Đồ án Bước đầu xây dựng cơ sở tài liệu lý thuyết cho phương pháp xử lý nước thải bằng vi sinh vật kỵ khí

với lý thuyết về nhiệt động học của các phản ứng trong giai đoạn này vì phản ứng sinh axit acetic và propionic, butyric hay etanol (phản ứng thu nhiệt) chỉ có thể xảy ra đồng thời với các phản ứng sinh metan trong giai đoạn metan hóa (phản ứng tỏa nhiệt). Trong khi axetat (sản phẩm giai đoạn axetat hóa) là cơ chất mà vi khuẩn sinh metan sử dụng trực tiếp thì chính sự tích tụ của nó sẽ gây ức chế sự phân giải của các axit béo bay hơi khác, ví dụ 15mmol axit acetic ức chế phân giải axit propionic và 100mmol axit acetic ức chế phân giải axit butyric do đó làm chậm tốc độ axit hóa. Bản thân axit axetic ở nồng độ quá cao cũng gây pH thấp và ảnh hưởng tốc độ phân giải axit 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 – 42oC. Ngoài ra, một con đường axetat 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 metan (từ hydro) mạnh hơn của homoacetogen, nên lượng axit acetic tổng hợp từ con đường này là không đáng kể. IV.4.4. Giai đoạn tạo metan: Là giai đoạn cuối cùng phân hủy kỵ khí trong giai đoạn này các sản phẩm của hai giai đoạn trên như acetate, hydrogen và carbonate, formate, hay methanol được biến đổi tạo ra khí CO2, CH4 và một số chất khác. Ở giai đoạn này pH của môi trường cao hơn 7 Các phản ứng phân giải quan trọng trong quá trình lên men bao gồm: Phản ứng của ammoniac và nước tạo thành hydroxit amon: NH3 + H2O → NH4OH Hydroxit amon sau khi trung hòa với các axit ở các giai đoạn trước sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho sự lên men trong môi trường kiềm yếu (pH<7,5). Phản ứng của NH3 với HCO3- tạo thành NH4CO3 và (NH4)2CO3. Những sản phẩm này tạo ra môi trường tốt cho quá trình lên men như độ kiềm, hàm lượng nitơ của muối amon… Khí metan 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 metan khác nhau (trong tổng thể các cơ thể sinh metan). Con đường 1: 4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O Loại vi sinh vật Hydratgenotrophic Methanogen sử dụng cơ chất là hydro và cacbonic. Dưới 30% lượng metan sinh ra bằng con đường này. Con đường 2: 4HCOOH → CH4 + 3CO2 + 2H2O 4CO2 + H2O → CH4 + 3CO2 Loại vi sinh vật Acetotrophic Methanogen chuyển hóa acetate thành metan và cocbonic. Khoảng 70% lượng metan sinh ra là qua con đường này. Tuy nhiên, năng lượng giải phóng từ con đường này tương đối nhỏ. Cacbonic giải phóng ra lại được khử thành metan bằng con đường 1. Chỉ có một số loại vi sinh vật sinh metan 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 metan cũng có thể thực hiện quá trình lên men sinh metan bằng các con đường sau nhưng lượng metan 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 metan: 4CH3NH3+ + 3H2O → 3CH4 + HCO3- + 4NH4+ + H+ 2(CH3)2 NH2+ + 3H2O → 3CH4 + HCO3- + 2NH4+ + H+ 4(CH3)3NH+ + 9H2O → 9CH4 + 3HCO3- + 6NH4+ + 3H+ Sau quá trình phân hủy, tính chất của cặn thay đổi, hàm lượng hữu cơ trong cặn đã lên men giảm tới 75 - 90%, đồng thời thể tích của chúng cũng giảm xuống. 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 cho hầu hết các nghiên cứu với giả thiết tốc độ sinh trưởng tế bào chỉ phụ thuộc vào chất nền (axit 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 long hỗn hợp phân hủy ra ngoài)…Ngoài ra, cơ chất phân hủy trong thực tế lại là một hỗn hợp của những chất khác nhau (bao gồm cả chất béo, hydratcabon 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. Quá trình lên men metan có thể xảy ra ở điều kiện ưa lạnh (10 – 150C), ưa ấm (30 – 400C) và thậm chí ở điều kiện ưa nóng (55 – 600C). 