1. Cánh đồng tưới, cánh đồng lọc ........................................................................14
3.2. Hồ sinh vật hay hồ Oxy hóa.............................................................................16
4. ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH TĂNG TRƯỞNG CỦA VI SINH VẬT.....................19
4.1. Tăng trưởng tế bào ...........................................................................................19
4.2. Ảnh hưởng của nồng độ chất nền.....................................................................19
4.3. Tăng trưởng tế bào và sử dụng cơ chất ............................................................20

5. BIOGAS..................................................................................................................64
6. BÃI CHÔN LẮP.....................................................................................................65
CHƯƠNG 4 VI SINH VẬT TRONG KHÔNG KHÍ.................................................66
1. SỐ LƯỢNG VÀ CHỦNG LOẠI VI SINH VẬT TRONG KHÔNG KHÍ.............66
2. CÁC LOẠI BỆNH LIÊN QUAN ĐẾN KHÔNG KHÍ...........................................66
3. KIỂM SOÁT VI SINH VẬT TRONG KHÍ ...........................................................67
4. LẤY MẪU VI SINH VẬT TRONG KHÔNG KHÍ ...............................................68
5. ẢNH HƯỞNG CỦA MƯA ĐỐI VỚI VI SINH VẬT TRONG KHÔNG KHÍ .....69
CHƯƠNG 5 VI SINH VẬT GÂY BỆNH VÀ CÁC CHỈ TIÊU VỆ SINH ..............70
1. NHỮNG VI SINH VẬT GÂY BỆNH....................................................................70
1.1 Khái niệm về dịch tế bào học và các đường truyền bệnh .................................70
1.2 Những bệnh truyền nhiễm qua nước.................................................................71
2. NHỮNG CHỈ TIÊU VỆ SINH VỀ VI SINH VẬT TRONG NƯỚC.....................74
2.1 Những khái niệm chung về những vi sinh vật chỉ thị vệ sinh...........................74
2.2 Đánh giá nước dùng để ăn uống........................................................................76
CHƯƠNG 6 CÁC PHƯƠNG PHÁP KHỬ TRÙNG TRONG XỬ LÝ MÔI
TRƯỜNG
.......................................................................................................................80
1. PHƯƠNG PHÁP KHỬ TRÙNG BẰNG NHIỆT...................................................80
1.1 Khử trùng trực tiếp bằng ngọn lửa....................................................................80
1.2 Khử trùng bằng nhiệt khô .................................................................................80
1.3 Khử trùng bằng nước sôi...................................................................................80
1.4 Khử trùng bằng Autoclave áp suất, nhiệt độ.....................................................81
1.5 Phương pháp khử trùng Fraction.......................................................................83
1.6 Phương pháp khử trùng Pasteur........................................................................83
1.7 Khử trùng bằng dầu nóng..................................................................................83
2. CÁC PHƯƠNG PHÁP KHỬ TRÙNG VẬT LÝ ...................................................83
2.1 Phương pháp lọc (Filtration).............................................................................83
2.2 Khử trùng bằng tia cực tím (Ultraviolet Light)................................................84
2.3 Các dạng tia khử trùng khác (Other Type of Radiaton)...................................85

Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 3

TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG DANH SÁNH HÌNH
Trang
Hình 1. 1: Chu trình thủy văn ...........................................................................................1
Hình 1. 2: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của giới hạn dinh dưỡng lên tốc độ tăng trưởng
đặc biệt.
...........................................................................................................................20
Hình 1. 3: Các vùng nhiễm bẩn của dòng chảy ..............................................................24
Hình 1. 4: Ảnh hưởng của chất bẩn đối với sự sống – hoạt động của vi sinh vật trong
nước sông
........................................................................................................................24
Hình 1. 5: Chu trình sinh hoá tự nhiên trong sông hồ.....................................................28
Hình 1. 6: Đường cong oxy hoà tan và số lượng VK tương ứng trong dòng sông bị
nhiễm
...............................................................................................................................30
Hình 1. 7: Độ hoà tan oxy trong nước ở các nhiệt độ khác nhau....................................30
Hình 1. 8: Sự hoà tan oxy trong dòng chảy rối ...............................................................31
Hình 1. 9: Sự hoà tan oxy trong dòng chảy chậm...........................................................31
Hình 2. 1: Các đường cong tiêu thụ oxy xác định bằng phương pháp Warburg...............9
Hình 2. 2: Quá trình phân hủy kỵ khí .............................................................................10
Hình 2. 3: Đồ thị về các loài vi khuẩn chủ đạo sơ cấp và thứ cấp ..................................12
Hình 2. 4: Sự sinh trưởng tương đối của các loài vi sinh vật khi xử lý nước thải chứa
chất hữu cơ
......................................................................................................................13
Hình 2. 5: Mối quan hệ hỗ sinh giữa tảo và vi khuẩn .....................................................14
Hình 2. 6: Sơ đồ hoạt động của hồ sinh vật ....................................................................18

