Vi khuẩn vi sinh dạng sợi trong xử lý nước thải

Vi khuẩn sợi có lợi hay có hại? VI KHUẨN SỢI LÀM CÔNG VIỆC GÌ ?

Vi khuẩn sợi (Filamentous)

Một thuật ngữ chung hay bị dùng sai trong các nhà máy xử lý nước thải đó là nếu không có các vi sinh dạng sợi làm cầu nối và có thể thấy chúng ở giữa cấu trúc của bông bùn thì họ cho rằng không có vi sinh dạng sợi. Trong thực tế, vi sinh dạng sợi ở bên trong bông bùn có thể là nguyên nhân gây ra nhiều sự cố hơn là ở dưới dạng một cầu nối mảnh mai.

Sự khác biệt vi sinh dạng sợi với dạng cầu nối?

Cầu nối là khác vi sinh dạng sợi nằm ngoài cấu trúc trông bùn thông thường và tạo ra một cầu nối giữa các cấu trúc bông bùn với nhau. Nhiều nhà máy nghĩ rằng có duy nhất một sự cố khi họ có các vi sinh dạng sợi nằm ngoài gây ra sự cố lớn. Thực tế, có ba cách để gây ra lượng lớn khuẩn lạc tại nhà máy là vi sinh dạng sợi nội tại, vi sinh dạng sợi ngoại tại hoặc không phải vi sinh dạng sợi nằm phía ngoài bông bùn được sinh ra bởi vi sinh zooglea, nấm trong các nhà máy xừ lý nước thải tập trung của nhà máy giấy, nhà máy dệt sợi, sản xuất khăn giấy.

Có sự khác biệt gì? và chúng tác động vào nhà máy như thế nào? Chúng ta hãy cùng xem cận cảnh về tình huống của loại vi khuẩn này.

Các vi sinh dạng sợi có thể ở bên trong, bên ngoài bông bùn hoặc trôi nổi tự do trong nước. Các vi sinh dạng sợi ở trong bông bùn giống như bọt biển. Chúng rất khó xử lý và khó gạn lắng chất rắn (dewater). Các vi sinh dạng sợi ngoại tại giữ cho các cấu trúc bông bùn kết hợp lại với nhau và đóng thành từng mảng bùn.

Các vi sinh dạng sợi trôi nổi tự do trong nước là nguyên nhân gây ra vấn đề về TSS. Vi khuẩn Zooglea và nấm gây ra sự cố váng bọt (foaming), độ nhờn của nước (sliming) hoặc bung bùn có sợi (bulking).

Đầu tiên hãy xem xét một số mẫu lấy từ một vài nhà máy có lượng lớn bung bùn có sợi nằm bên ngoài (external bulking) và hầu hết các nhà vận hành nghĩ rằng chỉ có một trường hợp duy nhất đối với sự cố do vi sinh dạng sợi gây nên. Các vi sinh dạng sợi ngoại tại (external filaments) là các vi khuẩn dạng sợi đã cố gắng vươn mình vào bung bùn hòa tan (bulk solution) và rất khó để loại bỏ chất này. Vi khuẩn dạng sợi hình thành một cầu nối giữa cấu trúc bông bùn và làm thành mảng bông bùn khó bị xử lý. Các mảng bông bùn chiếm một lượng lớn khoảng không gian trong diện tích của bể lắng, bể sinh học hoặc thậm chí ngay cả bể hiếu khí.

Sự hình thành tạo bông của khối vi sinh vật là do những vi khuẩn trong bông bùn như vi khuẩn Zooglea, Pseudomonas, Flavobacterium và Acinetobacterium, cùng các loại vi khuẩn dạng sợi như Sphaerotilus và Beggiatoa, Vitreoscilla. Các vi khuẩn này gây ra sự cố bung bùn khi nồng độ oxy trong bông bùn bị giới hạn, số lượng vi khuẩn hiếu khí giảm khi kích thước bông bùn tăng. Phần bên trong bông bùn lớn tạo điều kiện thuận lợi cho những vi khuẩn kỵ khí nghiêm ngặt như vi khuẩn tạo khí methane. Người ta cho rằng sự có mặt của vi sinh vật tạo methane có thể là do sự tạo thành của những hốc kỵ khí trong bông bùn hoặc có thể là do sự tiếp nhận của một số vi sinh vật tạo methane đối với oxy.

