Phương pháp nguyên cứu khoa học Huỳnh Ngọc Tường Lớp 08 sh112 Dùng vi sinh vật để sử lý nước thải • Lý chon dề tài mơi trường bi ô nhiễm nặng nề,từ nhiều dạng nhiều hình thức chất thải mơi trường da dạng,rắn lỏng,khí,bụi,hơi.chúng làm giảm hệ sinh thái,phá hủy bầu khí quyền • Mục tiêu tìm giải pháp tốt dùng sinh vật có sẵn làm giảm nhiễm mơi trường tốn chi phí Vấn đề cịn lại chế tài chế tốn cho cơng trình làm • Đối tượng khu chế xuất,các khu công nghiệp,các chất hữu nơng nghiệp,các cơng ty có nhiều nước thải độc hại Nội dung • SƠ LƯỢC VỀ CÁC QUÁ TRÌNH VI SINH TRONG BỂ XỬ LÝ NƯỚC THẢI • chương trước q trình xử lý sinh học thường theo sau trình xử lý học để loại bỏ chất hữu nước thải nhờ hoạt động vi khuẩn Tùy theo nhóm vi khuẩn sử dụng hiếu khí hay yếm khí mà người ta thiết kế cơng trình khác Tùy theo khả tài chính, diện tích đất mà người ta dùng ao hồ có sẵn xây dựng bể nhân tạo để xử lý • Q trình hiếu khí hiếu khí khơng bắt buộc (tùy nghi) • Để thiết kế vận hành bể xử lý sinh học có hiệu phải nắm vững kiến thức sinh học có liên quan đến q trình xử • lý Trong bể xử lý sinh học vi khuẩn đóng vai trị quan trọng hàng đầu chịu trách nhiệm phân hủy thành phần hữu nước thải Trong bể bùn hoạt tính phần chất thải hữu vi khuẩn hiếu khí hiếu khí khơng bắt buộc sử dụng để lấy lượng để tổng hợp chất hữu lại thành tế bào vi khuẩn Vi khuẩn bể bùn hoạt tính thuộc giống Pseudomonas, Zoogloea, Achromobacter, Flavobacterium, Nocardia, Bdellovibrio, Mycobacterium hai loại vi khuẩn nitrát hóa Nitrosomonas Nitrobacter Ngồi cịn có cácloại hình sợi Sphaerotilus, Beggiatoa, Thiothrix, Lecicothrix Geotrichum Ngồi vi khuẩn vi sinh vật khác đóng vai trị quan trọng bể bùn hoạt tính Ví dụ nguyên sinh động vật Rotifer ăn vi khuẩn làm cho nước thải đầu mặt vi sinh • Khi bể xử lý xây dựng xong đưa vào vận hành vi khuẩn có sẵn nước thải bắt đầu phát triển theo chu kỳ phát triển vi khuẩn mẻ cấy vi khuẩn Trong thời gian đầu, để sớm đưa hệ thống xử lý vào hoạt động ổn định dùng bùn bể xử lý hoạt động gần cho thêm vào bể hình thức cấy thêm vi khuẩn cho bể xử lý Chu kỳ phát triển vi khuẩn bể xử lý bao gồm giai đoạn: • Giai đoạn chậm (lag-phase): xảy bể bắt đầu đưa vào hoạt động bùn bể khác cấy thêm vào bể Đây giai đoạn để vi khuẩn thích nghi với mơi trường bắt đầu q trình phân bào • Giai đoạn tăng trưởng (log-growth phase): giai đoạn tế bào vi khuẩn tiến hành phân bào tăng nhanh số lượng Tốc độ phân bào phụ thuộc vào thời gian cần thiết cho lần phân bào lượng thức ăn mơi trường • Giai đoạn cân (stationary phase): lúc mật độ vi khuẩn giữ số lượng ổn định Nguyên nhân giai đoạn (a) chất dinh dưỡngcần thiết cho trình tăng trưởng vi khuẩn bị sử dụng hết, (b) số lượng vi khuẩn sinh với số lượng vi khuẩn chết • Giai đoạn chết (log-death phase): giai đoạn số lượng vi khuẩn chết nhiều số lượng vi khuẩn sinh ra, mật độ vi khuẩn bể giảm nhanh Giai đoạn lồi có kích thườc khả kiến đặc