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 tiến thuận lợi như mong muốn, cần duy trì một cân bằng giữa tốc độ sinh axit (bởi giai đoạn thủy phân, axit hóa và acetate hóa) với tốc độ tiêu thụ axit (bởi giai đoạn tạo metan). Sự sản suất quá mức các axit dẫn đến sự tích tụ của 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 các giai đoạn xảy ra cùng một lúc và đồng bộ với nhau để đạt đến sự cân bằng và hiệu quả mong muốn. IV.5. 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 phải nhiều khó khăn do tốc độ sinh trưởng vi sinh 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 có liên quan đến một số nhóm 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 loại nấm và protozoa cũng đóng góp vào quá trình, nhưng vai trò phân hủy chất hữu cơ kỵ khí chủ yếu thuộc về các vi sinh vật nhân nguyên thủy (Procaryotes) bao gồm vi khuẩn (Bacteria) và vi sinh vật cổ (Archaea). IV.5.1. Vi khuẩn thủy phân: Nhóm này phân hủy các phân tử hữu cơ phức tạp (protein, cellulose, lignin, lipids) thành những đơn phân tử hòa tan như axit amin, glucose, axit béo và glycerol. Những đơn phân tử này sẽ được nhóm vi khuẩn lên men axit trực tiếp sử dụng ngay. Quá trình thủy phân được xúc tác bởi các enzyme ngoại bào như cellulose, 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. Cl. thermocellum là loài vi khuẩn được phân lập đầu tiên từ phân ngựa, lúc còn non có hình que ngắn, khi trưởng thành có hình uốn cong với kích thước khá dài, bào tử sinh ra ở một đầu của tế bào. Loài vi khuẩn này có thể phát triển được trên các môi trường tổng hợp đơn giản chứa nguồn cacbon và xenlulose, nguồn ni tơ là muối NH4+. Chúng không thể sử dụng glucose và nhiều loại đường khác, chúng phát triển và lên men mạnh mẽ ở nhiệt độ 60 – 650C, giới hạn nhiệt độ cao nhất thường là 700C còn ở 40 – 500C thì chúng bắt đầu kém phát triển. Vi khuẩn ưa ấm Cl. omelianski có hình que, kích thước 0,5 - 8µm, có khả năng di động. bào tử được hình thành một đầu là cho vi khuẩn có hình dáng giống cái dùi trống. Loại vi khuẩn này phát triển và lên men mạnh mẽ nhất ở nhiệt độ 30 – 400C. Cl. thermocellum, Cl. omelianski là hai loài vi khuẩn có khả năng thủy phân xenlulose. Sản phẩm của quá trình lên men này là etanol, axit acetic, axit lactic, axit formic, H2 và CO2. Ngoài ra còn có các loài: Ruminococcus flavefaciens, R. allbus. R. flavefaciens là loại cầu khuẩn gram dương, thường xếp thành hình chuỗi, có khả năng sinh sắc tố vàng. Có khả năng lên men xenlulose và xenlobioza. 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 botulinum, Clostridium noviy. Chúng đều có khả năng tiết ra enzyn 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 cácvi khuẩn thủy phân protein phải tiết ra enzyme 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 6,5.107 tế bào/ml. IV.5.2. Vi khuẩn axit hóa: Vi khuẩn lên men axit cũng là các vi khuẩn tham gia và quá trình thủy phân. Vi sinh vật chịu trách nhiệm lên men cơ chất là các nhóm vi khuẩn, nấm mốc và protozoa không tạo CH4. Chúng lên men axit các monomer của cơ chất ban đầu (glucose, acit béo) thành các axit hữu cơ đơn giản. Trong số các nhóm vi khuẩn kỵ khí bắt buộc và