Trong hệ thống bùn hoạt tính của xử lý nước thải, vi sinh vật đóng vai trò là các "tác nhân" cốt lõi để làm sạch chất ô nhiễm. Tùy thuộc vào phương pháp thu nhận năng lượng và hình thức sử dụng nguồn carbon, các vi sinh vật này có thể được phân loại rộng thành hai loại: tự dưỡng và dị dưỡng. Hai loại này thể hiện những khác biệt cơ bản về cơ chế trao đổi chất, vai trò chức năng và khả năng thích ứng với môi trường, cùng nhau tạo thành cấu trúc sinh thái của bùn hoạt tính. Tuy nhiên, con đường hoạt động và giá trị cốt lõi của chúng khác biệt đáng kể. Việc hiểu sâu sắc những khác biệt này là rất quan trọng để tối ưu hóa quy trình xử lý nước thải và nâng cao hiệu quả làm sạch.
1. Khác biệt cốt lõi: Sự khác biệt cơ bản giữa nguồn năng lượng và việc sử dụng nguồn carbon
Nguồn năng lượng và nguồn carbon là những chỉ số cơ bản phân biệt vi sinh vật tự dưỡng và dị dưỡng. Hai yếu tố then chốt này quyết định trực tiếp hướng trao đổi chất và sự phụ thuộc vào sự sống của chúng, cũng như logic cơ bản cho vai trò khác biệt của chúng trong hệ thống bùn hoạt tính.
(1) Vi sinh vật tự dưỡng: những người biến đổi chất vô cơ "tự cung tự cấp"
Đặc điểm cốt lõi của vi sinh vật tự dưỡng là khả năng tự tổng hợp các hợp chất hữu cơ từ carbon vô cơ, sử dụng các chất vô cơ làm "nhiên liệu năng lượng" mà không cần dựa vào chất hữu cơ bên ngoài, hoạt động như những "nhà sản xuất" trong hệ sinh thái.
Về mặt thu nhận năng lượng, những vi sinh vật này thu được năng lượng bằng cách oxy hóa các chất vô cơ. Ví dụ, vi khuẩn nitrat hóa lấy năng lượng bằng cách oxy hóa nitơ amoni (NH₄⁺→NO₂⁻→NO₃⁻), trong khi vi khuẩn oxy hóa nitrit oxy hóa nitrit (NO₂⁻→NO₃⁻). Mặt khác, vi khuẩn oxy hóa lưu huỳnh tạo ra năng lượng bằng cách oxy hóa sunfua (ví dụ: H₂S→S→SO₄²⁻). Về việc sử dụng nguồn carbon, chúng chỉ dựa vào carbon dioxide (CO₂) hoặc cacbonat (chẳng hạn như HCO₃⁻) làm nguồn carbon duy nhất của chúng, chuyển đổi carbon vô cơ thành carbon hữu cơ thông qua quá trình quang hợp hoặc hóa tổng hợp để xây dựng tế bào của chúng và thực hiện các hoạt động trao đổi chất. Đặc điểm "tự cung tự cấp" này cho phép chúng tồn tại mà không phụ thuộc vào các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước thải.
(2) Vi sinh vật dị dưỡng: những người phân hủy chất hữu cơ "phụ thuộc bên ngoài"
Vi sinh vật dị dưỡng là đối lập hoàn toàn với vi sinh vật tự dưỡng. Chúng không thể sử dụng các chất vô cơ để lấy năng lượng hoặc tự tổng hợp carbon hữu cơ, thay vào đó dựa vào chất hữu cơ đã có từ môi trường bên ngoài làm cả "nguồn năng lượng" và "nguồn carbon". Điều này làm cho chúng tương đương về mặt chức năng với "người tiêu dùng" và "người phân hủy" trong một hệ sinh thái.
Về mặt thu nhận năng lượng, những vi sinh vật này thu được năng lượng bằng cách phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước thải (chẳng hạn như carbohydrate, protein, chất béo, v.v., được định lượng bằng COD, tức là nhu cầu oxy hóa học). Ví dụ, vi khuẩn dị dưỡng hiếu khí phân hủy glucose thành CO₂ và H₂O đồng thời giải phóng năng lượng cho quá trình trao đổi chất của chúng. Về việc sử dụng nguồn carbon, chúng hấp thụ trực tiếp carbon hữu cơ từ nước thải (chẳng hạn như các thành phần COD và các phân tử hữu cơ nhỏ) mà không cần tự tổng hợp. Các hoạt động trao đổi chất của chúng hoàn toàn phụ thuộc vào nồng độ và loại chất ô nhiễm hữu cơ trong nước thải.