điểm mơi trường • Một đồ thị điển hình tăng trưởng vi khuẩn bể xử lý • Cũng cần thêm đồ thị mô tả tăng trưởng quần thể vi khuẩn đơn độc Thực tế bể xử lý có nhiều quần thể khác có đồ thị tăng trưởng giống dạng khác thời gian tăng trưởng đỉnh đồ thị Trong giai đoạn có lồi có số lượng chủ đạo thời điểm điều kiện pH, oxy, dinh dưỡng, nhiệt độ phù hợp cho lồi Sự biến động vi sinh vật chủ đạo bể xử lý biểu diễn hình bên Khi thiết kế vận hành hệ thống xử lý phải để ý tới hệ vi sinh vật này, không nên nghĩ "hộp đen" với vi sinh vật bí mật • Đồ thị tăng trưởng tương đối vi sinh vật bể xử lý nước thải • Nguồn: Wastewater Engineering: treatment, reuse, disposal, 1991 • • Như nói vi khuẩn đóng vai trị quan trọng hàng đầu bể xử lý nước thải Do bể phải trì mật độ vi khuẩn cao tương thích với lưu lượng chất ô nhiễm đưa vào bể Điều thực thơng qua q trình thiết kế vận hành Trong trình thiết kế phải tính tốn xác thời gian tồn lưu vi khuẩn bể xử lý thời gian phải đủ lớn để vi khuẩn sinh sản Trong trình vận hành, điều kiện cần thiết cho trình tăng trưởng vi khuẩn (pH, chất dinh dưỡng, nhiệt độ, khuấy trộn ) phải điều chỉnh mức thuận lợi cho vi khuẩn • Vi sinh vật chọn lọc đặc biệt UTI tiêu hoá nhiều chất hữu cách hiệu Điều làm tăng mức tiêu thụ cácbon kết tăng tiêu thụ chất thải (chất dinh dưỡng cho tăng trưởng chúng), việc hấp thụ amơniắc nguồn nitơ cao so vơí quần thể vi sinh tự nhiên có hệ thống xử lý nước thải Chúng có khả sử dụng nguồn nitơ từ nitrít nitrát cho việc hơ hấp (khử nitơ) để sinh trưởng • • Các lồi vi khuẩn có sản phẩm UTI thuộc loài dị dưỡng, sử dụng cácbon hữu nguồn thức ăn lượng chúng Trước tiên chất hữu bị ơxy hố tế bào chúng để có lượng, đồng thời cácbon hữu bị đồng hố thành tế • bào vi khuẩn cách sử dụng nguồn lượng từ amơniắc nguồn nitơ ưa thích (Chất hữu + O2 + chất dinh dưỡng (nitơ, phốtpho) = tế bào mới) • Trong q trình này, việc loại bỏ hoàn toàn nitơ xảy theo ba chế riêng biệt: • • Các vi sinh vật sản phẩm UTI vi khuẩn phân huỷ chất hữu hiệu chất gốc hữu khác (kể số hợp chất độc) Kết khả hấp thụ cácbon cao thường gặp hệ thống xử lý nước thải Vì amơniắc nguồn nitơ cho vi khuẩn, nên làm giảm xử lý nước thải Hơn với tăng hấp thụ cácbon, mức BOD COD giảm theo làm tăng hiệu hoạt động hệ thống • • • Các vi sinh vật UTI coi tác nhân khử nitơ hiệu qủa giới Chúng sử dụng nitrít/nitrát cho việc hơ hấp lượng ơxy hồ tan xuống q thấp Cho dù có hệ thống sục khí hồn chỉnh, mức ôxy hoà tan thấp chuyện thường thấy Sự khử nitơ cho phép việc ơxy hố hồn tồn chất hữu tạo khí CO2 nước Cơ chế thứ ba liên quan đến việc sử dụng nitrít nitrát nguồn dưỡng chất vi khuẩn q trình đồng hố Những nghiên cứu sản phẩm cho thấy chúng có khả sử dụng nitrít nitrát cho mục đích sinh trưởng amơniắc khơng cịn hệ thống Các kết tương tự hoạt động nuôi trồng thủy sản, gia súc, nhà máy chế biến nhà máy lọc dầu Các dòng vi sinh chọn lọc cách đặc biệt UTI có khả phân hủy