Bảng 1. 3: Hệ số động học đối với quá trình phân hủy kỵ khí các loại cơ chất..............23
Bảng 1. 4: Lượng sản phẩm sơ cấp trong các hố (theo Vinberg 1960)...........................26
Bảng 1. 5: Chỉ tiêu hóa học và vi trùng học về mức độ nhiễm bẩn của các loại nguồn
nước
...................................................................................................................................5
Bảng 2. 1: Sự hấp thụ vi khuẩn Bact Ptrodigiosum của các loại hạt đất ........................15
Bảng 2. 2: Số vi khuẩn hoại sinh trong bể lọc sv khi xử lý nước thải nhà máy sữa .......34
Bảng 2. 3: Lượng màng sinh vật và số vi khuẩn hoại sinh ở các chiều cao khác nhau
trong bể lọc khi xử lý nước thải nhà máy sữa.
................................................................35
Bảng 3. 1: Các chất nhận điện tử trong phản ứng của vi sinh vật...................................58
Bảng 3. 2: Phân loại vi sinh vật theo nguồn năng lượng và carbon của tế bào...............59
Bảng 3. 3: Khoảng nhiệt độ của các nhóm vi sinh vật....................................................60
Bảng 3. 4: Các thông số quan trọng trong quá trình làm phân compost hiếu khí...........63
Bảng 6. 1: Tóm tắt các tác nhân vật lý được sử dụng để kiểm soát VSV.......................87 Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 5

TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG CHƯƠNG 1 SINH VẬT TRONG CÁC NGUỒN NƯỚC TỰ
NHIÊN
Nhìn chung những quá trình sinh hóa diễn ra trong các nguồn nước thiên nhiên
không phức tạp như khi xử lý chất thải, vì các chất hữu cơ trong nước thiên nhiên, nước
cấp ít hơn, cả về lượng lẫn loại các chất. Một trong những nhiệm vụ của người kỹ sư
môi trường là phải cung cấp nước sạch, vô trùng cho dân. Chúng ta hãy xét các loại
nguồn nước, sự nhiễm bẩn và quá trình tự làm sạch của nước nguồn, đặc bi
ệt là nguồn

cũng phát hiện thấy có vi khuẩn và làm nước ngầm bị nhiễm khuẩn.
Các chất hóa học thấm xuống lòng đất sâu hơn. Nhưng trong quá trình thẩm thấu
cùng với nước xuống đấ
t, các chất đó có thể bị thay đổi thành phần. Chẳng hạn cách
mặt đất 0,5 m nhiều chất hữu cơ đã bị phân hủy - bị oxy hóa. Người ta đã nghiên cứu,
phân tích và cho thấy, ở độ sâu 30,5 cm, BOD không vượt quá 5 mg/l, thậm chí khi
BOD ban đầu trên mặt đất đạt tới 100 mg/l. Ở độ sâu đó không còn thấy photphat nữa.
Vi khuẩn và hóa chất không chỉ thẩm thấu theo chiều sâu, mà còn khuếch tán
theo chiều ngang. Thí nghiệm cho thấy, cùng với nướ
c ngầm các hóa chất cũng bị
khuếch tán xa hơn vi khuẩn. Khoảng cách khuếch tán tùy thuộc lượng bẩn ban đầu, tính
chất đất, kích thướt hạt. Tuy nhiên, có thể coi rằng vi sinh vật không thể thấm vào giếng
nước cách xa nguồn bẩn 20 m đối với đất pha sét, 200 m đối với đất cát (Jucốp và
Ampolski 1951).
Nước mặt. Khi mưa rơi xuống mặt đất, chảy vào các sông hồ nên gọi là nước
mặt. Nước mặ
t bẩn nhất cả về vi sinh vật, chất hữu cơ, vô cơ. Nước mặt rất giàu các
chất dinh dưỡng - môi trường tốt cho nhiều loại vi sinh vật phát triển, kể cả nấm và
động vật hạ đẳng.
2. SỰ NHIỄM BẨN NGUỒN NƯỚC
Sự nhiễm bẩn nguồn nước có thể do tự nhiên hoặc nhân tạo. Các chất bẩn có thể
ở dạng chất lơ lử
ng, keo, tan, chất độc, vi sinh vật, sinh vật,…
Sự nhiễm bẩn tự nhiên: là do mưa rơi xuống mặt đất, kéo theo các chất bẩn
xuống sông hồ hoặc do các sản phẩm sống – hoạt động phát triển của sinh vật, vi sinh
vật – kể cả xác chết của chúng.
Sự nhiễm bẩn do nhân tạo: chủ yếu do nước thải vùng dân cư đô thị, công
nghiệp cũng như tàu thuyền xả
ra.
2.1. Nhiễm bẩn tự nhiên

