Đề tài Nghiên cứu xử lý hỗn hợp chất thải nhiều dầu của nhà máy chế biến mì ăn liền Uni President - Khu công nghiệp Sóng Thần 2 - Bình Dương bằng phương pháp sinh học kỵ khí

ơn 20.000 túi ủ như thế đã ra đời ở Việt Nam và đa phần do nông dân tự trang trải chi phí. Túi ủ với giá thành rẻ cũng còn bộc lộ nhiều nhược điểm trong vận hành và bảo trì. Tuy nhiên, những nghiên cứu về quá trình phân hủy đối với rác thải nông thôn Việt Nam (với một số đặc trưng riêng) để làm căn cứ khoa học và ứng dụng còn rất hạn chế. Cơ sở lý thuyết Quá trình phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí do quần thể vi sinh vật hoạt động không cần sự có mặt của oxy không khí, sản phẩm cuối cùng là một hỗn hợp khí có CH4, CO2, N2, H2... trong đó thông thường có tới 65 - 65% là CH4. Vì vậy quá trình này còn có thể gọi là quá trình lên men methane. Các vi sinh vật kỵ khí sử dụng một phần chất hữu cơ trong nước thải để xây dựng tế bào, tăng sinh khối. Sơ đồ quá trình phân hủy kỵ khí: CHOn→CO2+H2O+CH4+NH4+H2+H2S+tế bào VSV+ Trong 10 năm trở lại đây, do các phương pháp sinh học phát triển, quá trình xử lý kỵ khí trong điều kiện nhân tạo được áp dụng để xử lý các loại cặn chất thải công nghiệp, sinh hoạt cũng như các loại nước thải đậm đặc có hàm lượng chất bẩn hữu cơ cao: BOD đến 10 - 30 g/l. Hiện nay, đã có hàng trăm nhà máy xử lý sinh học kỵ khí nước thải ở các nước như: Hoa Kỳ, Hà Lan, Đức, Việt Nam,... đi vào hoạt động, do phương pháp này có các ưu điểm sau: Thiết kế đơn giản Thể tích công trình nhỏ Chiếm ít diện tích mặt bằng Công trình có thiết kế đơn giản và giá thành không cao Chi phí vận hành về năng lượng thấp Khả năng thu hồi năng lượng cao, không đòi hỏi cung cấp nhiều chất dinh dưỡng. Lượng bùn sinh ra ít hơn 10 - 20 lần so với phương pháp hiếu khí và có tính ổn định tương đối cao. Có thể tồn trữ trong một thời gian dài và là một nguồn phân bón có giá trị. Tải trọng phân hủy chất bẩn hữu cơ cao. Chịu đựng được sự thay đổi đột ngột về năng lượng. Tuy nhiên, ngoài những ưu điểm thì công nghệ này cũng gặp phải một số khó khăn như: Rất nhạy cảm với các chất độc hại, với sự thay đổi bất thường về tải trọng công trình. Những hiểu biết về các vi sinh vật kỵ khí còn hạn chế. Thiếu kinh nghiệm về vận hành công trình Xử lý nước thải chưa triệt để. Mô tả quá trình sinh học kỵ khí Sự tạo thành khí sinh vật là quá trình phân hủy phức tạp xảy ra rất nhiều phản ứng, cuối cùng tạo ra khí CH4 và CO2 và một số chất khác. Quá trình này được thực hiện theo nguyên tắc phân hủy kỵ khí, dưới tác dụng của vi sinh vật kỵ khí đã phân hủy từ những chất hữu cơ dạng phức tạp chuyển thành dạng đơn giản, một lượng đáng kể chuyển thành khí và dạng chất hòa tan. Một số yếu tố bất lợi đối với bất kỳ giai đoạn nào đều có thể gây ra sự cố kiềm hãm cả quá trình. Các giai đoạn đó có thể được mô tả bằng sơ đồ trong hình 4.1. Hình 3.1. Các giai đoạn của quá trình phân hủy kỵ khí chất hữu cơ Quá trình phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí. Phản ứng tổng quát của quá trình có thể được viết: Hợp chất hữu cơ + H2O → Sinh khí + CH4 + CO2 + NH3 Hóa sinh học của quá trình phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí Giai đoạn thủy phân Trong giai đoạn này, dưới tác dụng của các men hydrolaza do vi sinh vật tiết ra các chất hữu cơ phức tạp như chất béo, hydrat cacbon (chủ yếu là cenluloza và tinh bột), protein được thủy phân thành những chất hữu cơ đơn giản dễ tan trong nước như đường đơn, peptit, glycerin, acid béo, acid amin,... (để có thể thâm nhập được vào tế bào vi khuẩn) với sự tham gia của các enzym ngoại bào của các vi khuẩn thủy phân. Dưới tác dụng của các loại men khác nhau do nhiều loài vi sinh vật tiết ra, các chất hữu cơ phức tạp như protein bị thủy phân thành acid amin nhờ proteaza, hydratcacbon chuyển thành đường đơn nhờ cenllulaza, amylaza và lipit được chuyển hóa thành các acid béo mạch dài tương ứng và glycerin nhờ vào enzym lipaza. Giai đoạn acid hóa: Những hợp chất tạo ra trong giai đoạn thủy phân vẫn quá lớn để được vi sinh vật hấp thụ nên cần được phân giải tiếp. Giai đoạn này được bắt đầu bằng sự vận chuyển chất nền qua màng ngoài tế bào xuyên qua thành đến màng trong rồi đến tế bào chất với sự tham gia của các protein vận chuyển. Ở đó các acid amin, đường đơn và acid béo mạch dài đều biến đổi về các acid hữu cơ mạch ngắn hơn (acid propionic, acid valeric, acid acetic), rượu (ethanol), keton, một ít khí hydro và khí CO2... Giai đoạn này có tên gọi là giai đoạn lên men, các acid được sinh thành nhiều nên độ pH của môi trường có thể giảm mạnh. (4 - 5). Cơ chế acid hóa acid béo và glycerin là sản phẩm giai đoạn thủy phân dầu mỡ tương đối phức tạp và có thể tóm tắt như sau: Glycerin bị phân giải thành một số sản phẩm trung gian như 1,3-propandiol để tạo thành các sản phẩm cuối cùng là propionate và acetate. Sản phẩm trung gian vẫn song song tồn tại cùng sản phẩm cuối. Acid béo mạch yếu phân giải khá phức tạp như sau: Acid béo + CoA ↔ Acyl-CoA Acyl-CoA Oxy hóa β Acyl-CoA mạch ngắn hơn + Acetyl-CoA Acetyl-CoA + H2+ năng lượng tích lũy ATP Acid acetic + Co-A (Acyl ký hiệu cho nhóm RCO-) Oxy hóa β lặp lại liên tục Phản ứng hoạt hóa này được thực hiện nhờ enzyme Acyl-CoA synthetaza nằm ở trong màng tế bào vi khuẩn. Đối với chất béo, sản phẩm tạo thành chủ yếu là acid acetic nên đây cũng chính là giai đoạn acetate hóa của chất thải dầu mỡ. Khi phân giải cơ chất giàu mỡ thì điều khó khăn nhất là sự ức chế của các acid béo dài tạo thành từ giai đoạn thủy phân có ảnh hưởng đến toàn bộ các giai đoạn sau. Do đó quá trình phân giải kỵ khí chất béo có đặc điểm khác với quá trình phân giải chất khác (đường, tinh bột...) ở tốc độ giai đoạn acid hóa chậm hơn. Giai đoạn acetate hóa Các vi khuẩn tạo methane không thể trực tiếp sử dụng các sản phẩm của quá trình acid hóa nêu trên, ngoại trừ acid acetic, do vậy các phân tử này cần được phân giải thành các phân tử đơn giản hơn nữa. Sản phẩm phân giải là acid acetic, khí H2, CO2 được tạo thành bởi vi khuẩn acetate đồng hình. Bảng 3.1. Các phản ứng sinh acetate Phản ứng CH3CHOHCOO-+2H2O→CH3COO-+HC03-+H++2H2 (lactate) CH3CH2OH+H2O→CH3COO-+H++2H2 (ethanol) CH3CH2CH2COO-+2H2O→2CH3COO-+H++2H2 (butyrate) CH3CH2COO-+3H2O→CH3COO-+HCO3-+H++3H2 (propionate) 4CH3OH+2CO2→3CH3COOH+2H2O (methanol) 