amơniắc tiêu hóa số hợp chất hữu độc hại, điều đem lại cho phương thức xử lý nước thải giải pháp tốn Tăng cường sinh học hỗn hợp vi khuẩn/enzym UTI giúp loại bỏ nitơ nước thải thay chuyển hố nitơ dạng (ví dụ: ammonia) thành dạng nitơ khác (nitrít hay nitrát) Các sản phẩm UTI an toàn, dễ sử dụng không gây hại cho người, động vật, thực vật mơi trường • • • • • • • • • • III CÔNG NGHỆ VI SINH TRONG SẢN XUẤT CHẾ PHẨM SINH HỌC BZT Giải thích vi khuẩn: Quá trình ổn định vi khuẩn làm việc Vi khuẩn sinh sản trình gọi nhân đơi - tế bào sinh cách chia đôi từ tế bào mẹ Một số sinh sản nhanh điều kiện thích hợp Nếu có thực phẩm, độ ẩm thích hợp nhiệt vi sinh bắt đầu sinh sản vòng chưa đến hai mươi phút, tám tế bào ban đầu nhân lên thành 17 triệu vi khuẩn Vi khuẩn chọn lọc, nuôi cấy môi chất Dưới giám sát, vi khuẩn sau lọc chuyển qua bồn lên men sinh học 250 lít sinh trưởng vòng 20 Sau kiểm tra chất lượng độ khiết, vi khuẩn đưa sang bồn lên men kín vơ trùng có dung tích 5.000 lít để bắt đầu giai đoạn sản xuất Dưới điều kiện pH thích hợp, dung dịch đường vơ trùng ôxy đưa vào để nuôi vi khuẩn Trong suốt trình này, sản phẩm lấy mẫu để theo dõi vô trùng thông số tăng trưởng • Trong vịng 24 giờ, thu hoạch vi khuẩn cô đặc máy ly tâm cực nhẹ Vi khuẩn cô đặc bọc lại chất keo betaglucan qui trình cấp sáng chế Qui trình giúp vi khuẩn chống lại độ ẩm để trì sống thời gian bảo quản trộn với chất mang • • Sau sản phẩm làm lạnh nhanh hệ thống lạnh lỏng trước đưa vào sấy nhiệt độ âm 40oC hệ thống phòng lạnh lớn Qui trình sấy lạnh hai bước này, điều kiện độ ẩm 5%, bảo đảm tỷ lệ sống sót vi khuẩn cao sẵn sàng cho giai đoạn cí kiểm tra để đảm bảo dịng vi khuẩn khơng nhiễm khuẩn salmonella • • • Giải thích Enzym: Enzym Enzym hoạt động Enzym protein, sản xuất tự nhiên từ thực vật, động vật, vi khuẩn, nấm sinh vật khác, cần thiết cho sống Chúng chất xúc tác thúc đẩy tốc độ phản ứng hố học mà khơng làm thay đổi tính chất chúng Các loại enzym thị trường trích từ vi khuẩn hay nấm loại: Bacillus, Aspergillus Trichoderma Enzym làm việc cách cắt hợp chất phức hợp (hợp chất nền) thành hợp chất đơn, dễ dàng cho vi khuẩn sử dụng chất dinh dưỡng chúng Enzym từ nguồn khác làm việc có hiệu qủa tối ưu nhiệt độ độ pH cụ thể Đây điều cần xem xét cẩn thận chọn sản phẩm enzym Enzym phân loại theo hợp chất (chất nền) mà chúng hoạt động Ví dụ, proteases phân hủy proteins, cắt chúng thành amino acids peptides Cellulases cắt cellulose, thành phần khơng thể tiêu hố có nhiều thành tế bào thực vật , thành đường đơn Chỉ cần lượng nhỏ để phân hủy lượng lớn chất nền, tỷ lệ enzym chất từ 1/1.000 đến 1/1.000.000 • • • • • Enzym có ổn định khơng Để làm việc có hiệu quả, enzym cần phải chiụ bả? quản, axít phân giải protein Enzym UTI sản xuất từ dịng vi khuẩn cơng nghệ tối ưu, sau làm ổn định cơng nghệ cấp sáng chế Khi trộn với vi khuẩn, hoạt động chúng không bị ảnh hưởng bảo quản kéo dài hay hợp