Nguyên lý loại bỏ vi khuẩn của chất hữu cơ

Vi khuẩn dị dưỡng sử dụng các chất ô nhiễm hữu cơ COD/BOD trong nước thải làm nguồn carbon và năng lượng, phân hủy chúng trong điều kiện hiếu khí/kỵ khí. Quá trình này bao gồm các phân tử lớn → phân tử nhỏ → CO₂, nước, metan và bùn vi khuẩn, do đó loại bỏ các chất ô nhiễm khỏi nước.

1. Thủy phân ngoại bào (Tiền xử lý đại phân tử)

Các phân tử lớn như tinh bột, dầu, protein, cellulose trong nước thải không thể xuyên qua màng tế bào. Vi khuẩn tiết ra các enzyme ngoại bào (amylase, protease, lipase):

• Protein → Axit amin

• Polysaccharid → Glucose

• Dầu → Glycerol + Axit béo Chỉ khi các phân tử lớn được chuyển hóa thành các phân tử hữu cơ nhỏ hòa tan thì chúng mới được vi khuẩn hấp thụ.

2. Vận chuyển chủ động xuyên màng (Vào tế bào)

Các phân tử hữu cơ nhỏ dựa vào protein vận chuyển và tích cực tiêu thụ năng lượng để vượt qua màng tế bào và đi vào tế bào chất.

3. Chuyển hóa sinh hóa nội bào (phân hủy lõi, chia thành hiếu khí/kỵ khí)

(1) Vi khuẩn hiếu khí (bùn hoạt tính, bể hiếu khí, MBR)

Hô hấp hiếu khí: O₂ đóng vai trò là chất nhận điện tử

1. Đường phân: Chất hữu cơ → pyruvate, một lượng nhỏ ATP

2. Chu trình axit tricarboxylic (TCA): phân hủy oxy hóa hoàn toàn

3. Chuỗi vận chuyển điện tử: O₂ kết hợp với H tạo thành H₂O
Sản phẩm cuối cùng: CO₂ + H₂O + vi khuẩn mới (sinh sôi nảy nở, hình thành bùn dư)
Hầu hết nước thải đô thị đều dựa vào vi khuẩn hiếu khí để loại bỏ BOD.

(2) Vi khuẩn kỵ khí (bể kỵ khí, axit hóa thủy phân, UASB)

Không có oxy phân tử; CO₃²⁻/chất hữu cơ là chất nhận điện tử và quá trình này diễn ra theo ba giai đoạn:

1. Vi khuẩn sản xuất axit thủy phân-: Phân tử nhỏ → Axit béo dễ bay hơi (VFA) (axit axetic, axit propionic)

2. Vi khuẩn tạo-axit axetic-hydro: VFA chuỗi dài- → Axit axetic + H₂/CO₂

3. Vi khuẩn sinh metan: Axit axetic/H₂ + CO₂ → CH₄ + CO₂ Sản phẩm cuối cùng: Metan + Carbon dioxide + một lượng nhỏ tế bào vi khuẩn. Quá trình phân hủy bùn và nước thải có nồng độ-cao phụ thuộc vào quá trình phân hủy kỵ khí.

(3) Vi khuẩn khử nitơ kỵ khí (Phần A/O Anoxic)

Sử dụng NO3- thay vì O₂ làm chất nhận điện tử, chúng phân hủy chất hữu cơ đồng thời loại bỏ nitơ nitrat → N₂:
Chất hữu cơ + NO3- → CO2 + N2↑ + H2O
ứng dụng: Quá trình khử nitrat nước thải

1. Khoáng hóa (khoảng 70%): Phân hủy hoàn toàn thành CO₂, H₂O và CH₄, trở thành khí thoát ra khỏi vùng nước;

2. Đồng hóa và tổng hợp (20%~30%): Chất hữu cơ tổng hợp các tế bào vi khuẩn mới, trở thành bùn hoạt tính/bùn dư thừa, được loại bỏ khỏi nước thông qua quá trình tách nước-bùn trong bể lắng thứ cấp;

3. Số lượng nhỏ: Sản phẩm trung gian dư.

• Hiếu khí: DO=2~3 mg/L, pH 6,5~8,5, nhiệt độ thích hợp 20~35 độ ;

• Kỵ khí: Kỵ khí nghiêm ngặt, pH 6,8~7,5, metanogen phát triển mạnh ở 30~38 độ;

• Tỷ lệ dinh dưỡng: BOD:N:P ≈ 100:5:1, vi khuẩn thiếu nitơ và phốt pho không thể phát triển và khả năng phân hủy bị suy giảm.