2HCO3-+4H2+H+→CH3COO-+4H2O (bicacbonate) Đối với chất thải giàu dầu mỡ, do sự phân hủy acid béo mạch dài cho sản phẩm là acid acetic mà không phải là aicd béo mạch cao hơn nên giai đoạn acetate hóa cũng chính là giai đoạn acid hóa. Đặc điểm nổi bật của giai đoạn acetate hóa là sự tạo thành nhiều khí hydro, mà khí này ngay lập tức được vi sinh vật methane ở giai đoạn sau sử dụng như chất nền cùng với CO2. Mức độ phân giải các chất trong giai đoạn này phụ thuộc rất nhiều vào áp suất riêng phần của khí hydro trong bể kỵ khí. Nếu vì lý do nào đó mà sự tiêu thụ hydro bị ức chế hay chậm lại, hydro tích lũy làm áp suất riêng phần của nó tăng lên thì sự tạo thành nó bởi vi khuẩn acetate hóa sẽ giảm mạnh. Khi đó acid béo bay hơi tích tụ lại kéo theo sự không phân giải các acid béo dài tạo thành dây chuyền, đến mức nào đó sẽ ức chế các vi khuẩn acid hóa, acetate hóa và methane hóa. Ngoài ra acid tích tụ làm pH của môi trường giảm rất bất lợi cho sự tổng hợp methane từ hydro và acetate. Quan hệ cộng sinh giữa vi khuẩn sinh hydro (vi khuẩn acetate hóa) với vi sinh vật tiêu thụ hydro (chính là vi sinh vật tạo methane) là vô cùng quan trọng nhằm duy trì áp suất hydro ở mức thấp từ 10-6 atm đến 10-4 atm để đảm bảo quá trình tạo methane tiến triển bình thường. Trong khi acetate (sản phẩm giai đoạn acetate hóa) là cơ chất mà vi khuẩn sinh methane sử dụng trực tiếp thì chính sự tích tụ của nó sẽ gây ức chế sự phân giải của các acid béo bay hơi khác, ví dụ 15 mmol acid acetic ức chế phân giải acid propionic và 100 mmol acid aceic ức chế phân giải acid butyric, do đó làm chậm tốc độ acid hóa. Bản thân acid acetic nồng độ quá cao cũng gây pH thấp và ảnh hưởng tốc độ phân giải acid béo bay hơi. Nói chung, khoảng pH và nhiệt độ tối ưu của giai đoạn này là 6,8 - 7,8 và nhiệt độ từ 35 - 420C. Ngoài ra, một con đường acetate hóa khác có thể xảy ra bởi sự tham gia của nhóm vi khuẩn homoacetogen từ hydro và cacbonic (tự dưỡng) hay từ các chất hữu cơ (dị dưỡng). Tuy nhiên trong môi trường có nồng độ hydro thấp thì ái lực với hydro của vi sinh vật sinh methane (từ hydro) mạnh hơn của homoacetogen, nên lượng acid acetic tổng hợp từ con đường này là không đáng kể. Giai đoạn tạo methane Là giai đoạn cuối cùng trong cả quá trình phân hủy kỵ khí, trong giai đoạn này sản phẩm của hai giai đoạn trên như acetate, hydrogen và cacbonate, formate hay methanol được biến đổi tạo ra khí CO2, CH4 và một số chất khác. Khí methane được tạo ra chủ yếu bằng tổ hợp các con đường sau. Mỗi con đường ứng với nhóm cơ chất sử dụng và nhóm vi sinh vật sinh methane khác nhau (trong tổng thể các cơ thể sinh methane). Con đường 1: 4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O Loại vi sinh vật Hydratgenotrophic Methanogen sử dụng cơ chất là hydro và cacbonic. Dưới 30% lượng methane sinh ra bằng con đường này. Con đường 2: 4HCOOH → CH4 + 3CO2 + 2H2O 4CO2 + H2O → CH4 + 3CO2 Loại vi sinh vật Acetrophic Methanogen chuyển hóa acetate thành methane và cacbonic. Khoảng 70% lượng methane sinh ra là qua con đường này. Tuy nhiên, năng lượng giải phóng từ con đường này tương đối nhỏ. Cacbonic giải phóng ra lịa được khử thành methane bằng con đường 1. Chỉ có một số loài vi sinh vật sinh methane sử dụng được cơ chất là cacbon monoxit. Con đường 3: CH3OH + H2 → CH4 + H2O 4(CH3)3-N + 6H2O → 9CH4 + 3CO2 + 4NH3 Ngoài ra các vi sinh vật sinh methane cũng có thể thực hiện quá trình lên men sinh methane bằng các con đường sau nhưng lượng methane sinh ra không đáng kể. 4H2 + HCO3- + H+ ↔ CH2 + 3H2O CH3CH2OH + CO2 ↔ CH3COO- + H+ +CH4 CH3CHOHCOO- + H2O → 2CH3COO- + CH4 + HCO3- 4CH3CH2OH + 3H2O ↔ 4CH3COO- + H+ + 3CH4 + HCO3- CH3CH2COO- + 2H2O + HCO3- ↔ 4CH3COO- + H+ + CH4 CH3COO- + H2O →CH4 + HCO3- 4HCOOH + H2O → CH4 + 3HCOO- + 3H+ Methanol: 4CH3OH → 3CH4 + HCOO- + 4NH4+ + H+ Methylamine thủy phân tạo methane: 4CH3NH3+ + 3H2O → 3CH4 + HCO3- + 4NH4+ + H+ 2(CH3)3NH+ + 3H2O → 3CH4 + HCO3- + 2NH4+ + H+ 4(CH3)3NH+ + 9H2O → 9CH4 + 3HCO3- + 6NH4+ + 3H+ Nhiều nghiên cứu trên các cơ chất hòa tan khác nhau trước đây đã cho thấy giai đoạn này diễn tiến khá chậm chạp do đó từng được coi là giai đoạn giới hạn tốc độ của cả quá trình. Phương trình động học Monod được coi là nền tảng của hầu hết các nghiên cứu với giả thiết tốc độ sinh trưởng tế bào chỉ phụ thuộc vào chất nền (acid acetic) trong bể phân hủy. Tuy nhiên, các mô phỏng này chỉ đặc trưng được một giai đoạn nhất định của cả quá trình hoặc chưa bao quát được tương đối đủ các yếu tố ảnh hưởng. Trong các nghiên cứu gần đây các giả thiết trên được coi là không còn mang tính đại diện khi một loạt các yếu tố ảnh hưởng khác được tính đến làm tiền đề cho những mô hình nghiên cứu đầy đủ hơn, cặn kẻ hơn, phức tạp hơn rất nhiều cùng với sự trợ giúp đắc lực của máy tính điện tử bao gồm nồng độ chất nền, sự ức chế bởi các sản phẩm trung gian và cân bằng ion của chúng, sự tương tác giữa các nhóm vi khuẩn khác nhau của mỗi giai đoạn, cấu trúc bể phân hủy (kích thước hình học, kết cấu bể, hình thức tập hợp vi khuẩn), các thông số thủy lực (lưu lượng chất thải, ảnh hưởng của sự truyền khối cơ chất đến hoạt động của vi sinh vật và sự chuyển khí sinh học từ trong hỗn hợp phân hủy ra ngoài...). Ngoài ra, cơ chất phân hủy trong thực tế lại là một hỗn hợp của nhiều chất khác nhau (bao gồm cả chất béo, hydratcacbon và protein) càng đòi hỏi các nghiên cứu chi tiết hơn và mô phỏng chính xác hơn quá trình xảy ra để từ đó dự đoán được xu hướng và diễn biến của quá trình. Tóm lại, phân tích khá chi tiết các khía cạnh quan trọng và mối liên quan chặt chẽ lẫn nhau của từng giai đoạn ở trên cho thấy để cả quá trình phân giải kỵ khí có thể diễn biến thuận lợi như mong muốn, cần duy trì một cân bằng giữa tốc độ sinh acid (bởi giai đoạn thủy phân, acid hóa và acetate hóa) với tốc độ tiêu thụ acid (bởi giai đoạn tạo methane). Sự sản xuất quá mức các acid dẫn đến sự tích tụ các sản phẩm lên men đến ngưỡng gây ức chế và tiến tới chấm dứt quá trình. Trong thực tế bể phân hủy kỵ khí cả giai đoạn xảy ra cùng một lúc và đồng bộ với nhau để đạt đến sự cân bằng và hiệu quả mong muốn. Vi sinh vật học của quá trình phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí Công tác nghiên cứu vi sinh vật của quá trình phân hủy kỵ khí nhìn chung gặp nhiều khó khăn do tốc độ sinh