2
O
5
, 9g clorua. Ở nước Mỹ và Tây Âu, các giá trị trên còn cao hơn.
Trong nước thải đô thị chứa rất nhiều vi sinh vật, giun sán, cả vi sinh vật gây
bệnh, nhất là vi sinh vật gây bệnh đường ruột. Những vi sinh vật chiếm một khối lượng
đáng kể các chất hữu cơ trong nước thải.
Về thành phần cơ lý, các chất bẩn trong nước thải bao gồm các chất lơ lửng
không tan (huyền phù), keo và tan. Theo Heukelekian và Balmat, trong nước thả
i sinh
hoạt các chất dạng huyền phù chứa 80% là hữu cơ, keo và các chất tan chủ yếu là các
chất khoáng. Các chất hữu cơ trong nước thải sinh hoạt là những chất béo, đạm (chứa
nitơ), đường (chứa carbon), như xenlulo, hemixenlulo, pectin, tinh bột,….Ngoài ra
trong nước thải còn chứa cation Na
+
, K
+
,….
Nước thải sản xuất – công nghiệp. Nhiều lĩnh vực công nghiệp tiêu thụ và thải
ra một lượng nước khổng lồ như công nghiệp luyện kim đen, hóa học, chế biến lọc hóa
dầu, dệt nhuộm, thực phẩm…Thành phần, tính chất nước thải công nghiệp rất đa dạng.
Ngoài các chất bẩn thông thường, trong nước thải công nghiệp còn chứa nhiều chất độc
h
ại. Khi lẫn với nước nguồn chúng sẽ tiêu diệt các loài thủy sinh vật. Khi nền công
nghiệp càng phát triển, các chất bẩn mới xuất hiện càng nhiều, mức độ độc của chúng
đối với vi sinh vật lại chưa rõ. Vì vậy phải xác định độ độc của các chất cũng như nồng
độ giới hạn cho phép của chúng đối với các loài vi sinh vật, phải xác định mức độ cần
thiế
t làm sạch, các phương pháp xử lý nước thải.
Trong các xí nghiệp công nghiệp còn có cả loại nước thải quy ước sạch. Đó là

ết bị riêng trên tàu thuyền để xử lý hoặc rồi xả ra
những vùng qui định.
3. PHÂN LOẠI NGUỒN NƯỚC THEO MỨC ĐỘ NHIỄM BẨN.
Chất lượng nước nguồn được đánh giá trên cơ sở các số liệu phân tích lý hóa - vi
sinh vật. Mỗi dạng phân tích đều có ưu nhược điểm nhất định và không thay thế nhau
được. Để đánh giá tốt nhất thì nên có cả 3 dạng phân tích trên.
Các chỉ tiêu phân tích hóa học cho phép đ
ánh giá về lượng và đặt tính chất bẩn,
ảnh hưởng của chúng đối với sự thay đổi chất lượng nước nguồn. Các chỉ tiêu phân tích
vi sinh vật cho phép xác định xác xuất tồn tại trong nước của các loài vi sinh vật gây
bệnh. Phân tích vi sinh vật giúp ta xác định mức độ bẩn của nước trên toàn cục diện,
nhiều khi cũng cho phép xác định hậu quả của sự nhiễm bẩn đột xuất mà các phương
pháp nghiên cứu hóa lí - vi sinh v
ật chưa thể thực hiện kịp thời ngay được.
Phân tích sinh vật là dựa vào sự thích ứng 1 số sinh vật đối với nước có chất
lượng nhất định.
Hiện nay, có nhiều kiểu phân loại nguồn nước theo độ bẩn. Thí dụ, người ta
phân ra 6 nhóm nguồn nước như ở(Bảng 1.1).
Nguồn nước rất sạch, hoàn toàn không thấy dấu vết tác động của con người. Ở
đ
ó độ bão hòa oxy tới 95%, tới BOD
5
không quá 1 mg/l, chất lơ lửng 3 mg/l. Nguồn này
dùng cho tất cả các đối tượng cấp nước.
Nguồn nước sạch, về các chỉ tiêu hóa học không khác lắm so với những nguồn
nước rất sạch nhưng đã thấy dấu vết hoạt động của con người - cụ thể là lượng vi khuẩn
hoại sinh tăng lên. Nguồn này cũng dùng cho tất cả các đối tượng cấp nước. Để khử

trùng chỉ cần clorua hóa là đủ.
Nguồn nước hơi bẩn, hàm lượng chất hữu cơ đã tăng lên, có ion clo và amon.