kỵ khí tùy tiện thì vi khuẩn kỵ khí tùy tiện là nhóm axit hóa chủ yếu. Những vi khuẩn kỵ khí tùy tiện phân hủy protit và axit amin, thường gặp có thể kể đến là Clostridium spp; Lactobacillus spp; Corynebacterium spp; Actinomyces; Staphylococus; E.Coli. Vài loài vi khuẩn hiếu khí cũng tham gia vào giai đoạn đầu của quá trình lên men kỵ khí axit như loài Pseudomonas, Flavobacterium, Alcaligenes, Micrococcus, Sarcinovulgaris, E.Coli. Khi oxy trong bể phân hủy kỵ khí chưa hoàn toàn vắng mặt thì trong bể phân hủy còn có thể thấy sự có mặt các vi khuẩn khử sunfat như Desulfovibrio. Nhiều loại nấm mốc như Penicillium, Fusarium, Mucor,…các Protozoa cũng tham gia vào quá trình tạo axit. Nhưng nhìn chung trong giai đoạn này vi khuẩn kỵ khí đóng vai trò chủ yếu còn vi khuẩn hiếu khí, nấm mốc, Protozoa chỉ đóng vai trò thứ yếu. IV.5.3. Vi khuẩn acetate hóa: Các vi khuẩn acetate hóa thuộc nhóm vi khuẩn kỵ khí sinh axit. Có hai cơ chế hình thành acetate: hydro hóa và dehydro hóa. Quá trình dehydro hóa tạo acetate (acetagenic dehydrogenation): Quá trình dehydro hóa tạo acetate là phản ứng trong đó cơ chất oxy hóa xảy ra cùng với quá trình khử proton và sản phẩm cuối cùng là hydrogen 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 metan. 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 các sản phẩm oxy hóa khác. Để phân biệt hai nhóm vi sinh vật này phải dựa trên cơ chất được sử dụng và năng lượng tạo ra. 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 khi 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. Năng lượng của quá trình oxy hóa bởi vi khuẩn khử bắt buộc tương đối nhỏ, nồng độ H2 tạo thành thấp. Lúc nồng độ H2 tăng, sự oxy hóa trở thành quá trình thu nhiệt. Vi khuẩn khử proton chỉ sử dụng một lượng nhỏ năng lượng của cơ chất để tạo ra một vài sản phẩm oxy hóa khử. Quá trình hydro hóa tạo acetate (acetogenic hydrogenations): Quá trình này xảy ra không đáng kể trong bể phản ứng kỵ khí. Là quá trình lên men đồng hình acetate (homoacetate fermentation), chỉ tạo ra sản phẩm duy nhất là acetate. Trong quá trình lên men đồng hình acetate của hexoses, có hai phản ứng xảy ra: C6H12O6 + H2O → CH3COCOOH + CH3COOH + CO2 + 6H CH3COCOOH + CO2 + 6H → 2CH3COOH + H2O Quá trình hydro hóa acetogenic xảy ra không chỉ với những cơ chất nội sinh mà còn với những cơ chất ngoại sinh như CO2 và H2O. Bảng 4.2: Các vi khuẩn có khả năng chuyển hóa đường thành axit acetic: Vi sinh vật Nguồn Acetobacterium wieringae Acetobacterium woodii Acetogenium kivui Clostridium aceticum Clostridium acetium Clostridium thermoaceticum Bể phân hủy bùn Bùn Bùn Bùn Bùn Bùn Nguồn: Dolfing, 1998. IV.5.4. Vi khuẩn sinh metan: Trong hệ thống phân loại vi sinh vật hiện đại, vi sinh vật sinh metan 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 thế 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 kháng sinh như penicillin. Coenzym của vi sinh vật sinh metan rất đặc biệt: coenzyme M, coenzyme F430 và F420 (khiến chúng có khả năng tự phát quang dưới vùng sóng tử ngoại do đó có thể dễ dàng phát hiện chúng dưới kính hiển vi trong điều kiện hiện nay). Thời gian thế hệ của chúng khá dài, khoảng 1 ngày ở 550C đến 3 ngày ở 350C và tới 50 ngày ở 100C. Các chất có thể dùng để cung cấp nguồn cacbon và năng lượng cho vi sinh vật sinh metan khá đơn giản. Đó cũng chính là sản phẩm tạo ra từ giai đoạn acetate hóa. Tuy 