trưởng vi sinh vật chậm và nhiều loài thậm chí không sinh trưởng trong môi trường thuần khiết mà chỉ tồn tại trong điều kiện cộng sinh với loài khác hoặc cho các sản phẩm khác với môi trường tự nhiên. Mỗi giai đoạn trong quá trình liên quan có đến một số vi sinh vật khác nhau, mỗi nhóm gồm nhiều loài khác nhau. Ngoài ra, bản chất của chất nền cùng với điều kiện tiến hành phân hủy kỵ khí như nhiệt độ, pH, tốc độ nạp chất nền, thời gian lưu... có ảnh hưởng rất lớn đến thành phần và số lượng loài của khu hệ vi sinh vật. Các kỹ thuật truyền thống và gần đây là các phương pháp sinh học phân tử hiện đại đã được ứng dụng để nghiên cứu ngày một sâu sắc hơn về khu hệ vi sinh vật gắn liền với quá trình phân hủy kỵ khí. Một số loài nấm protozoa cũng đã đóng góp vào quá trình, nhưng vai trò phân hủy chất hữu cơ kỵ khí chủ yếu phụ thuộc vào các vi sinh vật nhân sơ (Procaryotes) bao gồm vi khuẩn (Bacteria) và vi sinh vật cổ (Archaea). Vi sinh vật thủy phân Nhóm này phân hủy các phân hủy hữu cơ phức tạp (protein, cenllulose, lignin, lipids) thành những chất đơn phân tử hòa tan như acid amin, acid béo và glycerol. Những đơn phân tử này sẽ được nhóm vi khuẩn lên men acid trực tiếp sử dụng ngay. Quá trình thủy phân được xúc tác bởi các enzym ngoại bào như cenllulosase, protease, lipase... Các vi sinh vật này rất phổ biến và phát triển nhiều trong tự nhiên trong đó có cả nhóm vi khuẩn E.Coli và B.Subtilus. Vi khuẩn chịu trách nhiệm thủy phân dầu mỡ quan trọng nhất trong điều kiện kỵ khí là Anaerovibrio lipolytica, sau đó là một loài thuộc giống Clostridium như Clostridium botilinum, Clostridium noviy. Chúng đều có khả năng tiết ra enzym lipaza ở pha logarit. Clostridium là giống vi khuẩn kỵ khí bắt buộc, gram dương, sinh bào tử, hình que. Đối với cơ chất là protein thì các vi khuẩn thủy phân protein phải tiết ra enzym protease. Các vi khuẩn chiếm ưu thế loại này bao gồm Clostridium peptococcus, Bifido bacterium, Bacillus, là các vi khuẩn gram âm không sinh bào tử, là các vi khuẩn kỵ khí đóng vai trò quan trọng trong việc phân hủy protein. Trong bùn cặn các vi khuẩn này xuất hiện với tỷ lệ khá cao 6,5 x 107 tế bào/ml. Vi sinh vật acid hóa Sản phẩm thủy phân của dầu mỡ là glycerin và acid béo tự do mạch dài được thực hiện nhờ các vi khuẩn thủy phân. Trong khi glycerin bị phân giải tiếp cũng chính là nhờ các vi khuẩn thủy phân đó (khi này chúng đóng vai trò là vi khuẩn lên men) thì sự acid hóa các acid béo tự do mạch dài lại được diễn ra bởi vi khuẩn acetate hóa để tạo thành acid acetic. Vi khuẩn này sẽ được đề cập đến trong mục kế tiếp. Vi sinh vật acetate hóa Các vi khuẩn acetate hóa thuộc nhóm vi khuẩn kỵ khí sinh acid. Quá trình acetate hóa là phản ứng trong đó cơ chất oxy hóa xảy ra cùng với quá trình khử proton và sản phẩm cuối cùng là hydro và acetate. Quá trình này được thực hiện bởi hai nhóm vi sinh vật, được chia thành: Các vi khuẩn khử proton kỵ khí bắt buộc: chuyển hóa cơ chất thành acetate và methane. Các vi khuẩn lên men (vi khuẩn khử proton kỵ khí tùy tiện): hoạt động như các chất khử proton thông qua cơ chế tách hydro ra khỏi cơ chất và chuyển đến chất nhận điện tử cuối cùng là chất hữu cơ. Sản phẩm của phản ứng ngoài H2 còn có thêm sản phẩm oxy hóa khác. Quá trình oxy hóa cơ chất của vi sinh vật lên men tạo ra một năng lượng đáng kể, năng lượng này đạt tối đa nếu H2 được hình thành. Nhưng nồng độ H2 tăng lên sẽ ức chế sự hình thành H2 tiếp tục, khi đó các vi sinh vật tạo ra các sản phẩm khử hữu cơ khác có năng lượng như quá trình lên men. Tốc độ sinh sản của vi khuẩn acetate tương đối chậm với thời gian thế hệ thường từ 3 - 7 ngày, ngay cả khi có sự hiện diện của vi sinh vật sinh methane. pH tối ưu cho các vi khuẩn acetate nằm trong khoảng 6 - 7. Cũng như vi sinh vật sinh methane, chúng rất nhạy cảm với sự thay đổi của nhiệt độ môi trường. Các giống vi sinh vật acetate hóa quan trọng gồm Syntrophus, Syntrophobacter. Syntrophomonas. Đối với chất béo, hai loài Syntrophomonas wolfei subsp. Saponavida và Syntrophomonas sapovorans là những vi khuẩn quan trọng tham gia vào sự oxy hóa β các acid béo dài ở nhiệt độ ưa ấm (30 - 400C). Chúng là những vi khuẩn không sinh bào tử, gram âm, thuộc loại hóa dưỡng hữu cơ, hình que hơi xoắn, đầu hơi tròn, có từ 2 đến 8 tiên mao phân bố xung quanh dọc theo bờ lõm của tế bào. Vi sinh vật sinh methane Trong hệ thống phân loại vi sinh vật hiện đại, vi sinh vật sinh methane không thuộc giới vi khuẩn (Bacteria) như các vi sinh vật của ba giai đoạn trên mà thuộc giới vi sinh vật cổ hay vi khuẩn cổ (Archaea) do có cấu tạo thành và màng tế bào khác biệt. Chúng đã xuất hiện từ rất lâu, được phân thành nhánh riêng trong cây phân loại nên được nghiên cứu khá kỹ lưỡng. Chuỗi phân giải kỵ khí chất hữu cơ được kết thúc nhờ các vi sinh vật này. Các giống khác nhau có thành tế bào thuộc cả hai nhóm gram âm (Methanococcus) và gram dương (Methanobacterium). Đặc điểm chung của tất cả các cơ thể này là chịu được nhiệt độ khá cao (60 - 800C, tùy loài), sinh trưởng và phát triển trong môi trường có thể khử thấp (< -300 mV), rất mẫn cảm với sự biến động của các yếu tố môi trường như oxy, nhiệt độ, pH,... nhưng ít nhạy cảm với các chất khác sinh như penicilin. Coenzym của vi sinh vật sinh methane rất đặc biệt: coenzym M, coenzym F430 và F420 (khiến chúng có khả năng tự phát quang dưới vùng sống từ ngoại do đó có thể dễ dàng phát hiện chúng khá dài, khoảng 1 ngày ở 550C đến 3 ngày ở 350C và tời 50 ngày ở 100C. Các chất có thể dùng để cung cấp nguồn cacbon và năng lượng cho vi sinh vật sinh methane khá đơn giản. Đó cũng chính là sản phẩm tạo ra từ giai đoạn acetate hóa. Tuy 70% lượng khí methane được sinh ra từ sự oxy hóa acetate, chỉ có một số loài vi sinh vật cổ có khả năng phân giả acetate, trong đó các giống quan trọng là Methanoseata, Methanosacina, Methanococcus. Trong khi đó có rất nhiều loài sinh methane có khả năng tạo methane từ hydro và cacbonic, trừ một số nhóm chỉ phân giải acetic và một nhóm chỉ phân giải hợp chất chứa metyl. Hai loài Methanosarcina barkeri và Methanococccus mazei là thường gặp nhất vì chúng có khả năng sử dụng bất cứ cơ chất nào. Ngày nay đã biết đến 83 loài vi sinh vật sinh methane, đều thuộc loại kỵ khí bắt buộc. Dựa vào sự khác nhau về khả năng sử dụng cơ chất để xếp