chất ơxy hố vitamin, khoáng chất điều kiện dễ phân hủy khác Làm so sánh enzym khác • Với nhiều sản phẩm enzym có thị trường, vấn đề so sánh xác chất lượng sản phẩm quan trọng Nhưng thật khơng may, chưa có phương pháp thử nghiệm giải thích chuẩn hố hoạt động enzym Và nhà sản xuất có cách thử nghiệm riêng nên khó so sánh trực tiếp sản phẩm với Một số sản phẩm liệt kê số lớn enzym nhãn làm cho có nồng độ cao, nên nhớ số lượng tương đối đơn vị thí nghiệm hay hoạt động Cách tốt thử nghiệm đồng thời sản phẩm tương tự phòng thí nghiệm phương pháp thí nghiệm Một quy trình độc đáo UTI sử dụng enzym chất sản phẩm điều làm cho mạnh gần 10 lần so với sản phẩm enzym khác • • • • • • Tại chế phẩm BZT lại dạng bột Trước đây, sản phẩm sinh học thường có hai dạng: lỏng bột Điều quan trọng cần nhớ sản phẩm sinh học thể sống Khi vi khuẩn ăn sinh sản điều kiện khơng giống phịng thí nghiệm (nhiệt độ, pH, nguồn thực phẩm cụ thể), hệ sau trở nên hiệu qủa Hầu hết nhà sản xuất thường thêm nguồn thực phẩm vào sản phẩm dù dạng lỏng hay bột Nguồn thực phẩm cho vi khuẩn thường loại ngũ cốc Vì vi khuẩn tiêu hóa sinh sản điều kiện khơng phải phịng thí nghiệm, hiệu qủa sản phẩm giảm nhanh chóng Khi sản phẩm đến tay người sử dụng, họ chẳng có bảo đảm hiệu qủa sản phẩm Hơn nưã thời gian bảo quản sản phẩm thường ngắn UTI sử dụng quy trình ?bọc? vi khuẩn cấp phát minh nói tất loại sản phẩm Vi khuẩn không chết mà không sống, chúng bị làm cho ngừng hoạt động Khi trộn với nước, lớp bảo vệ bị hồ tan người sử dụng tin hệ vi khuẩn với nồng độ cao sẵn sàng làm việc Quy trình tạo vi bào tử làm cho sản phẩm chúng tơi có thời hạn sử dụng tối thiểu năm • • • • • • • • • • Tại phải phối hợp vi khuẩn với Enzym Trước đây, sản phẩm sinh học thường vi khuẩn, enzym hay vi khuẩn tạo enzym Những nghiên cứu vi sinh học thấy tất vi khuẩn tạo enzym cụ thể để tiêu hoá thức ăn chúng thiên nhiên Enzym cắt nguồn thức ăn thành chất mà vi khuẩn ăn Nếu sử dụng sản phẩm vi khuẩn hay vi khuẩn để tạo enzym (nên nhớ vi khuẩn tạo enzym), bạn dựa vào vi khuẩn để tạo enzym bạn cần, phần cơng việc mà bạn mong muốn vi khuẩn thực Thật không may, đa số sản phẩm không ổn định, bạn phải dùng dòng vi khuẩn hiệu qủa thực công việc mà chúng không thực Với sản phẩm enzym không thôi, bạn chưa hồn thành cơng việc mong muốn, đơn giản chuyển nguồn thực phẩm thành hình thức đơn giản khơng tiêu hố chúng Sản phẩm có enzym khơng thơi đẩy vấn đề nước thải xuống thấp làm cho vấn đề trở nên nghiêm trọng sau Bằng phối hợp dịng vi khuẩn thích hợp với enzym cần thiết, UTI có cơng thức sản phẩm có tác dụng tức thời Sự tiêu hóa nhanh chóng làm cho dòng vi khuẩn bám vào nguồn thực phẩm ăn khơng cịn thức ăn Nguồn thực phẩm nước thải mà bạn cần xử lý Thực tế cho thấy sản phẩm UTI vượt trội sản phẩm khác Khách hàng nói với sản phẩm UTI họ chẳng dùng sản phẩm khác • • • • • • • Những mầm bệnh có nguồn gốc vi sinh Một điều cần hiểu rõ phương