70% lượng khí metan được sinh ra từ sự oxy hóa acetate, chỉ có một số loài vi sinh vật cổ có khả năng phân giải acetate, trong đó các giống quan trọng là Methanosaeta, Methanosacina, Methanococcus. Trong khi đó có rất nhiều loài sinh metan có khả năng tạo metan 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 Methanococcus 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 metan, đều thuộc loài 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: a) 61 loài sử dụng CO2 và H2 tạo CH4; b) 20 loài sử dụng hợp chất chứa metyl (13 loài bắt buộc); c) 9 loài sử dụng acetate tạo ra CH4 (2 loài bắt buộc). Khoảng 23% số loài thuộc vi sinh vật ưa nhiệt (thermophillic). Nhóm vi khuẩn metan hydrogenotrophic (sử dụng hydrogen hóa tự dưỡng): chuyển hóa hydro và CO2 thành metan: CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O Nhóm này giúp duy trì áp suất riêng phần thấp cần thiết để chuyển hóa axit bay hơi và alcol thành axetat. Nhóm vi khuẩn metan acetotrophic, còn gọi là vi khuẩn phân giải axetat, chúng chuyển axetat thành metan và CO2. CH3COOH → CH4 + CO2 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 còn 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 metan chi tiết và tường tận hơn theo trình tự phân tử DNA trong tế bào. Tuy nhiên, vấn đề vẫn đang bỏ ngỏ hiện nay là xác lập mối liên hệ nhất định giữa loại chất đem phân hủy và biến động về quần xã vi sinh vật sinh metan tương ứng. Bảng 4.3: Các vi khuẩn chính tạo metan: Loài Chất nền Methanobacterium H2/CO2 Methanobrevibacter H2/CO2 Methanococcus H2/CO2 Methanosacrina H2/CO2/axetat Methanobacterium fomicicum H2,CO2, formiat Methnococus vannielli H2, formiat Methnosacina barkeri H2, CO2, methanol, acetat Methanobacterium runinatlum H2, formiat Methanobacterium suboxidans Butyrate, valerat, caproat Methanobacterium sohngeni Axetat, butyrat Methanobacterium methnica Axetat, methanol, butyrat Methanobacterium mazei Axetat, butyrat Methanothrix Axetat IV.5.5. Các vi khuẩn khử sulfate: Trong điều kiện kỵ khí, các vi khuẩn khử sunfate sẽ sử dụng các cơ chất hữu cơ với tư cách là các chất cho điện tử (electrodonor) để chuyển hóa SO42- thành S2-. Các vi khuẩn khử sulfate thuộc nhóm vi khuẩn kỵ khí bắt buộc, rất đa dạng trong khả năng sử dụng các cơ chất khác nhau trong quá trình trao đổi chất với tư cách là chất cho electron như nguyên tử hydrogen, acetate, formate, propionate, butyrate, axit mạch dài, axit mạch ngắn, lactate, methanol, ethanol, các alcohols mạch dài, fumarate, succinate, malate, và các hợp chất vòng thơm. Ngoài quá trình khử sulfat, khử sulfite và khử thiosulfite cũng rất phổ biến đối với các vi khuẩn khử sulfate. Các vi khuẩn khử sulfate có thể chia làm hai loại chính: nhóm các chủng hình que, tạo bào xác (sporeforming) với lượng G + C thấp (Desulfotomaculum), và các chủng không tạo bào xác, là các vi khuẩn hình sợi xoắn với lượng G + C cao (Desulfovibrio). Gần đây các vi khuẩn khử sulfate đã được sắp xếp lại thành hai nhóm chủ yếu. Các vi khuẩn khử sulfate oxy hóa cơ chất không hoàn toàn thành CO2. Nhóm này bao gồm những loài như sau: Desulfobacter, Desulfococcus, Desulfosarcina, Desulfobacterium, Desulfonema. Các vi khuẩn khử sunfate oxy hóa cơ chất hoàn toàn thành CO2. Nhóm này bao gồm những loài như sau: Desulfobacter, Desulfococcus, Desulfosarcina, Desulfobacterium, Desulfonema. Trong trường hợp không có chất nhận điện tử chứa lưu huỳnh, các vi khuẩn khử sulfate có thể phát triển bằng các phản ứng lên men hoặc acetogenic. Như pyruvate, lactate và ethanol có thể dễ dàng lên men bởi nhiều chủng khử sulfate khác nhau. IV.6. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí: IV.6.1. Thời gian lưu bùn: Thời gian lưu bùn là thông số quan trọng thường được lựa chọn làm 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 metan, 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 metan và ảnh hưởng đến chất lượng khí sinh học (hàm lượng khí metan thấp). IV.6.2. Nhiệt độ: Vùng nhiệt độ để quá trình phân hủy kỵ khí xảy ra là khá rộng và mỗi vùng nhiệt độ sẽ thích hợp cho từng nhóm vi sinh vật kỵ khí khác nhau. Vùng nhiệt độ ấm – trung bình : 20 – 45oC và vùng nhiệt độ cao – nóng: 45 – 65oC sẽ thích hợp cho sự hoạt động của nhóm vi sinh vật lên men metan. Một số nhóm vi sinh vật kỵ khí có khả năng hoạt động ở vùng nhiệt độ thấp – lạnh: 10 – 15oC. Khi nhiệt độ <10oC thì hầu như vi khuẩn tạo metan không hoạt động. Nhiệt độ tối ưu đối với vi sinh vật tạo metan là ưa ấm 35oC và hiếu nhiệt 55oC. Hình 4.2: ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng sinh khí của các vi sinh vật tạo metan (Price and Cheremisinoff, 1981). IV.6.3. pH: Trong quá trình xử lý kỵ khí, các giai đoạn phân 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 axit hóa thích nghi hơn nhóm vi sinh vật metan hóa. Khi pH giảm mạnh (pH<6) sẽ làm cho khí metan sinh ra giảm đi. Khoảng pH tối ưu giao động trong một khoảng hẹp từ 6,8 – 8,5. IV..4. Tính chất của chất nền: Hàm lượng tổng chất rắn của mẩu 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. IV.6.5. 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 C và N là chủ yếu. Thành phần C thì ở dạng Cacbonhydrate (C: tạo năng lượng), N ở dạng nitrate, protein, ammoniac (N: tham gia cấu trúc tế bào) 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 metan. Trái lại, quá ít N không đủ cho vi sinh vật sinh metan tiêu thụ và sản lượng khí sinh học giảm. Nồng độ vừa đủ của một số kim loại có tác dụng kích thích sự trao đổi chất ở vi sinh vật lên men metan 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. Bảng 4.4: tỷ lệ C/N trong một số loại phân: Loại phân Tỷ lệ C/N Trâu bò Heo Gà Cừu Ngựa Người 25/1 13/1 5/1 – 10/1 29/1 24/1 2,9/1 IV.6.6. 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. Oxygen được coi là độc tố của quá trình này. Một số dẫn xuất của metan 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 metan hóa. Các chất có tính oxy hóa mạnh như thuốc tím, các halogen và các muối có oxy của nó, ozon,… được xem là chất diệt khuẩn hữu hiệu hiện nay. 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 được 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 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 tụ amoni (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 – 200mg/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. Amoni có thể có mặt trong dòng nước thải đầu vào, hoặc có thể được tạo thành do sự phá vỡ các hợp chất hữu cơ có chứa N, ví dụ như protein. NH3 + H2O → NH4+ +OH- Cả hai dạng NH3 và NH4+ đều ảnh hưởng đến quá trình nhưng ở những nồng độ khác nhau. NH3 thường có ảnh hưởng nhiều hơn và có thể gây độc cho quá trình phân hủy ở nồng độ khoảng 100mg/l. Trong khi đó, nồng độ NH4+ thường cao ở mức từ 