loại chúng thành 3 nhóm lớn là: 61 loài sử dụng CO2và H2 tạo CH4 20 loài sử dụng hợp chất chứa metyl (13 loài bắt buộc) 9 loài sử dụng acetate tạo ra CH4 (2 loài bắt buộc) Khoảng 23% số loài thuộc vi sinh vật ưa nhiệt (thermophllic). Cần phải nhấn mạnh rằng điều kiện vận hành phân hủy kỵ khí (pH, nhiệt độ, tính chất của chất nền, thời gian lưu cơ chất trong hệ thống...) sẽ quyết định loài vi sinh vật nào chiếm ưu thế. Nhu cầu chất dinh dưỡng thay đổi theo các loài khác nhau. Gần đây đã phát hiện một số loài có khả năng sử dụng nitơ phân tử ở thể khí. Biên độ pH môi trường khá đẹp, trong khoảng 6,5 - 7,6. Tuy nhiên có một số loài đặc biệt vẫn sinh trưởng được trong điều kiện pH thấp (5 - 5,5) hay pH cao (8 - 9,2). Các công cụ sinh học phân tử hiện đại ngày nay cho phép phân loại vi sinh vật sinh methane chi tiết và tường tận hơn theo trình tự phân tử DNA trong tế bào. Tuy nhiên, vấn đề đang bỏ ngỏ hiện nay là xác lập mối liên hệ nhất định giữa loại chất đem phân hủy và biến động vè quần xã vi sinh vật sinh methane tương ứng. Bảng 3.2. Các vi sinh vật chính tạo methane Loài Chất nền Methanobacterium H2/CO2 Methanobrevibacter H2/CO2 Methanococcus H2/CO2 Methanosacina H2/CO2/acetate Methanobacterium fomicicum H2, CO2, formiat Mathanococcus vannielli H2, formiat Methanosacina barkeri H2, CO2, methanol, acetate Methanobacterium runinatlum H2, CO2, formiat Methanobacterium suboxidans Butyrate, valerat, caproat Methanobacterium sohngeni Acetate, butyrate Methanobacterium methnica Acetate, mathanol, butyrate Methanobacterium mezei Acetate, butyrate Mathanothrix Acetate Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí Nhiệt độ Vùng nhiệt độ để quá trình phân hủy kỵ khí xảy ra là rộng và mỗi vùng nhiệt độ sẽ thích hợp cho từng nhóm vi sinh vật kỵ khí khác nhau. Vùng nhiệt độ ưa ấm - trung bình: 20 - 400C và vùng nhiệt độ ưa nóng: 50 - 650C sẽ thích hợp cho sự hoạt động của nhóm vi sinh vật methane hóa. Một số vi sinh vật kỵ khí có khả năng hoạt động ở vùng nhiệt độ thấp - lạnh: 10 - 150C. Khi nhiệt độ <100C thì hầu như vi khuẩn tạo methane không hoạt động. Nhiệt độ tối ưu đối với vi sinh vật tạo methane là 350C (ưa ấm) và 550C (ưa nóng). pH Trong quá trình xử lý kỵ khí, các giai đoạn phân hủy có ảnh hưởng trực tiếp qua lại lẫn nhau, làm thay đổi tốc độ quá trình phân hủy chung. Đối với nước thải mới nạp vào công trình thì nhóm vi sinh vật acid hóa dễ thích nghi hơn nhóm vi sinh vật methane hóa. Khi pH giảm mạnh (pH < 6) sẽ làm cho khí methane sinh ra giảm đi. Khoảng pH tối ưu dao động trong một khoảng hẹp từ 6,8 - 7,3. Tính chất của chất nền Hàm lượng tổng chất rắn của mẫu ủ có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất phân hủy. Hàm lượng chất rắn quá cao không đủ hòa tan các chất cũng như không đủ pha loãng các chất trung gian khiến hiệu quả sinh khí giảm. Hàm lượng tổng chất rắn bay hơi của mẫu thể hiện bản chất của chất nền, bao gồm những chất dễ phân hủy (đường, tinh bột...) và những chất khó phân hủy (cellulose, dầu mỡ ở hàm lượng cao). Tốc độ và mức độ phân hủy của mẫu phụ thuộc rất lớn vào phần trăm của mỗi thành phần kể trên trong mẫu. Các chất dinh dưỡng đa lượng và vi lượng Để đảm bảo quá trình phân hủy kỵ khí diễn ra bình thường và liên tục thì cần phải cung cấp đầy đủ các chất dinh dưỡng cần thiết cho sự sinh trưởng và phát triển của các vi sinh vật. Các chất dinh dưỡng đa lượng cần thiết cho quá trình sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật trong hệ thống phân hủy kỵ khí gồm N và P là chủ yếu. Tỷ lệ thích hợp đề nghị là 20:1 đến 30:1 cho C:N và 7:1 đối với N:P, trong đó N và P đều phải ở dạng dễ hấp thụ bởi vi sinh vật. Quá nhiều N có thể dẫn tới sự tích tụ amoni khiến pH tăng lên và ức chế vi sinh vật sinh methane. Trái lại, quá ít N không đủ cho vi sinh vật sinh methane tiêu thụ và sản lượng khí sinh học giảm. Nồng độ vủa đủ của một số kim loại có tác dụng kích thích sự trao đổi chất ở vi sinh vật lên men methane thông qua sự ảnh hưởng lên hoạt tính enzyme của chúng. Các chất vi lượng cần có mặt trong enzyme bao gồm: Ba, Ca, Mg, Na, Co, Ni, Fe, H2S và một số nguyên tố dạng vết như Se, Tu, Mo. Thời gian lưu bùn Thời gian lưu bùn là thông số quan trọng thường được lựa chọn là thông số thiết kế bể phân hủy. Giá trị bể lưu bùn thông thường được chọn là 12 - 15 ngày. Nếu thời gian lưu bùn trong bể quá ngắn (< 10 ngày) sẽ xảy ra hiện tượng cạn kiệt vi sinh vật lên men methane, tức là vi sinh vật loại bỏ lớn hơn vi sinh vật tạo thành. Thời gian lưu nước cũng là một thông số quan trọng. Khi thời gian lưu ngắn, áp suất riêng phần khí hydro tăng lên, gây ức chế vi sinh vật sinh methane và ảnh hưởng đến chất lượng khí sinh học (hàm lượng khí methane thấp). Các chất gây độc Các chất có mặt trong môi trường ảnh hưởng lớn đến sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật kỵ khí. Oxy được coi là độc tố của quá trình này. Một số dẫn xuất của methane như CCl4, CHCl3, CH2Cl2 và một số kim loại nặng (Cu, Ni, Zn...) các chất như HCHO, SO2, H2S cũng gây độc cho vi sinh vật kỵ khí. NH4+ gây ức chế cho quá trình kỵ khí và S2- được coi là chất gây ức chế cho quá trình methane hóa. Các kim loại nhẹ và cả kim loại nặng đều được xem là dinh dưỡng vi lượng nếu hiện diện với nồng độ đủ thấp và sẽ xem là chất độc nếu nồng độ của chúng vượt quá ngưỡng cho phép. Độc tính của kim loại nói chung tăng theo hóa trị và nguyên tử lượng của chúng. Dạng tồn tại của các kim loại cũng ảnh hưởng đến ngưỡng gây độc, các muối kết tủa hay các phức chất không thể di chuyển qua màng tế bào nên khả năng tác động ít hơn các muối hòa tan. Đối với chất nền chứa nhiều N, sự tạo thành và tích lũy ammoni (NH4+) và ammoniac (NH3) mang cả tính tích cực và tiêu cực. Nói chung, NH4+ có thể được vi sinh vật sử dụng như là chất dinh dưỡng, trong khi đó NH3 gây ức chế và gây độc cho quá trình phân hủy. Đối với quá trình kỵ khí nồng độ amoni trong khoảng 50 - 200 mg/l. Tuy nhiên, amoni thường hiện diện trong nước thải ở nồng độ cao và nếu nồng độ đạt tới mức nào đó sẽ trở thành chất gây độc. Bảng 3.3. Nồng độ các chất gây ức chế quá trình phân hủy của vi sinh vật kỵ khí Tên hóa học Hàm lượng SO42- 5.000 ppm NaCl 40.000 ppm NO2- 50 mg/l Cu 100 mg/l Cr 200 mg/l Ni 200 - 500 mg/l CN- 25 mg/l ABS 20 - 40 ppm NH3 1.500 - 3.000 