Tác Nhân Sinh Trưởng Lơ Lửng và Quá Trình Vi Sinh Lên Men Hiếu Khí

I. Tác Nhân Sinh Trưởng Lơ Lửng trong Quá Trình Vi Sinh Lên Men Hiếu Khí

Tác nhân sinh trưởng lơ lửng là một trong những yếu tố quan trọng nhất trong quá trình lên men hiếu khí. Chúng đóng vai trò trung gian cho các phản ứng hóa học, giúp phân hủy các hợp chất hữu cơ phức tạp thành những thành phần đơn giản hơn mà sinh vật có thể sử dụng làm nguồn năng lượng. Trong các hệ thống xử lý nước thải sinh học, quá trình này không thể hoàn thành nếu không có các sinh vật đóng vai trò tác nhân sinh trưởng lơ lửng. Các sinh vật này bao gồm nhiều loại vi khuẩn và các Eucarya cực nhỏ, có khả năng sống và hoạt động trong môi trường nước chứa chất thải hữu cơ.

1. Các nhóm vi sinh vật chính trong quá trình sinh trưởng lơ lửng

Hệ vi sinh vật có thể được phân thành 5 nhóm chính:

• Sinh vật dạng bọt khí: Nhóm này bao gồm các động vật nguyên sinh và nấm, chúng tạo điều kiện cho vi khuẩn kết bông lại để loại bỏ chất ô nhiễm hữu cơ. Động vật nguyên sinh là sinh vật dạng bọt khí chủ yếu, giúp ổn định hệ thống sinh học trong quá trình xử lý.
• Thực vật hoại sinh (Saprophytes): Các vi khuẩn này có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ phức tạp. Chúng tham gia vào quá trình phân hủy chất hữu cơ, từ đó giúp nước thải được làm sạch. Các vi khuẩn như Achorombacter, Alcaligenes, Bacillus, và Pseudomonas là những ví dụ điển hình của thực vật hoại sinh.
• Vi khuẩn Nitrat hóa: Đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển hóa N-NH3 sang dạng N-NO3-. Nitrosomonas và Nitrobacter là hai loài vi khuẩn chính trong quá trình này, giúp loại bỏ amoniac khỏi nước thải.
• Động vật ăn thịt: Các động vật nguyên sinh trong hệ thống bùn hoạt tính tiêu thụ vi khuẩn và giúp duy trì sự cân bằng sinh học. Các loài có roi thường chiếm ưu thế về số lượng.
• Sinh vật gây hại: Các vi khuẩn dạng sợi và nấm có thể gây ra nhiều vấn đề trong hệ thống sinh trưởng lơ lửng, chẳng hạn như việc loại bỏ sinh khối từ nước thải. Sphaerotilus natans là một ví dụ của vi khuẩn gây hại trong hệ thống này.

2. Quá trình sinh học và phân hủy chất hữu cơ

Trong quá trình xử lý nước thải, các vi sinh vật sẽ phân hủy các hợp chất hữu cơ thông qua các phản ứng hóa học, tạo ra năng lượng và các sản phẩm phụ như nước, CO2 và các khoáng chất. Quá trình này diễn ra nhờ sự tương tác giữa các vi sinh vật và các chất hữu cơ có trong nước thải. Vi sinh vật sử dụng oxy hòa tan để thực hiện các quá trình phân hủy và tổng hợp các chất hữu cơ, chuyển hóa chúng thành các chất vô cơ an toàn cho môi trường.

3. Vai trò của vi khuẩn nitrat hóa trong hệ thống xử lý nước thải

Vi khuẩn nitrat hóa đóng vai trò then chốt trong quá trình loại bỏ nitơ từ nước thải. Quá trình này diễn ra trong hai giai đoạn chính:

• Giai đoạn 1: Vi khuẩn Nitrosomonas oxy hóa amoniac (N-NH3) thành nitrit (NO2-), một sản phẩm trung gian của quá trình chuyển hóa nitơ.
• Giai đoạn 2: Vi khuẩn Nitrobacter tiếp tục chuyển nitrit thành nitrat (NO3-), một dạng nitơ ít độc hơn và có thể dễ dàng loại bỏ khỏi môi trường.

Sự hiện diện của các vi khuẩn nitrat hóa trong hệ thống xử lý nước thải giúp giảm thiểu tác động tiêu cực của nitơ lên môi trường, đồng thời cải thiện chất lượng nước thải.

II. Tác Nhân Sinh Trưởng Bám Dính trong Quá Trình Lên Men Hiếu Khí

Tác nhân sinh trưởng bám dính là một phương pháp xử lý nước thải sinh học khác, trong đó các vi sinh vật bám vào bề mặt chất rắn để phân hủy các hợp chất hữu cơ. Trong quá trình này, các vi khuẩn và nấm bám vào các bề mặt rắn (như các bộ lọc sinh học) để thực hiện quá trình chuyển hóa chất thải.

