SỰ TRAO ĐỔI CHẤT CỦA VI KHUẨN TRONG HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI Claudia Gallert and Josef Winte MỤC LỤC Giới thiệu Phân hủy hợp chất hữu cacbon hệ thống tự nhiên nhân tạo 2.1 Sinh học , sinh khối, cân lượng suy thoái polymer sinh học hiếu khí 2.1.1 Sinh khối cân lượng hô hấp hiếu khí glucose cố định bùn hoạt tính 2.1.2 Sinh khối lượng cân cho phân hủy kỵ khí Glucose nước thải bùn ổn định 10 2.2 Xem xét lựa chọn hệ thống xử lí nước thải kỵ hiếu khí kỵ khí: 12 2.3 Sự thủy phân Biopolymers vi khuẩn hiếu khí kỵ khí: Về mặt động lực học 13 2.4 Sự thủy phân cellulose vi sinh vật hiếu khí kỵ khí: Về mặt sinh học 13 2.5 Sự phân hủy sinh khối diện chất nhận điện tử vô chuỗi thức ăn kỵ khí 15 2.6 Vai trò hydrogen phân tử acetate phân hủy kỵ khí polymer sinh học 18 2.7 Sự chuyển đổi kỵ khí polymer sinh học thành methane CO2 20 2.7.1 Sự phân hủy kỵ khí carbohydrate nước thải 21 2.7.2 Sự phân hủy kỵ khí Protein 23 2.7.3 Phân hủy kỵ khí chất béo trung tính lipid 27 2.8 Sự cạnh tranh Vi khuẩn khử sulfate với Methanogen lò phản ứng methane 28 2.9 Lượng thành phần khí sinh học trình lên men Carbohydrates, Proteins, chất béo 30 Loại bỏ Nitơ xử lý nước thải 31 3.1 Ammonification (Amôn hóa) 31 3.2 Nitrification of Ammonia (nitrate hóa NH3) 32 3.3 Phản nitrate hóa: loại bỏ nitrate khỏi nước thải 33 3.4 Kết hợp nitrate hóa khử nitrate 35 3.5 Oxi hóa ammonia kị khí 36 3.6 Phương pháp loại bỏ N 37 Nâng cao loại bỏ Phosphat sinh học 38 Loại bỏ sinh học, chuyển hóa hấp thụ sinh học ion kim loại từ nước thải nhiễm bẩn 41 Sự phân giải Xenobiotics hiếu khí kị khí 45 Sự tăng cường sinh học thiết bị (plants) xử lí nước thải cho phân giải xenobiotics 48 Giới thiệu: Nước sử dụng người xử lý thể nhận nước với biến đổi lý thông số hóa học định nghĩa nước thải Nếu thông số vật lý nước bị thay đổi… dẫn đến nhiệt độ tăng cao sau sử dụng chất làm mát, xử lý trước cho nước thải trở vào môi trường cần làm mát với nhiệt độ ban đầu Tuy nhiên nước bị nhiễm chất hữu có vô hòa tan ko hòa tan, kết hợp khí, hóa chất, phương pháp lọc sinh học kế để bảo vệ môi trường ô nhiễm tạm thời vĩnh viễn Vì lí mà pháp luật công nghiệp nhiều nước phát triễn khác tăng cường luật môi trường điều chỉnh lượng tối đa cho phép dư nồng độ Cacbon, nito, hợp chất photpho nước thải tinh khiết, trước sẵn sàng đổ sông thể nhận nước khác, nhiên, thi hành luật ko phải lúc nghiêm ngặt Sự thi hành liên quan trực tiếp đến kinh tế nước có khác biệt đáng kể nước công nghiệp giàu nước phát triễn Trong chương tóm tắc qui trình trình xử lý nước thải sinh học để loại bỏ chất vô hữu Phân hủy hợp chất hữu cacbon hệ thống tự nhiên nhân tạo Quá trình dị hóa vi sinh vật, tảo, nấm loại nấm bậc thấp… đường cho tổng phần khóang hóa/phân hủy chất hữu sinh học hợp chất hữu môi trường tự nhiên hay nhân tạo Hầu hết vật chất bắt nguồn trực tiếp gián tiếp từ thực vật sinh khối động vật Nó bắt nguồn từ CO2 cố định thông qua quang hợp ( sinh khối thực vật) , từ nhà máy cung cấp thức ăn động vật ( mùn hữu cơ, phân, nước