mg/l Na 3.000 - 5.500 mg/l K 2.500 - 4.500 mg/l Ca 2.500 - 4.500 mg/l Mg 1.000 - 1.500 mg/l Sự khuấy đảo hỗn hợp phân hủy Sự đảo trộn hỗn hợp phân hủy có tác dụng làm tăng sự phân bố đồng đều và tăng cơ hội tiếp xúc giữa vi khuẩn, chất nền và các chất dinh dưỡng với nhau, đồng thời cũng có tác dụng điều hòa nhiệt độ tại mọi điểm trong bể phân hủy, giảm tình trạng tăng hay giảm nhiệt độ cục bộ. Kết cấu hệ thống Các bể phân hủy theo mẻ không khuấy trộn, không gia nhiệt và thời gian lưu dài (30 - 60 ngày): sản lượng khí và tốc độ nạp chất nền thấp vì xảy ra hiện tượng phân tầng trong bể, kết cấu này đơn giản, rẻ tiền và dễ vận hành, nhưng đòi hỏi diện tích mặt bằng lớn. Loại bể có kết cấu cho phép tốc độ nạp chất nền cao, được gia nhiệt và có thời gian lưu khoảng 15 ngày, khuấy trộn hoàn chỉnh, nồng độ chất nền (tính theo lượng chất khô) khoảng 10 - 15%. Loại bể này có hiệu quả phân hủy cao và chât lượng khí sinh học thu được tốt. Xuất phát từ hạn chế của kết cấu thông thường đòi hỏi phải pha loãng chất nền nguyên thủy để đạt hàm lượng chất rắn 5 - 15% (kết cấu ướt), kết cấu hệ thống phân hủy chất thải với hàm lượng chất rắn cao 20 - 40% (kết cấu khô) đã ra đời. Kết cấu khô cho phép đơn giản hơn trong khâu tách loại các hợp phần vô cơ, thể tích bể phân hủy nhỏ hơn, tốc độ nạp chất nền cao hơn, năng lượng cần thiết để gia nhiệt ít hơn trong khi mức độ nhạy cảm với các chất ức chế, mức độ phân hủy chất thải và sản lượng khí sinh học cũng tương đương kết cấu ướt. Nhưng kết cấu mới đòi hỏi mức độ đầu tư khá cao cho bộ phận khuấy đảo. Động học của quá trình phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí Quá trình tăng trưởng của tế bào vi sinh vật Việc mô tả quá trình động học của sự phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ theo phương thức toán học rất khó vì tính chất phức tạp của cơ chất và thành phần vi sinh vật, sự biến động của chúng theo các điều kiện môi trường. Tuy nhiên, trong thực tiễn, động học của quá trình này có thể được miêu tả bằng mô hình động học Monod. Biểu thức toán học mô tả tốc độ tăng trưởng của vi sinh vật theo mô hinhg Monod được biểu diễn như sau: μ=μmax*SKS+S Trong đó: µ: là tốc độ tăng trưởng riêng (ngày-1) µmax: là tốc độ tăng trưởng lớn nhất (ngày-1) S: là nồng độ cơ chất (g/l) KS: là hệ số ái lực (nồng độ của cơ chất khi µ = ½ µmax) Mô hình động học của Monod giúp mô tả chính xác tốc độ sinh methane và mối liên hệ giữa tốc độ tăng trưởng của vi sinh vật với hoạt tính của bùn. Vì phương trình này không tính đến tốc độ tự phân hủy (chết) của vi sinh vật, do đó cần kết hợp với công thức sau: μn=μ-b Trong đó: µn: là tốc độ tăng trưởng cuối (ngày-1) b: là tốc độ tự phân hủy (ngày-1) Thay thế vào phương trình ta được: μn=μmax*SKS+S-b Phương trình này có thể được phối hợp với phương trình có độ hoạt tính lớn nhất µmax bằng tích số giữa tốc độ phân hủy cơ chất đặc trưng với hệ số tăng trưởng của vi sinh vật. μmax=rx.max*Y Trong đó: Y: là hệ số tăng trưởng vi sinh vật (gVSStạo thành/gCODloại bỏ) rx,max: là tốc độ phân hủy cơ chất đặc trưng (gCODloại bỏ/gVSS.ngày) Thế vào phát triển ta có kết quả như sau: μ=Y*rx,max*SKS+S-b Những mối liên hệ này cũng có thể được áp dụng cho các hệ thống lên men hỗn hợp, có hoặc không có lưu bùn hay tuần hoàn bùn. Năng suất tạo sinh khối Sự phân hủy các hợp chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí có liên quan trực tiếp đến quá trình tạo ra khí methane. Sản lượng khí sinh học có thể dự báo từ phương trình sau: CxHyOz+x-y2-z4H2O→x2-y8-z4CO2+x2-y8-z4CH4 Sản lượng thực tế của khí sinh học luôn nhỏ hơn sản lượng tính toán theo phương trình, bởi vì chỉ có một phần các chất dễ phân hủy sinh học thậm chí còn có một số chất ngăn cản quá trình phân hủy trong bể. Các dạng công trình xử lý chất thải trong điều kiện kỵ khí Bể tự hoại Được xây dựng bằng các cấu kiện bê tông đúc sẵn, gạch đá, một ngăn hay nhiều ngăn với hai chức năng: lắng và lên men cặn lắng, thường dùng cho các hộ gia đình. Bể tự hoại cũng được sử dụng trong xử lý cặn bùn của hệ thống xử lý nước thải chế biến thủy sản, với thời gian lưu bùn từ 1 - 2 tháng, bùn được nâng nhiệt đến 350C và đáy bể có van tháo cặn. Quá trình phân hủy bùn cặn được tăng cường khi bùn được khuấy trộn. Bể lắng hai vỏ Được xây bằng gạch hoặc bê tông cốt thép hình tròn hay chữ nhật, có đáy hình nón hay hình chóp cụt để chứa và phân hủy bùn cặn. Bể lắng hai vỏ có chức năng tương tự như bể tự hoại nhưng có công suất lớn hơn. Phía trên bể là các máng lắng đóng vai trò như bể lắng ngang. Nước chuyển động chậm qua máng lắng. Bùn lắng theo khe trượt xuống ngăn lên men, phân hủy và ổn định bùn cặn. Bể lắng hai vỏ được sử dụng cho các công trình xử lý nước thải sinh hoạt có công suất nhỏ và trung bình (Q < 10.000 m3/ngày đêm). Bùn cặn lưu trong bể từ 1 - 6 tháng. Hiệu suất lắng từ 55 - 60%. Tất cả các trạm xử lý nước thải sinh hoạt và công nghiệp đều có thể sử dụng công trình này. Bể methane Được xây dựng bằng bê tông cốt thép hình trụ, đáy và nắp hình nón. Bể được sử dụng để phân hủy cặn lắng từ bể lắng I và II cũng như bùn hoạt tính dư của trạm xử lý nước thải. Ngoài ra, bể còn được sử dụng để phân hủy rác nghiền, phế thải rác hữu cơ. Các trạm xử lý nước thải đều có thể sử dụng công trình này. CHƯƠNG IV: MÔ HÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM Vật liệu nghiên cứu Bằng thực nghiệm nghiên cứu quá trình phân hủy, với nguồn nguyên liệu là bã thải của nhà máy sản xuất mì ăn liền công ty Uni President. Mẫu bùn thải (mẫu tổ hợp) được vớt trực tiếp từ 4 vị trí khác nhau trong bể tiếp nhận ra xô chứa. Ở mỗi vị trí, toàn bộ bùn từ tầng mặt (tầng tiếp xúc không khí) đến tần đáy (tầng tiếp xúc nước thải) đều được thu lấy. Chúng được khuấy đảo đều trước khi lấy 1 mẫu tổ hợp. Mẫu thu được ở dạng bùn sệt, có mùi hôi, nhớt lẫn nhiều nước, màu vàng nhạt. Các mẫu đều được đưa về Phòng thí nghiệm khoa Môi trường và Công nghệ sinh học, trường Đại học Kỹ thuật công nghệ Tp.HCM (HUTECH) ngay sau thời điểm lấy mẫu và tiến hành xác định ngay các thông số về thành phần mẫu bùn. Trước khi phân tích, mỗi mẫu đều được trộn đều trên máy khuấy trong 15 phút để có được sự đồng nhất về thành phần. Kết quả phân tích các thông số của bã thải như sau: Bảng 4.1. Các thông số đầu vão của bã thải Các thông số Đơn