7.000 – 9.000mg/l và rất tốt cho quá trình xử lý, không gây ức chế cho quá trình. Nếu tổng nồng độ NH3 và NH4+ quá cao trong nước thải sẽ trở thành chất ức chế cho quá trình xử lý, và nồng độ này thay đổi tùy thuộc vào pH và nhiệt độ. Trong điều kiện mesophilic (25 – 30oC), nồng độ tổng amoni có thể đạt được giá trị 10.000mg/l và nồng độ NH3 vẫn thấp hơn 100mg/l ở khoảng pH = 7. Khi nồng độ tổng amoni đat 2.000mg/l có thể khiến cho nồng độ NH3 ở mức gây độc khi pH lên đến 7,5 – 8. Tuy nhiên, trong điều kiện thermophilic (55oC) nồng độ tổng amoni phải duy trì dưới 2.000mg/l, khi đó nồng độ NH3 dưới mức gây độc. Bảng 4.5: Nồng độ các chất gây ức chế quá trình lên men của vi khuẩn kỵ khí. Tên hóa học Hàm lượng SO42- NaCl NO2- Cu Cr Ni CN- ABS NH3 Na K Ca Mg 5.000 ppm 40.000 ppm 50mg/l 100mg/l 200mg/l 200 – 500mg/l 25mg/l 20 – 40 ppm 1.500 – 3.000mg/l 3.000 – 5.500mg/l 2.500 – 4.500mg/l 2.500 – 4.500mg/l 1.000 – 1.500mg/l IV.6.7. 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. IV.6.8. 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 chất 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 mứa 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 đời hỏi mức độ đầu tư khá cao cho bộ phận khuấy đảo. IV.7. Động học của quá trình phân hủy chất hữu cơ trong nước thải trong điều kiện kỵ khí: IV.7.1. 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 mo hình động học Monod. Biểu thức toán học mô tả tốc độ tăng trưởng của vi sinh vật theo mô hình Monod được biểu diễn như sau: µ = µmax trong đó: µ: là tốc độ tăng trưởng riêng (ngay-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 = 1/2µmax). Mô hình động học của Monod giúp mô tả khá chính xác tốc độ sinh metan 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 phận 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 - 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 phương trình ta có kết quả sau: µ = Y - 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. IV.7.2. 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 metan. Sản lượng khí sinh học có thể dự báo từ phương trình sau: CxHyOz + (x – y/2 – z/4)H2O →(x/2 – y/8 – z/4)CO2 + (x/2 – y/8 – z/4)CH4 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 bị phân hủy sinh học thậm chí còn có một số chất ngăn cản quá trình phân hủy trong bể. IV.8. Các dạng công trình xử lý nước thải trong điều kiện kỵ khí: IV.8.1. Các dạng bể kỵ khí IV.8.1.1. Bể tự hoại: Được xây dựng bằng các cấu kiện bê tong 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 sử lý nước thải chế biến thủy sản, với thời gian lưu bùn từ 1 – 2 tháng, bùn được nâng nhiệt đến 35oC và đáy bể có van tháo cặn. Quá trình phân hủy bùn cặn được tăng cường khi bùn được khuấy trộn. IV.8.1.2. Bể lắng hai vỏ: Được xây bằng gạch hoặc bê tong cốt thép hình tròn hay chữ nhật, có đáy hình nón hay hình chop cựt 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 xử dụng cho các công trình xử lý nước thải sinh hoạt có công suất nhỏ và trung bình (Q<10.000m3/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 nghệp đều có thể xử dụng công trình này. IV.8.1.3. Bể metan: Được xây dựng bằng bê tong 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 dùng để phân hủy rác nghền, phế tahi3 rác hữu cơ. Các trạm xử lý nước thải đều có thể xử dụng công trình này. IV.8.2. Sinh học kỵ khí hai giai đoạn: Hệ thống