tiểu…) từ loại nhiên liệu hóa thạch theo hướng sinh học, theo hướng địa hóa học chuyển đổi sinh khối ( than bùn, than, dầu, khí đốt tự nhiên…) Ngay nguồn cacbon số xenobiotics bắt nguồn từ nguồn gốc sinh học tức chất sản xuất từ dầu mỏ, khí tự nhiên, than đá Chỉ khoáng hóa vật liệu cacbon từ phân hủy sinh khối động vật tự nhiên điều kiện yếm khí tình trạng không đủ nước hình thành dầu hóa thạch, khí thiên nhiên than đá từ sinh khối xảy thông qua biến đổi sinh học địa hóa học Cacbon hóa thạch khí tự nhiên, than đá, dầu, vào chu kỳ CO2 khí lần sau hợp chất đốt làm nguyên liệu sử dụng cho hệ lượng công nghiệp hộ tư nhân, Sự phân hủy sinh học sinh khối chất hữu hóa học chất thải rắn thu xử lý nước thải điều kiện có mặt oxy phân tử cách hô hấp, điều kiện thiếu oxy trình khử ni tơ mà điều kiện yếm khí methanogensis sulfidogensis Sự hô hấp hợp chất hữu hòa tan chất ngoại bào có khả hòa tan polymer sinh học cacbohydrat, protein, chất béo chất béo hệ thống bùn hoạt tính dẫn đến hình thành cacbon dioxide, nước số lượng đáng kể bùn dư Một số amioacid H2S hình thành trình suy thoái acid amin có chứa lưu huỳnh hợp chất dị vòng Oxy phải cung cấp cách sục khí tiêm oxy tinh khiết Hai biến thể trình cung cấp khí oxy khác chủ yếu khả họ việc chuyển oxy thoát hiệu cho cacbon dioxide từ hô hấp Thoát CO2 cần thiết để ngăn chặn sụt giảm pH loại bỏ lượng nhiệt, Hô hấp trình khử oxy hóa cung cấp lượng nito dồi dạng nitrat nitrit Tuy nhiên số nitrat thoát khỏi qui trình làm giảm lượng nito nhà máy xử lý nước thải đóng góp khoảng 2% tổng lượng phát thải N2O Đức (Schön et al., 1994) Khử nito sinh vật hiếu khí mà chuyển đổi chuyển hóa đường hô hấp chúng đến việc sử dụng nitrat nitrit chất nhận điện tử cuối cùng, trồng điều kiện thiếu oxy Chỉ nitrat khối lượng lớn sử dụng hoàn toàn làm oxi hóa khử trở nên thấp đủ cho phát triển sinh vật kỵ khí hoàn toàn, chẳng hạn methanogen gia giảm sulfate Nếu vùng kị khí hình thành khối bùn hệ thống bùn hoạt tính, Ví dụ: Bằng cách hạn chế việc cung cấp oxy, sinh vật sinh metan chất khử sulfate phát triễn trung tâm khối bùn dấu vết dạng methane hydrogen sunfide, tìm thấy khí thải Dưới điều kiện nghiêm ngặt kỵ khí hợp chất chất thải nước thải bước suy thái đến methan CO2, NH3, H2S thông qua tương tác trợ dưỡng vi khuẩn lên men acetate hóa,với sinh vật sinh metan chất khử sunfate Sự suy thoái hoàn toàn sinh vật sinh metan polymer monomer sinh học qua thủy phân/ lên men, acetate hóa metan hóa tiến hành áp suất H2 thấp, trì chủ yếu loài chuyển hydro Chuyển giao loài hydro tạo điều kiện acetate hóa hydro hóa vi khuẩn sinh metan xếp gần khối màng sinh học khoảng cách khuyết tán ngắn Lượng CO2 giảm tương đương với lượng giảm metan khoặc lượng giảm sulfate đến sulfide có nguồn gốc từ trao đổi chất lên men, ví dụ, clostridia eubacterium sp., từ oxy hóa acid béo, trình oxy hóa rượu Methane CO2 sản phẩm môi trường kị khí với vắng mặt sulfate, sulfite CO2 sản phẩm sulfate có mặt Sinh học , sinh khối, cân lượng suy thoái polymer sinh học hiếu khí: polymer sinh học hòa tan không hòa tan – chủ yếu carbonhydrate, protein chất béo – truy cập cho hô hấp vi khuẩn, đại phân tử phải thủy phân exoenzymes, thường sản xuất tiết sau tiếp xúc với cảm ứng tương ứng Các coenzymes hấp thụ vào polymer sinh học thủy phân họ monomer oligomer Chỉ hòa tan hợp chất có phân tử lượng thấp( ví dụ, loại đường, disaccharides, axit amin, oligopeptide, glycerol, axit béo) đưa lên vi sinh vật chuyển hóa để sản xuất lượng nhân đôi tế bào 2.1 Một đưa lên, phân hủy đường phân ( loại đường, disaccharides, glycerol), thủy phân khử amin ( amino axit, oligopeptide), thủy phân β oxy hóa ( phospholipid acid béo chuỗi dài) thu tế bào Chuyển hóa hầu hết hợp chất hữu dẫn đến hình thành acetyl-CoA trung tâm trung gian, sử dụng cho sinh tổng hợp, tiết acetate, bị oxy hóa thành CO2 giảm tương đương chu kỳ axit tricarboxylic (TCA) Sự giảm cân hô hấp với oxy phân thử chuỗi hô hấp, lượng tối đa mol liên kết anhydric phosphate ATP mol glycolysis mol glucose thông qua chất chuỗi phosphoryl Có thêm mol ATP tạo thành trình oxy hóa mol acetate chu trình TCA, 34 mol ATP hình thành vận chuyển điện tử chuỗi phosphoryl với oxy chất nhận điện tử cuối Trong hô hấp oxy, giảm cân phản ứng với oxy phân tử phản ứng cháy có kiểm soát ( Hình 23.1) Khi cacbohydrates hô hấp vi khuẩn hiếu khí, khoảng 1/3 số nượng ban đầu bị nhiệt, 2/3 bảo tồn sinh hóa 38 liên kết phosphoanhydride ATP Trong lò phản ứng bùn hoạt tính ao xử lý nước thải mà không nạp nước thải đậm, chiếu xạ tường tổn thất nhiệt với dòng khí thải sục khí vào khí để ngăn chặn tự ấm lên Tuy nhiên, lò phản ứng bùn hoạt tính xử lí nước thải đậm, tự nóng lên đến nhiệt độ ưa nhiệt xảy nước thải ấm bắt đầu, thời gian lưu thủy lực xử lý sinh học ngắn ( thời gian sục khí ngắn), không khí dòng oxy cho khí bị hạn chế để cung cấp đủ oxygen cho trình oxy hóa hoàn toàn chất gây ô nhiễm ( khối lượng khí nhỏ) Năng lượng bảo tồn liên kết phosphoanhydride cuối ATP, hình thành chuỗi chất phosphoryl hóa oxy hóa sinh sản vi khuẩn phần sử dụng để trì trao đổi chất phần cho nhân tế bào.Sự phân vùng giữ ko cố định, tùy thuộc vào tình trạng dinh dưỡng Trong lò phản ứng nạp chất bùn hoạt tính với dư thừ không hạn chế tăng trưởng chất cung cấp, có khoảng 50% số trao đổi chất tế bào 50% phục vụ nguồn carbon cho tăng trưởng tế bào (bảng 1.1) Năng lượng bảo tồn sinh hóa phải xóa để sử dụng cho trì trao đổi chất tế bào tồn phát triễn tế bào Nếu việc cung cấp chất hạn chế tăng trưởng, ví dụ, hệ thống xử lý hiếu khí nạp thấp, tỉ lệ cao ATP tiêu thụ để bảo trì, đại diện cho tỷ lệ lượng vi khuẩn tiêu cho ko tăng trưởng liên quan chuyển hóa tế bào sống lượng có sẵn cho tăng trưởng Nhìn chung, nhiều cacbon chất hiếu khí tỷ lệ sản phẩm hô hấp để dư bùn hình thành cao hơn, ví dụ, khoảng 70%: 30% (Bảng 1.1) Trong hệ thống lọc nhỏ giọt, tỉ lệ cao chất dường hiếu khí Điều nguyên sinh động vật ăn cỏ bỏ phần màng sinh học Để so sánh, bảng 1.1 tóm tắt phân tán cacbon suy thoái men vi sinh methanogenic kỵ khí.Chỉ có khoảng 5% chất lên men sử