vị Kết quả Nhu cầu oxy hóa học (COD) mgO2/l 115.000 Chất rắn tổng cộng (TS) g/kg 55,2 Chất rắn bay hơi (VS) g/kg 49,8 Nitơ tổng mg/l 2,13 Photpho tổng mg/l 3,2 Từ kết quả phân tích thấy được rằng hàm lượng COD của mẫu rất cao. Mẫu chứa nhiều tạp chất khác nhau (sa tế, vụn mì...) nên hàm lượng cặn trong mẫu tương đối lớn. Tỷ lệ chất rắn bay hơi (VS) và chất rắn tổng cộng (TS) > 0,9; như vậy có thể thấy trong mẫu bã thải trên hàm lượng chât rắn bay hơi rất lớn, chủ yếu là chất béo (lipit) trong dầu thải từ quá trình sản xuất. Quá trình nghiên cứu có sử dụng kết hợp với bùn giống kỵ khí (men giống). Men giống dùng để cấy trong tất cả các mẫu thử nghiệm kỵ khí là bùn lắng thu từ bể phân hủy kỵ khí UASB trong hệ thống xử lý nước thải xí nghiệp lợn giống Đông Á (Bình Dương). Trong bùn chứa men giống, vi khuẩn sinh trưởng ở trạng thái lơ lửng. Trước khi đem cấy với mẫu ủ, bùn được để lắng khoảng vài giờ, sau đó rút bỏ phần nước phía trên mặt để làm giảm độ ẩm và tăng nồng độ vi khuẩn trong men giống. Thành phần chất rắn tổng cộng và chất rắn bay hơi của men giống như sau: Bảng 4.2. Kết quả phân tích TS và VS của men giống Thông số Đơn vị Kết quả Hàm lượng rắn tổng cộng (TS) g/kg 51 Hàm lượng rắn bay hơi (VS) g/kg 28,87 Mô hình nghiên cứu Việc nghiên cứu được tiến hành trong Phòng thí nghiệm trường Khoa Môi trường và Công nghệ sinh học, trường Đại học Kỹ thuật công nghệ thành phố Hồ Chí Minh. Mô hình bao gồm 9 bình nhựa có nắp có dung tích bình khoảng 2 lít, dùng làm bình phân hủy. 9 bình này được đặt trong một bể chứa, trên nắp bình nhựa có khoan 2 lỗ: 1 lỗ có đường kính 21mm có gắn ống PVC và có nắp đậy bít đầu ống dùng để lấy mẫu và bổ sung hợp chất trong quá trình thí nghiệm. 1 lỗ được gắn với các van nối với các ống mềm có đường kính 10 mm có nhiệm vụ dẫn khí. Khí biogas sinh ra được dẫn qua ống thu khí tới các bình nhựa dung tích 2 lít chứa dung dịch nước có pH = 2 dùng để đo thể tích khí tạo thành. Bộ thu khí bao gồm 2 bình có thể tích gần bằng nhau được lồng ghép vào nhau: bình thứ nhất có thể tích đúng 2 lít được đặt phía dưới và bên trong chứa dung dịch nước có pH = 2, bình còn lại có thể tích nhỏ hơn 2 lít được lồng úp vào bên trong bình thứ nhất, phía đáy được khoan lỗ gắn với các van nối với các ống mềm có đường kính 10 mm từ các bình phân hủy tương ứng. Trên bình thứ hai tiến hành chia các vạch để đo thể tích khí sinh ra (100ml, 200ml.....) Đặt 1 motor lắc đều phần bên trong các mẫu ủ trong thời gian phân hủy. A 2 B C D 1 Hình 4.1. Sơ đồ mô hình nghiên cứu Ghi chú: A: Bể chứa các bình phân hủy B: Bình phân hủy C: Bình thu khí D: Motor lắc mẫu ủ 1: Ống lấy mẫu phân tích 2: Ống dẫn khí Một số hình ảnh thực tế của mô hình thí nghiệm: Hình 4.2. Bố trí mô hình thí nghiệm Hình 4.3. Cấu tạo bình phân hủy kỵ khí trong mô hình thực nghiệm Hình 4.4. Cấu tạo bình thu khí trong mô hình thực nghiệm Phương pháp thực nghiệm Sơ đồ thực nghiệm Nghiên cứu được thực hiện lặp lại 2 lần. Tiến hành phối trộn chất nền (bùn thải) với men giống theo các tỷ lệ khác nhau như sau: Bảng 4.3. Tỷ lệ phối trộn men giống và cơ chất Mẫu Tỷ lệ (VS men/VS chất) Cơ chất (g) Men giống (g) Trắng 0 500 Đối chứng 500 0 1 1,0 100 170 2 1,2 100 210 3 1,5 100 260 4 1,8 100 310 5 2,2 100 380 6 2,5 100 430 7 2,8 100 480 8 3,0 100 520 Tỷ lệ COD : N : P có trong thành phần bã thải là một chỉ tiêu quan trọng để đánh giá khả năng phân hủy của nó. Để tạo điều kiện cho các vi sinh vật sinh methane sinh trưởng và phát triển tốt thì tỷ lệ COD : N : P phải được thỏa mãn. Đối với quá trình phân hủy kỵ khí thì vi sinh vật kỵ khí sẽ phát triển tốt ở tỷ lệ COD : N : P = 500 : 7 : 1. Vì vậy với kết quả phân tích hàm lượng Nitơ tổng và Photpho tổng như trên thì cần phải bổ sung thêm N và P vào mẫu ban đầu để đảm bảo cho vi sinh vật sinh trưởng và phát triển tốt. N được bổ sung vào mẫu dưới dạng NH4NO3 2M và bổ sung P được bổ sung bằng KH2PO4 2M dung dịch. Các lượng NH4NO3 và KH2PO4 đưa vào mẫu sao cho tỷ lệ COD : N : P = 500 : 7 : 1 được thỏa mãn. Hỗn hợp chất nền và men giống theo từng tỷ lệ trên được trộn đều trên máy khuấy từ, sau đó được đưa vào các bình ủ. Các bình ủ đều được đậy kín ngay và đưa vào bể đặt các bình ủ có rung lắc nhờ motor. Trong quá trình phân hủy, pH thường xuyên được kiểm tra và điều chỉnh về khoảng 6,8 - 7,3. Các thông số quan trắc trong quá trình thực nghiệm bao gồm: Thể tích khí sinh ra ở mỗi bình ủ được theo dõi và ghi nhận hàng ngày từ lúc bắt đầu ủ mẫu cho đến khi hoàn toàn kết thúc sinh khí. pH: đo 1 lần/ngày và điều chỉnh pH của tất cả các mẫu về khoảng 6,8 - 7,3 (nếu cần). COD: theo dõi 5 ngày/lần TS, VS: theo dõi 5 ngày/lần Phương pháp phân tích các chỉ tiêu trong quá trình thực nghiệm Bảng 4.4. Phương pháp phân tích các chỉ tiêu trong quá trình thực nghiệm Thông số Đơn vị Phương pháp đo COD mgO2/l Phân hủy mẫu bằng chất oxy hóa mạnh K2Cr2O7 và H2SO4 có bổ sung xúc tác, sau đó chuẩn độ lại lượng dư K2Cr2O7 còn lại bằng dung dịch FAS. TS mg/l Làm bay hơi hơi nước (sấy ở nhiệt độ 100 -1050C) và cân phần rắn còn lại trên cốc. VS mg/l Chất rắn bay hơi được xác định bằng cách tiếp tục nung mẫu sau khi đã sấy (xác định hàm lượng chất rắn tổng cộng) ở 5500C và đem cân phần tro còn lại. Tổng N mg% (Giả thiết toàn bộ N trong mẫu ban đầu đều ở dạng N-hữu cơ và N-NH3, do N-NO2 và N-NO3 chưa đáng kể). Thực hiện phân tích N tổng bằng phương pháp tổng N-hữu cơ + N-NH3 bằng phương pháp Kjeldahl Tổng P mg/l Tiền xử lý mẫu trong H2SO4 và HClO4 để chuyển tất cả các dạng tồn tại của phosphate trong mẫu về dạng orthophosphate hòa tan. Sau đó, orthophosphate sẽ phản ứng với ammonium molybdate và SnCl2 tạo ra phức có màu xanh dương. Đo độ hấp thu của dung dịch bằng máy đo quang ở bước sóng 690 nm. Các hợp chất, thiết bị, dụng cụ đều được sử dụng tại Phòng thí nghiệm Khoa Môi trường và Công nghệ sinh học, trường Đại học Kỹ thuật công nghệ thành phố Hồ Chí Minh (HUTECH). CHƯƠNG V: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Về tổng thể tích khí sinh học tạo thành từ các bình ủ Với các bình phân hủy được bố trí như trên, có thể thấy quá trình phân hủy xảy ra tuần tự qua các giai đoạn sau: Phân hủy hiếu khí nhờ các vi khuẩn hiếu khí có sẵn và kỵ khí tùy tiện và khí oxy có sẵn trong bình ủ. Quá trình này tương đối ngắn. Phân hủy kỵ khí nhờ các vi khuẩn kỵ khí bắt buộc có trong bình ủ, sau khi oxy đã tiêu thụ hết. Đây là quá trình chủ yếu trong bình ủ Hình 5.1 thể hiện tổng lượng khí sinh học (Biogas) tạo thành từ các bình ủ trong thời gian ủ mẫu Hình 5.1. Tổng thể tích khí sinh học tạo thành của các bình ủ Từ đồ thị hình 5.1 cho thấy, đối với các bình ủ có tỷ lệ men giống và cơ chất khác nhau thì thể tích khí sinh học sinh ra tại các bình ủ cũng khác nhau. Trong cùng một thời gian ủ là 30 ngày và cùng một lượng cơ chất nạp vào, lượng men giống nạp vào thấp nhất là ở bình số 1 với tỷ lệ là 1/1 tính theo khối lượng khô (ứng với khối lượng ướt là 100g cơ chất : 170g men giống) thì thể tích khí sinh ra cũng là thấp nhất chỉ có 180ml. Khi tiếp tục tăng lượng men giống bổ sung vào các bình ủ thì thể tích khí sinh học tạo thành từ các bình ủ cũng tăng dần. Tuy nhiên, xét trên tổng thể tích khí thì các bình sinh khí nhiều nhất là bình số 6 với tỷ lệ VS giống/VS chất là 2,5 tạo 5850ml khí và bình số 8 với tỷ lệ VS giống/VS chất là 3,0 cũng tạo một thể tích khí tương đương. Từ đồ thị cũng có thể thấy, thể tích khí sinh học tạo thành từ bình số 2 đến bình số 6 liên quan đến tỷ lệ khối lượng men giống và khối lượng cơ chất (khối lượng chất khô bay hơi) ở mỗi bình là gần như tuyến tính. Tuy nhiên, thể tích khí sinh học tạo thành từ bình số 6 trở đi không tăng lên nữa cho dù VS giống/VS cơ chất vẫn tăng, thể hiện ở tổng thể tích khí sinh thành từ các bình số 6, 7 và 8 nói chung là khá tương đồng nhau. Theo kết quả nghiên cứu về tỷ lệ men giống và chất nền (tính theo khối lượng khô bay hơi - VS) của tác giả V.Nallathambi Gunaseelan (1994) khi tiến hành phân hủy kỵ khí cỏ khô Parthenium đã cho thấy quá trình sinh khí chỉ thuận lợi khi tỷ lệ men giống và chất nền tối thiểu bằng 3,9; đối với những tỷ lệ thấp hơn thì thể tích khí sinh ra không nhiều và không ổn định. Theo một báo cáo tổng hợp của P.Chynoweth và cộng sự (1993) về quá trình phân hủy kỵ khí các hợp chất hữu cơ từ nhiều nghiên cứu khác nhau thì tỷ lệ men giống và cơ chất đặc trưng nhất là 2. Nếu hạ thấp tỷ lệ này có thể dẫn đến sự mất cân bằng trong quá trình phân hủy do vi khuẩn acid hóa tăng trưởng quá nhanh sinh thành nhiều các acid béo bay hơi khiến cho nồng độ pH giảm. Như đã trình bày trong phần vi sinh vật học của quá trình phân hủy kỵ khí, các vi sinh vật sinh methane rất nhạy cảm với pH môi trường và chúng chỉ sinh trưởng tốt trong dải pH hẹp (6,5 - 7,5). Nếu giai đoạn acid hóa chiếm ưu thế khiến pH < 6 sẽ ức chế sự tạo thành methane dẫn đến quá trình phân hủy bị mất cân bằng. Kết quả là quá trình phân hủy hoàn toàn "thất bại". Như vậy, có thể thấy tỷ lệ men giống và cơ chất ảnh hưởng rất lớn đến lượng khí sinh ra trong quá trình ủ mẫu. Khi so sánh về tỷ lệ men giống và cơ chất để quá trình phân hủy kỵ khí đạt hiệu quả giữa tỷ lệ trong nghiên cứu của chúng tôi với các tỷ lệ trong nghiên cứu này (tỷ lệ 2,5) là phù hợp và không có gì bất thường.  Tốc độ sinh khí của các bình ủ Lượng khí sinh ra theo thời gian Hình 5.2. Thể tích khí sinh ra theo thời gian của bình số 1 và bình số 2 Hình 5.3. Thể tích khí sinh ra theo thời gian của bình số 3 và bình số 4 Hình 5.4. Thể tích khí sinh ra theo thời gian của bình số 5 và bình số 6 Hình 5.5. Thể tích khí sinh ra theo thời gian của bình số 7 và bình số 8 Từ các đồ thị biểu diễn thể tích khí sinh ra theo thời gian trên các hình 5.2, 5.3, 5.4, 5.5 cho thấy, đối với các bình ủ có tỷ lệ men giống và cơ chất thấp (bình số 1 và 2) thì quá trình sinh khí chỉ bắt đầu thực sự vào ngày thứ 4 và thứ 5 của quá trình ủ mẫu. Tuy nhiên lượng khí sinh ra trong các ngày tiếp theo của các bình này nhìn chung là không đáng kể. Đối với các bình có tỷ lệ men giống và cơ chất cao hơn (bình số 3 và 4) thì quá trình sinh khí bắt đầu ngay từ ngày thứ 2 sau khi thực nghiệm bắt đầu. Như vậy là dường như khi tỷ lệ men giống và cơ chất càng lớn thì thời gian thích nghi của vi sinh vật đối với cơ chất càng giảm và trong số các bình ủ chỉ thực sự quan sát thấy quá trình thích nghi ở bình số 1 và bình số 2. Nhìn chung, lượng khí sinh ra tập trung từ ngày thứ 4 đến ngày thứ 12 của quá trình ủ mẫu và sau đó bắt đầu giảm. Điều này có nguyên nhân do: Từ ngày thứ 12 trở đi, lượng cơ chất vi sinh vật sử dụng trong các bình đã giảm, đồng thời thì mật độ sinh khối lại tăng dẫn đến nguồn "thức ăn" không còn dồi dào như trước nên vi sinh vật sinh trưởng chậm lại. Do đó, thể tích khí sinh học sinh ra ở những ngày sau giảm dần. Thể tích khí tích lũy theo thời gian của các bình ủ Hình 5.6. Thể tích khí tích lũy của bình số 1 và bình số 2 Hình 5.7. Thể tích khí tích lũy của bình số 3 và bình số 4 Hình 5.8. Thể tích khí tích lũy của bình số 5 và bình số 6 Hình 5.9. Thể tích khí tích lũy của bình số 7 và bình số 8 Hình 5.6; 5.7; 5.8; 5.9 thể hiện thể tích khí tích lũy theo thời gian ở tất cả các bình ủ. Ở những bình ủ đầu (bình số 1, 2, 3 và 4) tỷ lệ men giống và cơ chất thấp nên quá trình phân hủy diễn ra tương đối chậm và lượng khí sinh ra theo thời gian không lớn, đường cong tích lũy tương đối thoải. Ở các bình ủ còn lại (bình số 5, 6, 7 và 8), có thể thấy trong khoảng thời gian đầu của mẻ ủ, lượng khí sinh ra tương đối dồn dập nhưng ở khoảng thời gian sau lượng khí sinh ra ít dần. Đó là vì khí chỉ sinh thành nhiều trong khoảng thời gian từ ngày thứ 4 đến ngày thứ 12 của quá trình ủ, khi môi trường trong bình ủ còn phù hợp cho các vi sinh vật phát triển tốt nhất. Sự thay đổi thành phần của mẫu phân hủy Hiệu quả loại bỏ COD Bảng 5.1. Hiệu quả loại bỏ COD trong thời gian ủ Bình ủ COD trong mẫu ban đầu (mgO2/l) COD trong bình ủtrước khi phân hủy (mgO2/l) COD trong bình ủ sau khi phân hủy (mgO2/l) Hiệu quả loại bỏ COD (%) 1 115.000 71.200 62.900 11,7 2 115.000 65.100 54.400 16,4 3 115.000 55.600 49.100 11,7 4 115.000 50.700 41.300 18,5 5 115.000 49.600 35.400 28,6 6 115.000 52.600 31.400 40,3 7 115.000 48.600 33.500 31,0 8 115.000 52.700 32.200 38,9 Hình 5.10. Diễn biến thay đổi hàm lượng COD của bình số 1 và bình số 2 Hình 5.11. Diễn biến thay đổi hàm lượng COD của bình số 3 và bình số 4 Hình 5.12. Diễn biến thay đổi hàm lượng COD của bình số 5 và bình số 6 Hình 5.13. Diễn biến thay đổi hàm lượng COD của bình số 7 và bình số 8 Các đồ thị hình 5.10, 5.11, 5.12, 5.13 cho thấy hàm lượng COD trong thời gian