II. Vai trò chức năng: Các vai trò khác nhau trong hệ thống làm sạch bùn hoạt tính
Dựa trên sự khác biệt trong việc sử dụng năng lượng và nguồn carbon, vi sinh vật tự dưỡng và dị dưỡng trong hệ thống bùn hoạt tính thực hiện các chức năng làm sạch khác nhau rõ rệt. Loại trước tập trung vào việc biến đổi chất vô cơ, trong khi loại sau tập trung vào việc phân hủy chất hữu cơ, hoạt động hiệp đồng để đảm bảo làm sạch nước thải hiệu quả.
(1) Vi sinh vật tự dưỡng: Tập trung vào "loại bỏ nitơ và lưu huỳnh", xử lý các chất ô nhiễm vô cơ
Vi sinh vật tự dưỡng đóng vai trò trung tâm trong bùn hoạt tính bằng cách tạo điều kiện cho việc chuyển đổi và loại bỏ các chất vô cơ, với nitrosomonas (bao gồm Nitrosomonas và Nitrobacter) là đại diện tiêu biểu nhất. Những vi khuẩn này là những nhân tố chính trong quá trình loại bỏ nitơ trong nước thải. Trong điều kiện hiếu khí, Nitrosomonas trước tiên oxy hóa nitơ amoni (NH₄⁺) trong nước thải thành nitrit (NO₂⁻), sau đó được oxy hóa tiếp thành nitrat (NO₃⁻) bởi Nitrobacter. Quá trình này, được gọi là "phản ứng nitrat hóa", là bước cốt lõi trong quá trình loại bỏ nitơ sinh học. Nếu không có vi khuẩn nitrat hóa tự dưỡng, nitơ amoni trong nước thải không thể chuyển đổi thành nitrat, sau đó có thể được loại bỏ thông qua quá trình khử nitrat, cuối cùng dẫn đến nồng độ nitơ amoni dư thừa trong nước thải.
Ngoài ra, một vài vi khuẩn oxy hóa lưu huỳnh tự dưỡng có thể oxy hóa sunfua trong nước thải, chuyển đổi chúng thành sunfat vô hại và ngăn chặn sự ức chế độc hại của sunfua đối với vi sinh vật, do đó đảm bảo hoạt động ổn định của hệ thống bùn hoạt tính. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng vi sinh vật tự dưỡng có tốc độ trao đổi chất cực kỳ chậm (với chu kỳ sinh sản điển hình là 10-30 giờ) và nhạy cảm với các điều kiện môi trường (chẳng hạn như nhiệt độ, oxy hòa tan và pH). Do đó, tỷ lệ của chúng trong hệ thống bùn hoạt tính thường thấp (khoảng 5%-10%).
(2) Vi sinh vật dị dưỡng: Cốt lõi "phân hủy COD", xây dựng các bông bùn
Vi sinh vật dị dưỡng là "lực lượng chính" của bùn hoạt tính, chiếm hơn 90% dân số của nó. Các chức năng chính của chúng tập trung vào hai khía cạnh chính: phân hủy chất hữu cơ và hình thành bông bùn, điều này quyết định trực tiếp hiệu quả loại bỏ COD trong nước thải và hiệu suất lắng của bùn hoạt tính.
Trong quá trình phân hủy chất hữu cơ, vi khuẩn dị dưỡng hiếu khí phân hủy các hợp chất hữu cơ phân tử lớn (chẳng hạn như tinh bột, lipid và protein) trong nước thải thành các phân tử hữu cơ nhỏ hơn thông qua hô hấp hiếu khí. Những phân tử nhỏ hơn này tiếp tục bị phân hủy thành các sản phẩm vô cơ như CO₂ và H₂O, do đó làm giảm giá trị COD của nước thải. Đây là mục tiêu cốt lõi của việc xử lý nước thải sinh hoạt và nước thải hữu cơ công nghiệp. Ví dụ, trong các nhà máy xử lý nước thải đô thị, vi khuẩn dị dưỡng có thể giảm COD đầu vào từ 300-500 mg/L xuống dưới 50 mg/L, đáp ứng các tiêu chuẩn xả thải.
Trong quá trình hình thành bông bùn, một số vi sinh vật dị dưỡng (chẳng hạn như xạ khuẩn và nấm) tiết ra các chất nhớt như polysaccharide và protein, tập hợp các tế bào vi sinh vật phân tán thành các bông có cấu trúc ổn định (tức là bông bùn hoạt tính). Những bông này không chỉ bao bọc các chất ô nhiễm và tăng cường hiệu quả phân hủy mà còn lắng nhanh trong bể lắng, đạt được sự phân tách bùn-nước và ngăn ngừa sự mất mát vi sinh vật với nước thải. Nếu hoạt động của vi khuẩn dị dưỡng không đủ hoặc khả năng tạo bông của chúng yếu, nó có thể dẫn đến chất rắn lơ lửng (SS) dư thừa trong nước thải, và trong trường hợp nghiêm trọng, gây ra "bùn trương nở", làm mất ổn định hệ thống.