dụng cho tăng trưởng tế bào ( hình thành bùn dư thừa) lò phản ứng kỵ khí, có 95% chuyển thành khí metan CO2, hầu hết lượng chất bảo toàn sản phẩm lên men 2.1.1 Sinh khối cân lượng hô hấp hiếu khí glucose cố định bùn hoạt tính Trong hầu hết sách giáo khoa vi sinh, hô hấp vật chất hữu giải thích phương trình (1), với glucose sử dụng chất mô hình Ngoại trừ lượng pháp phản ứng xác trao đổi chất oxy hóa, khối lượng lượng phân tán, đề cập tất cả, không định lượng Tuy nhiên hai tham số quan trọng cho nhà máy xử lý bùn hoat tính Bùn dư hình thành trình ổn định nước thải đòi hỏi phải tiếp tục xử lí, nguyên nhân chi phí xử lý, và-trong thời gian xử lý dài- nguy môi trường, biến hóa nhiệt trình xử lý hiếu khí cao thể thay đổi mật độ phía chịu nhiệt nhiều loài ưa nhiệt đó, thời gian, làm giảm hiệu trình mol C6H12O6 + mol O2 → mol CO2 + mol H2O + heat energy (1) Nếu mol glucose (MW= 180g) bị suy thoái hệ thống bùn hoạt tính với tốc độ tải BOD cao ( ví dụ, > 0,6 kg m-3 d-1 BOD), khoảng 0,5 mol (90g) hô hấp CO2 nước, với mức tiêu thụ mol O2 (96g) phát hành 19 mol ATP (hình 1.1) 0,5 mol khác glucose (90g) chuyển thành pyruvate đường glycolytic, kèm theo hình thành 0,5-1 mol ATP Pyruvate sản phẩm chuyển hóa tiếp theo, ví dụ axit axetat carboxylic, sử dụng trực tiếp làm chất cacbon cho nhân tế bào thình thành sinh khối dư Một số lượng tối đa 20 mol ATP vậy, có sẵn cho tăng trưởng bảo trì ( Hình 1.1) Tại pH 7, khoảng 44kJ lượng có sẵn cho tăng trưởng mol ATP thủy phân cho ADP phosphate vô ( thauer et al.1977) Đối với sản lượng tăng trưởng bình quân mol hiếu khí 4,75g mol ATP (Lui, 1998), 90g sinh khối tạo từ 180g glucose Nếu lượng đốt g tế bào khối lượng kho 22KJ, khoảng 890 kJ (2870980 KJ) bị nhiệt cho trình hô hấp (hình 1.1) Sự mát lượng tổng tổn thất nhiệt trình hô hấp tăng trưởng tế bào Với tốc độ tải BOD thấp, tỷ lệ hô hấp glucose liên quan đến tỷ lệ glucose cố định sinh khối dư thừa thay đổi Lên đến 0,7 mol (126 g) glucose bị oxy hóa thành CO2, đòi hỏi 4,2 mol oxy (134.4 g O2) Như vậy, hô hấp mol glucose, số tiền khác oxy tiêu thụ, tùy thuộc vào tốc độ tải hệ thống xử lý nước thải lượng khác carbon dioxide bùn dư thừa hình thành (Hình 1.1, Bảng 1.1) Sự cân lượng carbon suy luận tương tự áp dụng để ổn định hiếu khí bùn thải thô Nếu hàm lượng chất khô ban đầu khoảng 36g L-1 (hàm lượng chất khô hữu trung bình bùn thải) phân hủy sinh học 50% thời gian cư trú lò phản ứng bùn thu được, khoảng g L-1 sinh khối hình thành, 27 g L-1 (36-18 + 9) nước thải Năng lượng nhiệt phát hành khoảng 89 kJ L-1 nội dung lò phản ứng Để ước tính tăng nhiệt độ lý thuyết, lượng lượng nhiệt phải chia cho 4.185 kJ (yêu cầu lượng cụ thể để sưởi ấm lít H2O 14,5-15,5 ° C) Như vậy, cách hô hấp 18 g L-1 chất khô hữu cơ, nhiệt độ tăng lò phản ứng 21,3 ° C thời gian cư trú cần thiết cho xuống cấp (≤16 h), với điều kiện lượng nhiệt bị Một tỷ lệ lớn lượng nhiệt được, nhiên, chuyển qua giai đoạn lỏng khí sục khí tước ra, tỷ lệ nhỏ bị thông qua chiếu xạ từ tường lò phản ứng Từ không khí, chứa gần 