Zooglea là những vi khuẩn tạo ra polysaccharide ngoại bào, có hình dạng là những nhánh hình ngón tay, chúng sống ở môi trường giàu chất hữu cơ, tiêu thụ các chất m-butanol, tinh bột hay m-toluate làm nguồn carbon và chúng được tìm thấy trong những giai đoạn khác nhau của xử lý nước thải. Tuy nhiên cũng còn có các vi khuẩn tự dưỡng như vi khuẩn nitrát hóa và vi khuẩn quang dưỡng (như vi khuẩn Rhodospirillacease).

À mà … Zooglea cũng xin giới thiệu thêm bạn đồng hành “anh chàng” nấm (fungi) và “nàng” Protozoa được không nhỉ? Uh, uh … c…ũng …cũng … đ … ược … được … th … ôi … thôi! Hi hi hi … tới phiên “Fungi” và Protozoa giới thiệu đi

Nấm (fungi)

Có một số loại nấm thường có trong bùn như Geotrichum, Penicillium, Cephalosporium, và Alternaria và chúng chỉ sống ở điều kiện độ pH thấp, độc chất, chất thải thiếu ni-tơ. Trong bung bùn người ta thấy có rất nhiều Geotrichum khi ở điều kiện độ pH thấp trong nước thải acid.

Protozoa

Trong hệ thống bùn hoạt tính hoạt động tốt, vi khuẩn không dính kết với bông bùn thường bị Protozoa “xơi hết”. Protozoa ở dưới dạng tế bào phân tán riêng lẻ làm cho nước thải bị đục. Có nghĩa là càng nhiều vi khuẩn phân tán thì quá trình tạo bông bùn thất bại và chỉ xảy ra khi BOD cao, oxy bị giới hạn.

Một điểm khác các yếu tố gây độc tố (như kim loại) cũng có thể gây ra những vi khuẩn phân tán trong bông bùn.

Hiện tượng bung bùn và lên bọt bùn

Bung bùn không có sợi là vi khuẩn Zooglea hay còn gọi là bung bùn Zooglea, làm cho bùn có tính lắng và tính nén giảm. Trường hợp này ít gặp. Nếu có, xử lý bằng clo hóa.

Sở dĩ bông bùn kém lắng và cho nước đục là do bông bùn điểm (pinpoint flocs) phá hủy những bông bùn thành những mảnh rất nhỏ có thể đi vào nước thải ra bùn hoạt tính. Người ta tin rằng những vi khuẩn sợi tạo ra xương sống của bông bùn khi xuất hiện với số lượng thấp. Kết quả là bông bùn kém lắng và nước bị đục.

Khi khử nitrát quá mức làm thiếu oxy trong bể dẫn đến hiện tượng lên bùn (rising sludge). Hạt bùn bám dính vào bọt nitơ và tạo thành một lớp bùn ở bề mặt của bể làm trong và làm cho nước thải ra bị đục và BOD5 tăng. Có thể giảm thời gian lưu bùn (tăng tốc độ tuần hoàn của bùn) trong bể lắng sẽ khắc phục được hiện tượng lên bùn.

Hiện tượng bọt và váng bọt là do tăng sinh khối của vi khuẩn Norcadia và Microthrix trong bể hiếu khí.

Bảng 9.1. Tóm tắt nguyên nhân và hậu quả của sự cố trong bùn hoạt tính

Sự cố	Nguyên nhân	Hậu quả
Sự phát triển phân tán.	Vi sinh vật không tạo thành bông nhưng khuyếch tán, tạo thành những cụm nhỏ hay tế bào đơn lẻ.	Nước đầu ra đục: không có vùng lắng trong bùn.
Nhày: bung bùn có nhớt (cũng có thể gọi là việc bung bùn không sợi).	Vi sinh vật hiện diện với số lượng lớn trong lớp màng ngoại bào.
Bông bùn điểm.	Những bông bùn nhỏ, chắc, yếu và có cấu hình được tạo thành lắng nhanh. Những khối tụ nhỏ hơn lắng chậm.	Chỉ số thể tích bùn SVI thấp và nước thải đầu ra bị đục.
Bung bùn.	Những vi sinh vật sợi bành trướng khỏi bông bùn và cản trở việc nén và lắng của bùn.	Chỉ số thể tích SVI cao, nước đầu ra rất trong.
Lên bùn (lên lớp bùn).	Việc khử nitrát trong bể lắng đợt hai tạo ra những bông khí nitơ, bám dính với bùn hoạt tính và nổi lên trên bề mặt bể lắng đợt hai.	Lớp váng của bùn họat tính được tạo thành trên mặt của bể lắng đợt hai.
Bọt và váng bọt.	1. Chất hoạt diện bề mặt không bị thoát biến 2. Hiện diện loài Nocardia và đôi khi 3. Hiện diện của Microthrix parvicella.	Lượng lớn bọt nổi của chất rắn trong bùn hoạt tính tới bề mặt đơn vị xử lý. Bọt tích lũy và có thể bị thối. Chất rắn có thể chảy tràn vào bể lắng đợt hai hay có thể tràn lên lối đi.