3、 Khả năng thích ứng với môi trường: Các yêu cầu khác nhau đối với điều kiện quy trình
Các đặc điểm trao đổi chất của vi sinh vật tự dưỡng và dị dưỡng khác nhau, dẫn đến các yêu cầu khác nhau đối với các điều kiện môi trường của hệ thống bùn hoạt tính, chẳng hạn như oxy hòa tan, nhiệt độ và tỷ lệ chất dinh dưỡng. Tối ưu hóa các điều kiện này là chìa khóa để đảm bảo sự hợp tác của hai loại vi sinh vật.
（1） Vi sinh vật tự dưỡng: rất nhạy cảm với các điều kiện môi trường
Hoạt động trao đổi chất của vi sinh vật tự dưỡng (đặc biệt là vi khuẩn nitrat hóa) đòi hỏi các điều kiện môi trường nghiêm ngặt và thậm chí những dao động thông số nhỏ cũng có thể ảnh hưởng đến hoạt động của chúng:
-Oxy hòa tan (DO): Cần đủ oxy hòa tan cho phản ứng nitrat hóa và DO cần được duy trì ở mức 2mg/L. Nếu DO dưới 1mg/L, hoạt động của vi khuẩn nitrat hóa sẽ bị ức chế đáng kể và hiệu quả oxy hóa nitơ amoni sẽ giảm mạnh;
-Nhiệt độ: Nhiệt độ tối ưu là 20-30 ℃. Khi nhiệt độ dưới 10 ℃, tốc độ trao đổi chất của vi khuẩn nitrat hóa sẽ giảm hơn 50%. Vào mùa đông, các nhà máy xử lý nước thải thường gặp vấn đề về tốc độ loại bỏ nitơ amoni không đủ;
-Giá trị pH: Phạm vi thích hợp là 7,5-8,5. Nếu pH dưới 6,5 hoặc trên 9,0, vi khuẩn nitrat hóa sẽ ngừng trao đổi chất do ức chế hoạt động của enzyme;
-Tỷ lệ chất dinh dưỡng: không yêu cầu một lượng lớn carbon hữu cơ, nhưng nhạy cảm với carbon hữu cơ - nếu COD trong nước thải quá cao, vi khuẩn dị dưỡng sẽ cạnh tranh với vi khuẩn tự dưỡng về oxy hòa tan và không gian, ức chế sự phát triển của vi khuẩn nitrat hóa.
（2） Vi sinh vật dị dưỡng: rất khoan dung với các điều kiện môi trường
So với vi sinh vật tự dưỡng, vi sinh vật dị dưỡng có khả năng thích ứng với môi trường mạnh hơn và phạm vi khoan dung rộng hơn đối với các thông số quy trình:
-Oxy hòa tan (DO): Vi khuẩn dị dưỡng hiếu khí yêu cầu DO được duy trì ở mức 1-2mg/L để đáp ứng nhu cầu trao đổi chất của chúng, trong khi một số vi khuẩn dị dưỡng tùy tiện (chẳng hạn như vi khuẩn khử nitrat) vẫn có thể phân hủy chất hữu cơ thông qua hô hấp kỵ khí trong điều kiện kỵ khí;
-Nhiệt độ: Nhiệt độ tối ưu là 15-35 ℃, nhưng nó vẫn có thể duy trì một mức độ hoạt động nhất định trong phạm vi 5-40 ℃ và khả năng chịu lạnh của nó tốt hơn nhiều so với vi khuẩn tự dưỡng;
-Giá trị pH: Phạm vi thích hợp là 6,0-9,0 và một số vi khuẩn dị dưỡng (chẳng hạn như nấm) vẫn có thể tồn tại trong điều kiện axit ở pH 5,0 hoặc điều kiện kiềm ở pH 10,0;
-Tỷ lệ chất dinh dưỡng: Cần đủ carbon hữu cơ và nhạy cảm với tỷ lệ carbon trên nitơ (C/N) - thường yêu cầu tỷ lệ C/N là 5-10:1. Nếu nguồn carbon không đủ, vi khuẩn dị dưỡng sẽ bị giảm hoạt động và tốc độ loại bỏ COD do "đói".
4、 Hợp tác và Cạnh tranh: Mối quan hệ vi sinh vật trong hệ thống bùn hoạt tính
Trong hệ thống bùn hoạt tính, vi sinh vật tự dưỡng và dị dưỡng không tồn tại độc lập, mà có mối quan hệ kép của "tương tác" và "cạnh tranh", và sự cân bằng giữa hai loại này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả xử lý nước thải.