1. Cơ chế hoạt động của tác nhân sinh trưởng bám dính

Trong các hệ thống sinh học bám dính, các vi khuẩn và nấm tạo thành một lớp màng sinh học bao phủ bề mặt chất rắn. Khi nước thải chảy qua các lớp màng này, các hợp chất hữu cơ sẽ được hấp thụ và phân hủy bởi vi sinh vật. Quá trình này giúp loại bỏ các chất ô nhiễm khỏi nước thải và chuyển chúng thành các sản phẩm ít độc hơn.

2. Thành phần vi sinh vật trong hệ thống sinh trưởng bám dính

Hệ vi sinh vật trong các hệ thống này tương tự như trong các hệ thống sinh trưởng lơ lửng, bao gồm:

• Thực vật hoại sinh: Đóng vai trò phân hủy chất hữu cơ sơ cấp và thứ cấp. Các vi khuẩn như Achromobacterium, Alcaligenes, Flavobacterium, và Pseudomonas là những thành phần chính.
• Vi khuẩn Nitrat hóa: Tương tự như trong hệ thống sinh trưởng lơ lửng, các vi khuẩn Nitrosomonas và Nitrobacter thực hiện quá trình chuyển hóa nitơ, giúp loại bỏ amoniac khỏi nước thải.
• Vi khuẩn dạng sợi: Các loài vi khuẩn dạng sợi như Sphaerotilus natans cũng hiện diện trong hệ thống này, giúp ổn định quá trình xử lý nước thải.

3. Sự phân bố vi sinh vật trong hệ thống bám dính

Một đặc điểm khác biệt của hệ thống sinh trưởng bám dính là sự phân bố của các loài vi sinh vật thay đổi theo vị trí trong hệ thống. Ví dụ, các vi khuẩn nitrat hóa thường được tìm thấy ở các vùng có nồng độ chất hữu cơ lơ lửng thấp, trong khi các vi khuẩn phân hủy sơ cấp và thứ cấp hiện diện ở những vùng có nồng độ chất hữu cơ cao hơn.

III. Thành Phần Vi Sinh Vật trong Hệ Thống Bùn Hoạt Tính

Hệ thống bùn hoạt tính là một phương pháp xử lý nước thải sinh học phổ biến, trong đó các vi sinh vật sử dụng oxy để phân hủy chất thải hữu cơ. Thành phần vi sinh vật trong hệ thống này bao gồm vi khuẩn, nấm, protozoa, và các động vật đa bào nhỏ. Chúng phối hợp hoạt động để loại bỏ chất thải và ổn định chất lượng nước.

1. Vi khuẩn

Vi khuẩn là thành phần chiếm ưu thế trong hệ thống bùn hoạt tính, chiếm khoảng 90% sinh khối. Các vi khuẩn này bao gồm cả vi khuẩn hiếu khí, kị khí và tùy nghi, giúp phân hủy các hợp chất hữu cơ và thực hiện các quá trình nitrat hóa. Các vi khuẩn thường gặp trong hệ thống bùn hoạt tính bao gồm Achromobacter, Alcaligenes, Arthrobacter, và Pseudomonas.

2. Nấm

Nấm là một cấu tử quan trọng trong hệ thống bùn hoạt tính. Chúng tham gia vào quá trình trao đổi chất và cạnh tranh với vi khuẩn trong việc sử dụng nguồn dinh dưỡng. Một số loại nấm như Sphaerotilus natans và Zoogloea sp có khả năng oxy hóa NH3 thành nitrit và nitrat.

3. Protozoa

Protozoa là vi sinh vật có kích thước nhỏ, có khả năng chỉ thị hoạt động của hệ thống xử lý nước thải. Chúng có thể được chia thành 4 nhóm chính: Amoebae, Flagellates, Ciliates, và Rotifer. Mỗi nhóm có vai trò khác nhau trong việc loại bỏ vi khuẩn và các chất hữu cơ.

• Amoebae: Thường xuất hiện trong nước thải đầu vào và chỉ sinh trưởng trong các bể hiếu khí có tải cao.
• Flagellates: Hấp thụ các chất dinh dưỡng hòa tan và cạnh tranh thức ăn với vi khuẩn.
• Ciliates: Là vi sinh vật ăn vi khuẩn, cạnh tranh với rotifer trong việc tìm kiếm thức ăn.
• Rotifer: Là động vật đa bào nhỏ, chúng giúp loại bỏ vi khuẩn và kích thích sự tạo bông của bùn.

4. Metazoa

Metazoa là các động vật đa bào nhỏ khác, như giun tròn và giun đất, cũng hiện diện trong hệ thống bùn hoạt tính. Chúng giúp phân hủy các hợp chất hữu cơ và làm tăng độ ổn định của hệ thống.

Kết luận, cả tác nhân sinh trưởng lơ lửng và tác nhân sinh trưởng bám dính đều có vai trò quan trọng trong quá trình lên men hiếu khí và xử lý nước thải sinh học. Các hệ thống này sử dụng vi sinh vật để phân hủy các hợp chất hữu cơ, giúp cải thiện chất lượng nước và bảo vệ môi trường.