Sinh Trưởng của Vi Sinh Vật trong Xử Lý Nước Thải: Khái Niệm, Vai Trò và Tốc Độ Phát Triển

Trong các hệ thống xử lý nước thải sinh học, vi sinh vật đóng vai trò then chốt. Vậy sự sinh trưởng của vi sinh vật là gì? Tốc độ sinh trưởng của chúng ảnh hưởng như thế nào đến hiệu quả xử lý nước thải? Bài viết này sẽ cung cấp cái nhìn sâu sắc về vấn đề này.

Khái Niệm Sinh Trưởng của Vi Sinh Vật

Sinh trưởng của vi sinh vật là sự gia tăng về số lượng và khối lượng của chúng theo thời gian. Vi sinh vật tồn tại ở khắp mọi nơi, ngay cả trong những môi trường khắc nghiệt như miệng núi lửa, Nam Cực hay đáy đại dương. Sự sinh trưởng liên tục giúp chúng thích nghi với các điều kiện sống khác nhau, cả về số lượng lẫn chất lượng.

Hình ảnh minh họa sự sinh trưởng của vi sinh vật.Hình ảnh minh họa sự sinh trưởng của vi sinh vật.

Các Công Thức Tính Toán

  • Thời gian thế hệ (g): Thời gian cần thiết để một tế bào phân chia hoặc quần thể nhân đôi số lượng. Ví dụ, E. coli có thời gian thế hệ là 20 phút. Thời gian này thay đổi tùy thuộc vào loài và điều kiện môi trường.

  • Tốc độ sinh trưởng riêng (μ): Số lần phân chia trong một đơn vị thời gian của một chủng trong điều kiện nuôi cấy cụ thể:

    μ = n/t

    Trong đó:

    • n: Số lần phân chia tế bào
    • t: Thời gian phân chia

Sự Sinh Trưởng của Quần Thể Vi Khuẩn

Nuôi cấy không liên tục

Đây là môi trường nuôi cấy không bổ sung dinh dưỡng mới và không loại bỏ sản phẩm chuyển hóa.

Hình ảnh minh họa quần thể vi sinh vật trong môi trường nuôi cấy.Hình ảnh minh họa quần thể vi sinh vật trong môi trường nuôi cấy.

Số tế bào (Nt) sau n lần phân chia từ N0 tế bào ban đầu trong thời gian t là:

Nt = N0 * 2n

Các pha sinh trưởng trong nuôi cấy không liên tục:

  1. Pha tiềm phát (Lag phase): Vi khuẩn thích nghi với môi trường, số lượng tế bào chưa tăng. Enzyme cảm ứng hình thành để phân giải cơ chất.

  2. Pha lũy thừa (Log phase): Vi khuẩn sinh trưởng với tốc độ lớn, số lượng tế bào tăng nhanh.

  3. Pha cân bằng (Stationary phase): Số lượng vi khuẩn đạt cực đại và ổn định do số lượng tế bào sinh ra bằng số lượng tế bào chết đi.

  4. Pha suy vong (Death phase): Môi trường cạn kiệt dinh dưỡng, số tế bào chết tăng lên.

Nuôi cấy liên tục

Môi trường nuôi cấy liên tục được bổ sung dinh dưỡng và đồng thời loại bỏ một lượng dịch nuôi cấy tương đương. Phương pháp này được sử dụng trong sản xuất sinh khối để thu nhận protein đơn bào, axit amin và các hợp chất sinh học khác.

Vi Sinh Vật Trong Xử Lý Nước Thải

Vai trò của Vi Sinh Vật

Vi sinh vật là tập hợp nhiều loại vi sinh vật có khả năng phân hủy chất hữu cơ, sử dụng chúng làm thức ăn để thực hiện các phản ứng sinh học tổng hợp. Trong xử lý nước thải sinh học, nuôi cấy vi sinh là quá trình quan trọng, quyết định hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm như COD, BOD, Tổng N, Tổng P. Các loại vi sinh vật khác nhau đảm nhiệm các vai trò khác nhau: vi sinh vật hiếu khí xử lý BOD, COD; vi sinh vật yếm khí và thiếu khí xử lý Tổng N, Tổng P.

Phân Loại Vi Sinh Vật

Dựa trên phương thức phát triển, vi sinh vật trong xử lý nước thải được chia thành hai nhóm:

Hình ảnh minh họa các loại vi sinh vật trong xử lý nước thải.Hình ảnh minh họa các loại vi sinh vật trong xử lý nước thải.