（1） Mối quan hệ hợp tác: các chức năng bổ sung, cùng nhau hoàn thành việc làm sạch
Sự tương tác giữa hai loại này chủ yếu được phản ánh trong "quá trình khử nitrat": vi khuẩn nitrat hóa tự dưỡng chuyển đổi nitơ amoni thành nitrat (quá trình nitrat hóa), trong khi vi khuẩn khử nitrat dị dưỡng, trong điều kiện kỵ khí, sử dụng carbon hữu cơ trong nước thải làm chất cho điện tử để khử nitrat thành nitơ (N ₂) và thải ra không khí (quá trình khử nitrat) - nếu không có vi khuẩn tự dưỡng, vi khuẩn khử nitrat không có "cơ chất" để sử dụng; Nếu thiếu vi khuẩn dị dưỡng, nitrat do vi khuẩn nitrat hóa tạo ra không thể bị loại bỏ và cuối cùng tổng nitơ không thể đáp ứng tiêu chuẩn. Ngoài ra, vi khuẩn dị dưỡng có thể làm giảm tải lượng hữu cơ trong nước thải sau khi phân hủy COD, tạo ra một môi trường sống thích hợp cho vi khuẩn tự dưỡng nhạy cảm với carbon hữu cơ và gián tiếp thúc đẩy hoạt động của chúng.
（2） Mối quan hệ cạnh tranh: cạnh tranh tài nguyên, ảnh hưởng đến sự cân bằng của hệ thống
Sự cạnh tranh giữa hai loại này chủ yếu tập trung vào "oxy hòa tan" và "không gian sống": khi nồng độ COD trong nước thải quá cao, vi khuẩn dị dưỡng sẽ sinh sản nhanh chóng do "đủ thức ăn", tiêu thụ một lượng lớn oxy hòa tan và hoạt động của vi khuẩn tự dưỡng sẽ bị ức chế do "thiếu oxy", dẫn đến hiện tượng "hiệu quả loại bỏ COD tốt nhưng hiệu quả loại bỏ nitơ amoni kém"; Ngược lại, nếu nồng độ COD trong nước thải quá thấp (chẳng hạn như nước thải công nghiệp), hoạt động của vi khuẩn dị dưỡng không đủ và không thể hình thành các bông bùn ổn định. Vi khuẩn tự dưỡng cũng sẽ bị mất do "thiếu chất mang", ảnh hưởng đến hiệu quả nitrat hóa. Do đó, trong các quy trình thực tế, cần phải cân bằng mối quan hệ cạnh tranh giữa hai loại này bằng cách điều chỉnh các thông số như tải lượng nước đầu vào và tỷ lệ hồi lưu. Ví dụ, khi xử lý nước thải COD cao, có thể sử dụng "nước đầu vào phân đoạn" để giảm tải lượng hữu cơ cục bộ và đảm bảo nhu cầu oxy hòa tan của vi khuẩn nitrat hóa.
5、 Tóm tắt: Sự khác biệt cốt lõi và ý nghĩa công nghệ giữa hai loại vi sinh vật
Sự khác biệt giữa vi sinh vật tự dưỡng và dị dưỡng trong bùn hoạt tính về cơ bản là sự khác biệt về "nguồn năng lượng và phương pháp sử dụng nguồn carbon", mở rộng đến một loạt các khác biệt về vị trí chức năng, khả năng thích ứng với môi trường và mối quan hệ vi sinh vật giữa hai loại (như thể hiện trong Bảng 1).
Hiểu được những khác biệt này có ý nghĩa hướng dẫn quan trọng để tối ưu hóa quy trình xử lý nước thải: ví dụ, khi xử lý nước thải có hàm lượng nitơ amoni cao và COD thấp (chẳng hạn như nước thải nuôi trồng thủy sản), cần tập trung vào việc đảm bảo các điều kiện sống của vi khuẩn tự dưỡng (tăng DO, kiểm soát nhiệt độ) và bổ sung thích hợp các nguồn carbon để đáp ứng nhu cầu khử nitrat của vi khuẩn dị dưỡng; Khi xử lý nước thải có COD cao và nitơ amoni thấp (chẳng hạn như nước thải thực phẩm), cần kiểm soát tải lượng hữu cơ, tránh sự phát triển quá mức của vi khuẩn dị dưỡng và ức chế vi khuẩn tự dưỡng, đồng thời đảm bảo COD và nitơ amoni đáp ứng các tiêu chuẩn cùng một lúc. Tóm lại, hoạt động ổn định của hệ thống bùn hoạt tính về cơ bản là một "sự cân bằng động" giữa vi sinh vật tự dưỡng và dị dưỡng. Chỉ bằng cách kết hợp chính xác nhu cầu của cả hai, hiệu quả tối đa của việc xử lý nước thải mới có thể đạt được.