cách xử lý UTI không sử dụng loại vi khuẩn mang mầm bệnh việc dọn môi trường ô nhiễm Một số vật liệu bị sử dụng khơng qui trình trở nên nguy hại hay dẫn đến chết người Ví dụ muối ăn thông thường trở nên độc hại sử dụng với liều lượng lớn, nước hay khơng khí tiêm vào mạch máu làm chết người tức Mặc dù, nước, muối khơng khí chưa coi chất độc Cũng vậy, gần vi khuẩn giết chết chủ bị sử dụng khơng qui cách Các lý liệt kê: Thứ nhất, vi khuẩn mang bệnh thông thường không dùng xử lý môi trường Thứ hai, diện mầm bệnh có hại môi trường kết tác động người hay sinh vật trung gian trước khơng có nguồn gốc từ qui trình xử lý vi sinh Thứ ba, nguồn bệnh trú ẩn đất nước môi trường không bị kích động sống dậy qua qui trình xử lý vi sinh, yêu cầu dinh dưỡng chúng cung cấp từ qui trình Thứ tư, giáo trình vi snh học nêu rõ vi khuẩn mang bệnh cần môi trường vật lý bên sinh vật hay thể trung gian khoảng 37oC để nảy mầm, nhân giống gây bệnh Thứ năm, mơi trường đất hay nước (hồn tồn xa lạ với nhu cầu vi khuẩn mang bệnh) không khơng hỗ trợ nhu cầu sinh hóa cho vi khuẩn mang bệnh • Cần nhấn mạnh hoạt động ni trồng hình thức dẫn đến tiếp xúc thân thiết người với đất nước Ngồi cịn dùng phân bón súc vật để cải tạo đất kích thích phát triển vi khuẩn đất cho trình chuyển đổi dinh dưỡng Sự phòng ngừa vi khuẩn gây bệnh ưu tiên hàng đầu nhà nơng lý nêu • Sử dụng phương thức nhân rộng vi khuẩn thay cho số lượng vi khuẩn có sẵn xử lý • • Sự tăng trưởng vi sinh định nghĩa bổ sung phương pháp nuôi trồng vi khuẩn tăng trưởng để thực nhiệm vụ xử lý mơi trường xác định Tại UTI vi khuẩn nuôi trồng UTI đặc biệt chọn lựa từ môi trường tương tự, sàng lọc cho hoạt động sinh học mong muốn tăng trưởng với khối lượng lớn thùng lên men Hoạt động nuôi trồng thu hoạch, thí nghiệm để làm tạo sản phẩm dễ sử dụng • • • • • • • Ap dụng phương thức nuôi trồng UTI cho nước thải đất ô nhiễm cung cấp khối lượng lớn vi khuẩn hoạt hóa chất thải cần phải xử lý Nếu chất béo dầu mỡ từ nhà hàng hay sản phẩm hóa dầu thấm đất, khối lượng vi khuẩn hoạt hóa bổ sung để lau chất thải cách kịp thời Các vi khuẩn chỗ thường gặp tự nhiên môi trường xác định Chúng thông thường diện với số lượng nhỏ hay không đủ khả để phân rã sinh học chất thải có hại Nếu có đáp ứng nhanh chóng quan trọng, việc dựa vào số lượng ỏi vi khuẩn chỗ khơng cịn thích hợp Trong vài trường hợp vi khuẩn chỗ khơng có khả phân hủy loại chất thải đặc biệt Trong trường hợp này, phương thức nhân rộng vi khuẩn UTI phương thức cung cấp khối lượng vừa đủ vi khuẩn phù hợp để thực việc phân hủy chất thải Như ngành công nghiệp sản xuất sữa, ngày thường có thêm hình thức dùng khai vị để đảm bảo việc dùng sản phẩm lên men mát sữa chua UTI bổ sung thêm vi khuẩn tăng trưởng đặc trưng để đảm bảo việc dọn chất thải đất nước Mấy năm gần đây, công nghệ UTI đạt thành quả, nhiều dạng đất nước bị ô nhiễm với hợp chất ammonia, hydrogen sulfide, thuốc trừ sâu, hợp chất dầu mỏ, số hoá chất hữu độc hại xử lý thành cơng với cơng nghệ UTI • • • • • • • • • • • • Chuyển đổi BOD Oxygen BOD (nhu cầu oxygen sinh hố) khối lượng oxygen hịa tan tiêu thụ vi khuẩn q trình oxy hố chất hữu vơ Thí nghiệm BOD xây dựng nhằm ngăn ngừa hậu nước thải tới nguồn nước xác định khả tiêu hóa chất hữu chúng Sự chuyển đổi oxygen lớn nước vấn đề phức tạp có nhiều nhà khoa học bỏ đời để nghiên cứu Việc cho oxygen chuyển đổi bọt khí lớn vài trường hợp chủ yếu việc lên men mà protein bao phủ bề mặt bọt khí Đó nguyên nhân phải sử dụng máy đạp khí bơm khí q trình lên men Cơng thức UTI UTI thường xuyên bị hỏi làm mà cơng ty giữ bí mật bảo vệ thành phần vi khuẩn giống enzyme công thức UTI cho không bị chép Câu trả lời UTI tạo tác nhân che chắn có nhiệm vụ bọc kín vi khuẩn Nếu mua sản phẩm UTI đem phân tích tìm thấy số dạng vi khuẩn xác định loại giống vi khuẩn, đảm bảo với cách thức bọc UTI khơng có cách xác định xác thành phần sản phẩm Tác nhân che chắn công thức sinh học lột bỏ thơng số phát Nhờ có tác • • • • • • nhân che chắn mà UTI đảm bảo sản phẩm sinh học BZT tìm thấy UTI mà thơi Đi đơi với qui trình bao bọc vi sinh bạn cịn có sản phẩm vi sinh với thời gian sử dụng chưa nghe thấy năm Sự sống vi khuẩn Nhằm giúp cho phương thức xử lý vi sinh đạt kết quả, khối lượng vi khuẩn tham dự phải giữ sống nhân rộng lên môi trường Sự sống hay tồn lực lượng vi khuẩn mang tính định Những vi khuẩn UTI tồn lâu dài điều kiện khắc nghiệt nhờ chế tạo thành nội bào tử Ngay áp lực nén lên vi khuẩn (như thời kỳ khô hạn, thiếu ăn, v.v), nhịp trao đổi chất hạ tới điểm mà hình thành bao tử bùng phát Điều làm cho vi khuẩn tống bớt nước thành phần tế bào dư thừa, co lại vật liệu di truyền, tạo vỏ bao bọc để ngăn cản thẩm thấu từ bên Trong bào tử này, sinh vật trạng thái mơ ngủ, không trao đổi chất, không thở hay không nhân rộng Chỉ đơn giản nghỉ đợi chờ điều kiện môi trường thích hợp để nảy mầm Những bào tử chịu đựng trang thái khó chịu thời gian dài bị đốt nóng, xấy khơ, làm lạnh, hay môi trường độc hại nồng độ muối cao Ngay bị xấy khô bào tử sống đến chục năm Ngoài bào tử cịn có sức chịu đựng cao xạ hóa chất độc hại • Ý nghĩa giải cấp bách mơi trường,vấn đề nóng xã hội lồi người sống đại hóa,cơng nghiệp hóa,nâng cao tuổi thọ trái đất,giảm thiểu ô nhiễm môi trường ... đề phức tạp có nhiều nhà khoa học bỏ đời để nghiên cứu Việc cho oxygen chuyển đổi bọt khí lớn vài trường hợp chủ yếu việc lên men mà protein bao phủ bề mặt bọt khí Đó nguyên nhân phải sử dụng... ứngCác chất dinh dưỡngCác yếu tố môi trường (nhiệt độ, pH)Bể lọc sinh học nhỏ giọt Loại nguyên liệu làm giá bám chiều cao cột nguyên liệu nàyChế độ nạp nước thải chất hữu cơHiệu suất thơng khíTỉ... ứngCác chất dinh dưỡngCác yếu tố môi trường (nhiệt độ, pH)Bể lọc sinh học nhỏ giọt Loại nguyên liệu làm giá bám chiều cao cột nguyên liệu nàyChế độ nạp nước thải chất hữu cơHiệu suất thơng khíTỉ