  • Vi sinh vật dị dưỡng: Sử dụng chất hữu cơ làm nguồn năng lượng và carbon.
  • Vi sinh vật tự dưỡng: Oxy hóa chất vô cơ để thu năng lượng và sử dụng CO2 làm nguồn carbon. Ví dụ: vi khuẩn nitrat hóa, vi khuẩn lưu huỳnh, vi khuẩn sắt,…

Bùn hoạt tính và màng sinh vật là tập hợp các loại vi sinh vật khác nhau, chứa 70-90% chất hữu cơ và 10-30% chất vô cơ. Màng sinh vật phát triển trên bề mặt vật liệu lọc, có dạng nhầy, dày 1-3 mm hoặc hơn, màu sắc thay đổi tùy theo thành phần nước thải.

Cơ Chế Vi Sinh Vật Tham Gia Xử Lý Nước Thải

Vi sinh vật liên tục chuyển hóa chất hữu cơ trong nước thải thành tế bào mới (nguyên sinh chất). Chúng hấp thụ một lượng lớn chất hữu cơ qua bề mặt tế bào. Nếu chất hữu cơ không được đồng hóa, tốc độ hấp thụ sẽ giảm. Một phần chất hữu cơ được dùng để xây dựng tế bào, phần còn lại được oxy hóa để sinh năng lượng cho quá trình tổng hợp. Bùn gốc ban đầu được nuôi dưỡng thành bùn hoạt tính cao và có khả năng kết lắng tốt.

Các Quá Trình Xử Lý Nước Thải Bằng Vi Sinh Vật

Sơ đồ xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học.Sơ đồ xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học.

Xử lý sinh học kỵ khí

Quá trình phân hủy kỵ khí sử dụng vi sinh vật kỵ khí để phân hủy chất hữu cơ và vô cơ trong điều kiện không có oxy. Quá trình này bao gồm:

  1. Thủy phân polymer (protein, polysacearide, chất béo).
  2. Lên men amino acid và đường.
  3. Phân hủy kỵ khí acid béo mạch dài và rượu.
  4. Phân hủy kỵ khí acid béo dễ bay hơi (trừ acid acetic).
  5. Hình thành methane từ acid acetic.
  6. Hình thành methane từ hydrogen và CO2.

Xử lý sinh học hiếu khí

Quá trình này sử dụng vi sinh vật hiếu khí để phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện có oxy, bao gồm:

  1. Oxy hóa chất hữu cơ.
  2. Tổng hợp tế bào mới.
  3. Phân hủy nội bào.

Tốc Độ Sinh Trưởng của Vi Sinh Vật Trong Xử Lý Nước Thải

Tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý nước thải.

Biểu đồ tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật.Biểu đồ tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật.

Thời gian nhân đôi 20 phút từ đâu ra?

Con số 20 phút thường được nhắc đến là thời gian nhân đôi của E. coli trong điều kiện phòng thí nghiệm lý tưởng (nhiệt độ, pH, dinh dưỡng, nguồn carbon).

Vi khuẩn trong xử lý nước thải ở Việt Nam

Trong thực tế, nước thải chứa nhiều loại vi khuẩn khác nhau (gram dương, gram âm, hiếu khí, kỵ khí…). Chúng tồn tại trong hỗn hợp MLSS, bông bùn keo tụ hoặc màng sinh học tùy thuộc vào hệ thống. Tốc độ sinh trưởng còn phụ thuộc vào oxy hòa tan, thể tích bể, nhiệt độ môi trường,…

Tốc độ sinh trưởng thực tế

Theo lý thuyết

Vi khuẩn dị dưỡng khử BOD/COD có thời gian nhân đôi từ 30-60 phút. Vi khuẩn oxy hóa amoniac có thời gian nhân đôi tính bằng giờ, dễ bị rửa trôi và chậm phục hồi khi có độc tố.

Trong thực tế

Vi khuẩn nước thải hoạt động trong điều kiện F/M khác với E. coli trong phòng thí nghiệm. Tốc độ hấp thụ oxy cao và ATP (năng lượng) dồi dào thúc đẩy sự phát triển. Tuy nhiên, cân bằng F/M và DO dễ bị phá vỡ khi BOD, COD hoặc TSS tăng. Khi thiếu DO, ATP giảm, tế bào yếu đi.

Hình ảnh minh họa tốc độ phát triển của vi khuẩn.Hình ảnh minh họa tốc độ phát triển của vi khuẩn.

Do đó, tốc độ tăng trưởng tối đa thường chỉ thấy trong quá trình khởi động hoặc sau khi tải sốc. Ngay cả khi đó, phải mất hơn 30-60 phút để vi khuẩn nhân đôi.

Kết luận

Vi sinh vật đóng vai trò quan trọng trong xử lý nước thải sinh học. Hiểu rõ về sự sinh trưởng, các yếu tố ảnh hưởng và cách tối ưu hóa quá trình này là chìa khóa để vận hành hệ thống xử lý nước thải hiệu quả. Việc theo dõi và điều chỉnh các thông số như F/M, DO, nhiệt độ và pH là cần thiết để duy trì sự ổn định và hiệu suất của hệ vi sinh vật.