quan trắc dao động không lớn, nhưng đều có xu hướng giảm. Hiệu quả loại bỏ COD dao động trong khoảng 11,3% - 40,3%. Hiệu quả xử lý COD cao nhất chỉ đạt 40,3% (so vơi hỗn hợp mẫu và men giống trong bình ủ trước khi xử lý), tuy nhiên so với hàm lượng COD trong mẫu ban đầu (COD = 115.000 mgO2/l) thì hiệu quả xử lý đạt đến 72,7%. Như vậy có thể thấy kỹ thuật phân hủy kỵ khí là một trong những công nghệ phù hợp để xử lý loại chất thải này. Từ kết quả thực nghiệm cũng cho thấy với những bình ủ đầu (bình số 1, 2, 3 và 4) tỷ lệ men giống và cơ chất thấp thì hiệu quả xử lý COD không cao. Đối với những bình ủ có tỷ lệ men giống và cơ chất cao hơn (bình số 5, 6, 7 và 8) thì hiệu quả loại bỏ COD cao hơn và hiệu quả xử lý tối ưu nhất tại bình số 6 với tỷ lệ 2,5 là 40,3%. Tuy nhiên khi tăng tỷ lệ này lên thì hiệu quả xử lý COD không tăng nữa. Khi so sánh lượng khí sinh thành từ các bình ủ và hiệu quả loại bỏ COD tương ứng thì có thể dễ dàng nhận thấy mối tương quan chặt chẽ giữa hai yếu tố đó: bình nào cho lượng khí sinh thành cao thì hiệu quả loại bỏ COD cũng cao và ngược lại. Như vậy, quá trình phân hủy kỵ khí chất hữu cơ (cụ thể trong đề tài là chất béo) về thực chất là thực hiện quá trình chuyển hóa năng lượng dưới dạng hóa năng (chất hữu cơ) sang dạng nhiệt năng (khí Biogas là một dạng nhiên liệu). Qua đó, hai mục tiêu cùng lúc thực hiện được: Giảm thiểu ô nhiễm môi trường Tận dụng được nguồn năng lượng trong chất thải để tạo thành khí có ích. Hiệu quả loại bỏ TS và VS Hiệu quả loại bỏ TS và VS được hể thiện trong các bảng 5.2, 5.3 và các đồ thị hình 5.14, 5.15, 5.16, 5.17, 5.18, 5.19, 5.20, 5.21 Bảng 5.2. Hiệu quả loại bỏ TS trong thời gian ủ Bình ủ TS trong mẫu ban đầu (g/kg) TS trong bình ủ trước khi xử lý (g/kg) TS trong bình ủ sau khi xử lý (g/kg) Hiệu quả loại bỏ TS (%) 1 55,2 52,6 50,6 3,8 2 55,2 55,5 48,2 13,2 3 55,2 53,7 45,9 14,5 4 55,2 52,0 43,6 16,2 5 55,2 57,1 42,5 25,6 6 55,2 54,4 39,7 27,0 7 55,2 49,1 42,3 13,8 8 55,2 56,8 38,4 32,4 Bảng 5.3. Hiệu quả loại bỏ VS trong thời gian ủ Bình ủ VS trong mẫu ban đầu (g/kg) VS trong bình ủ trước khi xử lý (g/kg) VS trong bình ủ sau khi xử lý (g/kg) Hiệu quả loại bỏ VS (%) 1 49,77 36,6 33,1 33,5 2 49,77 39,2 30,2 39,3 3 49,77 34,7 28,9 42,0 4 49,77 36,3 25,8 48,2 5 49,77 35,9 23,6 52,3 6 49,77 32,2 22,4 55,0 7 49,77 34,1 23,6 52,6 8 49,77 33,5 12,3 75,3 Hình 5.14. Diễn biến thay đổi hàm lượng TS của bình số 1 và bình số 2 Hình 5.15. Diễn biến thay đổi hàm lượng VS của bình số 1 và bình số 2 Hình 5.16. Diễn biến thay đổi hàm lượng TS của bình số 3 và bình số 4 Hình 5.17. Diễn biến thay đổi hàm lượng VS của bình số 3 và bình số 4 Hình 5.18. Diễn biến thay đổi hàm lượng TS của bình số 5 và bình số 6 Hình 5.19. Diễn biến thay đổi hàm lượng VS của bình số 5 và bình số 6 Hình 5.20. Diễn biến thay đổi hàm lượng TS của bình số 7 và bình số 8 Hình 5.21. Diễn biến thay đổi hàm lượng VS của bình số 7 và bình số 8 Hàm lượng VS đại diện cho các chất hữu cơ có trong mẫu, vì vậy rõ ràng khi hàm lượng COD trong mẫu giảm thì khiến cho hàm lượng VS giảm theo. Như vậy, có thể thấy đối với những bình ủ có tỷ lệ men giống và cơ chất thấp thì hiệu quả loại bỏ COD không cao nên hiệu quả loại bỏ VS trong mẫu cũng không đáng kể. Đối với các bình ủ có tỷ lệ men giống và cơ chất lớn hơn thì hiệu quả loại bỏ VS cao hơn và cao nhất là ở bình số 8 với tỷ lệ 3,0 là 63,3% (so với VS của hỗn hợp mẫu và men giống trước khi xử lý), tuy nhiên so với mẫu ban đầu (VS = 49,77 g/kg) thì hiệu quả xử lý lên đến 75,3%. Nói về sản lượng khí biogas sinh thành được từ quá trình phân hủy kỵ khí, theo một báo cáo tổng hợp của Jeffrey E.Fehrs (2000) về lý thuyết của sản lượng khí biogas tối ưu sinh thành từ một đơn vị khối lượng khô như sau: 10 SCF CH4/1b ở điều kiện chuẩn Tương đương với 0,28 m3 CH4/0,45 kg VS ở điều kiện chuẩn. ↔ 0,47 m3 biogas/0,45 kg VS ở điều kiện chuẩn ↔ 1 m3 biogas/1kg VS ở điều kiện chuẩn ↔ 1 lít biogas/1g VS ở điều kiện chuẩn. Với điều kiện thí nghiệm ở nhiệt độ phòng là 300C thì sản lượng khí tối ưu trên khối lượng khô là 1,11 lít biogas/1gVS. Trở lại kết quả thực nghiệm có thể thấy 4,98g VS cho sản lượng khí tối ưu là 5,85 lít biogas. Vậy 1g VS sẽ cho sản lượng khí tối ưu là 1,17 lít biogas Khi so sánh về sản lượng khí tối ưu trong quá trình phân hủy kỵ khí giữa sản lượng khí sinh ra trong nghiên cứu của chúng tôi với các nghiên cứu trên thì sản lượng khí tối ưu trong nghiên cứu này (5,85 lít biogas) là phù hợp và không có gì bất thường. Một lần nữa, ý nghĩa của việc nghiên cứu tạo khí sinh học từ hỗn hợp chất thải nhiều dầu mỡ lại cho thấy là lựa chọn phù hợp vì vừa tận dụng được nguồn năng lượng tiềm tàng trong chất thải vừa góp phần bảo vệ môi trường. CHƯƠNG VI: KẾT LUẬN - KIẾN NGHỊ Kết luận Từ kết quả thực nghiệm thu thập được qua quá trình nghiên cứu xử lý hỗn hợp chất thải nhiều dầu của nhà máy sản xuất mì ăn liền Uni President có thể đưa ra một số kết luận như sau: Việc xử lý chất thải nhiều dầu (đối tượng nghiên cứu) bằng phương pháp sinh học kỵ khí đã thực hiện được. Đây là một kết quả khả quan cho phép mở rộng và phát triển kỹ thuật và phân hủy kỵ khí trong công tác xử lý chất thải nhiều dầu. Với cùng một lượng chất thải nạp vào, lượng khí tạo thành chịu tác động nhiều của tỷ lệ phối trộn men giống : bã thải. Qua thực nghiệm có thể chọn được tỷ lệ thích hợp để thể tích khí sinh ra là tối ưu và hiệu quả xử lý tối ưu là 2,5. Với tỷ lệ trên thì hiệu quả xử lý đạt 40,3% và tổng thể tích khí sinh học tạo thành là 5850ml khí. Sản lượng khí biogas tối ưu trên một đơn vị khối lượng khô là: 1,17 lít biogas/1g VS Đề xuất Vì thời gian thực nghiệm của đề tài nghiên cứu chỉ giới hạn ở nghiên cứu tỷ lệ men giống và cơ chất trong xử lý loại chất thải nhiều dầu mỡ này. Từ đó có thể mở ra những hướng đề tài khác như: Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố (pH, nhiệt độ...) đến quá trình phân hủy kỵ khí. Phương pháp xử lý kỵ khí bã thải chứa nhiều dầu mỡ có thể được ứng dụng trong các nhà máy sản xuất mì ăn liền. Từ tỷ lệ men giống và chất nền tối ưu cho điều kiện phân hủy kỵ khí đề xuất dây chuyền công nghệ xây dựng hệ thống phân hủy loại chất thải này trong thực tế, vừa giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường, vừa tận dụng được nguồn nhiệt năng tạo ra.