trực
tiếp số
VK
Rất sạch
Sạch
Hơi bẩn
Bẩn vừa
Bẩn
Rất bẩn
9
8
7-6
5 -4
3 -2
0

14 -13
12 -11
10 -9
5 -4
5 -10
0
1 -3
4 -10
11 -19
20 -50
51 -100
>100
0,5 -1
1,1 -1,9

5
0,001
10
5
10
6
10
6
10
7
10
7
a.10
P
10
8
Ghi Chú: a là số bất kỳ từ 1- 9
Nguồn nước bẩn và rất bẩn, đã hoàn toàn mất tính chất tự nhiên. Mùa hè xông
mùi khó chịu. Trong nước chứa nhiều CO
2
, các hợp chất sulphua, chứng tỏ do hoạt
động của tàu bè, cảng. Do vậy nguồn nước này chỉ dùng cho giao thông tàu bè. Còn
việc dùng cho tưới ruộng cũng bị hạn chế vì không thích hợp với nhiều loại cây trồng.
Khi đánh giá độ bẩn của nguồn nước trước khi bước vào phân tích hóa học,
nhiều khi các chỉ tiêu; màu, mùi, độ trong - đục cũng là các dấu hiệu quan trọng chứng
tỏ sự có mặt của nhiều chất b
ẩn. Ví dụ: mùi các chất độc xả vào như phenol, dicloetan,
dầu,…Dầu lẫn vào chẳng những có mùi mà còn có váng nổi lên.
cơ ( NH
4
+
, PO
4
3-
) 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 ư
u 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 tổ
ng hợp tế bào cùng với
việc tiêu thụ oxy (tạo năng lượng) theo Mackiney Ross E được biểu thị như sau:

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 ki
ện 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:
O
s
= 0,7S (2-2)
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 ho
ạt tính bị giảm do trao đổi nội bào.
S = ∆M
a
+ K
3
M
a
t (2-4)
Với
Ma: sinh khối hoạt tính của vi sinh vật, mg/l chất khô volatin (chất khô không tro)
t: thời, h
K3: 0,006
Thay vào (2-3) ta có:
F = 2,13 ∆M
a

ng 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 th
ức 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 đầ
u 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 l
ệ 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 hợ
p 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 (M

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
Chất hữu cơ CH
4
+ CO
2
+ H
2
+ NH
3
+ H
2
S + Tế bào mới
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, H
2

3
COOH CH
4
+ CO
2
Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 9

TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG 4CH
3
OH 3CH
4
+ CO
2
+ 2H
2
O
4(CH
3
)
3
N + H
2
O 9CH
4
+ 3CO
2
+ 6H

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 đổ
i 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 n
ăng 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 cộ
ng 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 th
ể 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.

Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 10

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 vậ
t 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 v
ật 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.
Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 11

TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG 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 n
ăng sinh trưởng

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 phả
i 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 CO
2
và nước.
Tảo sử dụng CO
2
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 CO
2
, amon, và các chất vô
cơ để chuyển thành tế bào mới và giải phóng oxy.
Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 13

TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

Hình 2. 5


TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG 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 th
ời 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 hậ
u… 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, phầ
n 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 1m
2
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)


bệnh và 99,99% trực khuẩn đường ruột.

Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 15

TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG 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/1cm
3
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
hi
ện 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

TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG 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 s
ẽ tạo thành CO
2
và nước trong điều kiện yếm khí;
tạo axit hữu cơ trong điều kiện yếm khí. Chỉ khi tạo CO
2
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 dưỡ
ng 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, CO
2

Làm thoáng bề mặt cũng là nguồn oxy không được bỏ qua, vì hồ nông và rộng
thì gió sẽ thổi trên mặt h
ồ 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.
Biên soạn: Ths Nguyễn Trần Thiện Khánh 17

TLGD VI HÓA SINH KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG 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 cuố
i 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 nhi
ều 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

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 t
ăng 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:
r
g
= µX (1-1)
Với r
g
: 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 = r
B
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,

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
hữ
u 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:
r
g
= -Yr
su
(1-5)
Với
r
g