(nguồn: Vi sinh vật và môi trường – Đỗ Hồng Lan Chi, Bùi Lê Thanh Khiết, Nguyễn Thị Thanh Kiều, Lâm Minh Triết)

Xí quên nha! Zooglea mải nói chuyện … xém chút xíu lại quên khuấy mất “nàng” bung bùn sợi (filamentous bulking). No star where! (hổng sao đâu), “dím” tui thì tui cũng xuất hiện trình làng mà!

Bung bùn có sợi (filamentous bulking)

Một khi chất rắn và tính lắng của chất rắn trong bể làm trong của hệ thống bùn lắng kém thì xảy ra hiện tượng bung bùn có sợi và thông thường là do nhiều vi sinh vật dạng sợi gây ra. Đây là hiện tượng phổ biến trong bông bùn hoạt tính và chúng cũng có thể cạnh tranh với những vi khuẩn tạo bông bùn ở những điều kiện đặc trưng như sau:

* Công thức tính đo lắng của bùn SVI = V x 1000 / MLSS

Với V = thể tích của bùn lắng sau 30 phút (mL/L)

MLSS = hỗn dịch chất lắng lơ lửng (mg/L)

SVI (sludge volume index) = chỉ số thể tích bùn

Ghi chú:

SVI đơn vị là mL trên mỗi gram, do đó thể tích chiếm bởi trọng lượng của 1 gram bùn.

SVI>150 mL/g (hiện tượng bung bùn)

SVI <70 mL/g (hiện tượng bông bùn nhỏ chiếm chủ yếu)

*Mối quan hệ giữa vi khuẩn sợi và vi khuẩn tạo bông

Người ta đã tìm thấy có 3 loại bông bùn được tìm thấy trong bùn hoạt tính:

Bông bình thường: là sự cân đối và hài hòa vi khuẩn sợi và vi khuẩn tạo bông và bông bùn có hiện tượng cứng chắc giữ được toàn vẹn trong bể hiếu khí và lắng tốt trong bể lắng.

Bông bùn nhỏ: Sự hiện diện vi khuẩn sợi có hay không có với số lượng thấp. Kết quả chất rắn lắng không tốt. Nước thải đầu ra thứ cấp bị đục mặc dù bùn có SVI thấp.

Bung bùn sợi: do các vi sinh vật sợi chiếm ưu thế. Chúng gây khó khăn cho sự lắng và nén bùn. Việc lắng kém được biểu thị bằng thước đo SVI nếu chiều dài vi khuẩn sợi vướt quá 10 exp micromét / mg chất rắn lơ lửng

Điều kiện ít oxy và cơ chất dinh dưỡng kém: những vi khuẩn sợi có tỷ số bề mặt trên thể tích cao hơn vi khuẩn tạo bông.

Điều kiện oxy hòa tan thấp, tỷ số F/M thấp, cơ chất dinh dưỡng kém, nồng độ sulfur cao: những vi khuẩn sợi có thể chiếm ưu thế so với vi khuẩn tạo bông

Nguyên nhân chủ yếu của việc bung bùn trong nhà máy xử lý nước thải là F/M thấp.

Sự khác biệ giữa vi khuẩn sợi và vi khuẩn tạo bông được ứng dụng để kiểm soát việc bung bùn sợi trong bùn hoạt tính.

Bảng 9.2. So sánh đặc tính sinh lý của vi sinh vật tạo bông và vi sinh vật sợi

Những loại vi sinh vật sợi (filamentous bulking)

Bảng 9.3. Vi sinh dạng sợi chủ yếu trong bùn hoạt tính bị bung ở Hoa Kỳ

Hình bên trái là một nhà máy có nhiều mức dư thừa vi dạng sợi và hình bên phải là lượng vi sinh dạng sợi phát triển quá mức gây khó khăn cho việc xử lý trong bể lắng, khó gạn lọc chất rắn (dewater), tăng chi phí tiêu thụ polymer và tăng chi phí xử lý chất rắn.