80% nitơ, thường sử dụng nguồn oxy ao sục khí lò phản ứng bùn hoạt tính, khả truyền nhiệt khí thải đủ cao để ngăn chặn gia tăng đáng kể nhiệt độ nước thải Như vậy, môi trường xung quanh nhiệt độ ưa nhiệt trung bình trì Nhiệt độ ngày tăng vài độ C dẫn đến thay đổi dân số lò phản ứng - tạm thời - dẫn tới làm giảm ổn định trình, nhiệt độ tăng nhẹ vài độ C đơn giản kích thích hoạt động trao đổi chất phổ biến quần ưa nhiệt trung bình Trong thực tế, hệ thống xử lý nước thải bùn hoạt tính không tự sưởi ấm quan sát phân hủy có khoảng 50% chuyển nhiệt hoàn toàn với không khí xảy thông qua khí thải thời gian trì 0,5 d Tuy nhiên, nước thải từ nhà máy sữa nhà máy bia có nồng độ COD tương tự, với gần 100% thành phần tự phân hủy, cố định oxy tinh khiết, tiến hóa nhiệt gấp đôi, dẫn đến gia tăng nhiệt độ lý thuyết 57 ° C Tự sưởi ấm quan sát, kể từ có nhiều khí thải mát nhiệt thấp đáng kể Ngoài ra, tỷ lệ phản ứng cao so với bùn thải, nhiệt tạo khoảng thời gian ngắn (thời gian trì ngắn hơn) 2.1.2 Sinh khối lượng cân cho phân hủy kỵ khí Glucose nước thải bùn ổn định: Đối với nước thải kỵ khí xử lý bùn, oxy phải loại trừ để trì oxi hóa khử thấp cần thiết cho tồn hoạt động trao đổi chất quần thể acetate hóa, sulfate hóa , sinh vật sinh metan Thủy phân polymer, hấp thu nguồn carbon hòa tan hay có khả hòa tan, phản ứng chuyển hóa glycolysis lên thành pyruvate hình thành acetate dường tiến hành giống hệt tương tự vi khuẩn hiếu khí kỵ khí Trong đó, hiếu khí oxy hóa acetate chu trình TCA hô hấp tương đương giảm oxy, vi khuẩn kỵ khí, chẳng hạn Ruminococcussp., Clostridiumsp., Hoặc Eubacteriumsp., Hoặc giải phóng hydro phân tử chuyển đổi pyruvate acetate để giảm cao chất chuyển hóa, chẳng hạn lactate, succinate, ethanol, propionate, n-butyrate Để tiếp tục xuống cấp chuỗi thực phẩm kỵ khí, chất chuyển hóa giảm phải oxy hóa kỵ khí vi khuẩn acetate hóa Kể từ trình oxy hóa kỵ khí propionate n-butyrate vi khuẩn acetate hóa kèm theo sản xuất hydro bắt buộc thải nhiệt điều kiện áp suất riêng phần H2 thấp (Bryant, 1979), sinh vật acetate tăng trưởng hydro tiêu thụ sinh vật tiêu thụ hydro methanogen chất khử sulfate Trong thời gian phân hủy kỵ khí glucose mol, khoảng 95% carbon glucose sử dụng để hình thành khí sinh học (171 g = 127,7 L CH4 + CO 2), có khoảng 5% chất carbon (9 g) chuyển đổi thành nhiên liệu sinh học 10 polyphosphate Điều giải thích lý hòa tan lại phosphate phân hủy polyphosphate dự trữ luôn quan sát thấy nhà máy xử lý nước thải để loại bỏ phosphate sinh học Một khả khác tác dụng ức chế oxid nitric (Phần 1.3) adenylate kinase, điều bao gồm phân hủy polyphosphate Acinetobacter sp Đối với tích tụ phosphate sinh học, khả tế bào lưu trữ nguồn dự trữ đóng vai trò thiết yếu Trùng hợp chất lưu trữ hạt nội bào cung cấp lợi đó, thời điểm lưu trữ chất môi trường có nồng độ chất thấp (tại giá trị km thấp), sinh vật tồn tốt nhiều so với vi khuẩn dị dưỡng khác mà chiến lược hiệu cho việc lưu trữ chất Loại bỏ phosphate sinh học trình có hiệu cao dẫn đến nồng độ cuối nước thải phosphate