Đây là trường hợp tiêu biểu mà mọi người nghĩ gì khi đề cập đến bung bùn sợi (filamentous bulking). Khi dùng thiết bị đo đếm, có thể bạn nghĩ bạn sẽ có một lượng lớn vi sinh, thực tế, các vi sinh dạng sợi chiếm hầu hết không gian trong bể.

Hầu hết các nhà vận hành đều nhận biết và thường nghĩ về sự cố do vi sinh dạng sợi gây ra vấn đề về cầu nối giữa các cấu trúc bông bùn. Nhưng bạn cần kiểm tra lại môt lần nữa.

Đôi khi cần phải quan sát tại một mức cao hơn trên kính hiển vi.

Mẫu nhuộm giúp việc quan sát nhưng cũng đòi hỏi một số kỹ năng cần thiết. Một cách nhanh chóng là làm bẩn mẫu thử để đem lại một sự quan sát tốt các chi tiết trên mẫu mà không cần phải rắc rối phơi khô các bản kính và trong suốt quá trình khó khăn khi sử dụng chất LactoPhenolCotton Blue để nhuộm mẫu. Chất này có thể mua tại các địa điểm như: WWR, USA Bluebook, Fisher, Scitific hoặc bất kỳ các nguồn cung ứng nào bạn thích.

Sử dụng thuốc nhuộm cùng với một giọt nước thải trên các lam kính. Thuốc nhuộm sẽ giúp chúng ta quan sát tốt các chi tiết, các vi sinh dạng sợi nội tại với nhiều đặc điểm như thành tế bào, tế bào hoặc hình dạng và kích cỡ.

Chú ý: Nếu bạn sử dụng thuốc nhuộm, tất cả các dạng sống bậc cao (hay vi sinh vật chỉ thị) sẽ hoạt động giảm dần và chết. Đừng lo lắng, đó là giả định có thể xảy ra. Chỉ cần nhớ rằng nếu bạn thực hiện phân tích sinh khối trong nước thải và hãy chắc rằng để sử dụng một mẫu bình thường khi kiểm tra các dạng sống bậc cao để đếm mật độ vi khuẩn và nhận dạng ation. Thuốc nhuộm sẽ giúp dễ dàng hơn trong việc quan sát các dạng sống bậc cao và bắt đầu chụp ảnh cho đến khi hoạt động của chúng giảm dần vì bị nhuộm.

Bung bùn sợi nội tại là khi các vi khuẩn sợi hoạt động bên trong bông bùn và làm thành một cấu trúc khung sườn cho việc tạo bông bùn.

Với một lượng nhỏ, các vi khuẩn sợi nội tại là một phần thưởng lớn cho bông bùn. Chúng giữ các bông bùn được gắn kết với nhau, giúp bông bùn không bị chia cắt và làm cho bông bùn được ổn định.

Với một lượng lớn, các vi khuẩn sợi nội tại có khả năng hình thành một loại bông bùn trông giống như một miếng bọt biển. Rất khó mà gạn chất rắn và gắn kết bông bùn. Chúng có khả năng chiếm một lượng lớn chất polymer để hình thành bônng bùn và lắng xuống trong bể lắng. Chất rắn được hình thành và tràn sang các bể phía sau hoặc bị rửa trôi hoàn toàn dễ dàng. Khả năng tiêu thụ polymer cho máy ép bùn ngày một tăng. Sự gạn lắng chất rắn và công việc sấy khô để có được một cái bánh chất rắn là rất khó để đạt được. Với chi phí xử lý chất rắn tăng lên và là một phần lớn của một ngân sách tại bất kỳ nhà máy xử lý nước thải, chi phí xử lý bung bùn có sợi (filamentous bulking) là một chi phí thêm vào đáng ngán ngẩm đối với bất kỳ ngân sách nào.

Vi sinh dạng sợi nội tại rất thường thấy trong các công đoạn xử lý nước thải khác nhau, thường được xem thường, lơ là và tuy nhiên các Nhà vận hành hoặc Giám sát của nhà máy xử lý nước thải, họ không hình dung hết được lý do tại sao có quá nhiều chất rắn, hoặc hệ thống quá tải hoặc nhiều sự cố và chi phí xử lý chất rắn lại cao.

Technical Manager of Ecoworld.com.vn

Nguyễn Nhật Dương – KS Kỹ Thuật Xử Lý Môi Trường