sinh học phân hủy kỵ khí hai giai đoạn thường được thiết kế cho khu dân cư từ 30.000 – 50.000 người. Ở giai đoạn đầu, các hoạt động sinh hóa chính là sự lỏng hóa các chất rắn hữu cơ, phân hủy các hợp chất hữu cơ đã hòa tan và quá trình axit hóa các hợp chất hữu cơ. Ở giai đoạn thứ hai xảy ra chủ yếu là sự khí hóa (tạo metan), tuy nhiên, vẫn có sự phân chia ở bề mặt và phân hủy bùn. Giai đoạn đầu thường là quá trình phân hủy tải trọng cao với sự khấy trộn lien tục hỗn hợp, trong khí đó ở giai đoạn hai thường có tải trọng thấp với sự phân riêng bùn và nước. Các chất hữu cơ cung cấp ban đầu ở dòng vào trong giai đoạn một thường lớn hơn so với giai đoạn hai. Hầu hết các bể phân hủy được giữ ở nhiệt độ 29,4oC – 37,8oC để đẩy mạnh thời gian phân hủy. Khí thoát ra từ hệ thống được sử dụng cho mục đích giữ nhiệt. khoảng pH thuận lợi nhất từ 7 – 7,2 có thể được duy trì nếu lượng bùn sạch được cung cấp hang ngày ở dạng hạt, và lượng bùn them cũng như lượng bùn thải không quá dư thừa. Thông thường, sự axit hóa sẽ không xảy ra nếu bùn khô được them vào hoặc lượng bùn dư hằng ngày không vượt quá 3 – 5% lượng bùn khô có trong hệ thống. Sự axit hóa thể hiện ở sự giảm pH, hạn chế sự phát triển của vi khuẩn metan, giảm khả năng tạo khí,…vì vậy, có thể phát sinh ra mùi khó chịu, tạo bọt và bùn nổi. Chất lỏng trên bề mặt chính là nước thoát ra trong quá trình phân hủy, có thể có BOD5 cao đến 2.000mg/l và nồng độ các chất rắn lơ lửng lên đến 1.000mg/l. Lượng nước này thường được đưa trở lại dòng nước ban đầu để lắng sơ bộ. Mức độ phân hủy bùn có thể được ước tính bằng cách tính qua lượng chất rắn bay hơi, trong bùn là lượng khí sinh ra. IV.8.3. Bể bùn kỵ khí dòng chảy ngược – UASB (upflow anaerobic sludge blanket reactor): Bể UASB được sử dụng rộng rãi để xử lý các loại nước thải của các nhà máy công nghiệp thực phẩm. Bể chia làm hai ngăn: ngăn lắng và ngăn lên men. Trong bể diễn ra hai quá trình: lọc trong nước thải qua tầng cặn lơ lửng và lên men lượng cặn giữ lại. Khí metan tạo ra ở giữa lớp bùn. Hỗn hợp khí – lỏng và bùn làm cho bùn tạo thành dạng hạt lơ lửng. Với quy trình này bùn tiếp xúc tốt với chất hữu cơ có trong nước thải và quá trình phân hủy xảy ra tích cực. Nhờ các vi sinh vật có trong bùn hoạt tính mà các chất bẩn trong nước thải đi từ dưới lên, xuyên qua lớp bùn bị phân hủy. Trong bể, các vi sinh vật lien kết nhau và hình thành các hạt bùn lớn đủ nặng để không bị cuốn trôi ra khỏi bể. Các loại khí tạo ra trong điều kiện kỵ khí (chủ yếu là CH4 và CO2) sẽ tạo ra dòng tuần hoàn cục bộ, giúp cho việc hình thành những hạt bùn hoạt tính và giữ cho chúng ổn định. Các bọt khí và hạt bùn có khí bám vào sẽ nổi lên trên mặt tạo thành hỗn hợp phái trên bể. Khi va phải lớp lưới chắn phía trên, các bọt khí vỡ ra và các hạt bùn được tách ra khỏi hỗn hợp lại lắng xuống dưới. Để giữ cho lớp bùn ở trạng thái lơ lững, vận tốc dòng nước hướng lên phải giữ ở khoảng 0,6 – 0,9m/h. Bùn được xả ra khỏi bể UASB từ 3 – 5 năm/lần nếu nước thải đưa vào đã qua bể lắng I, hoặc 3 – 6 tháng/lần nếu nước thải đưa vào xử lý trực tiếp. Bể được sử dụng để xử lý nước thải có hàm lượng chất hữu cơ cao. Ưu điểm: Chi phí đầu tư, vận hành thấp. Lượng hóa chất cần bổ xung ít. Không đòi hỏi cấp khí, do đó ít tiêu hao năng lượng. Có thể thu hồi tái sử dụng năng lượng từ biogas. Lượng bùn sinh ra ít. Cho phép vận hành với tải trọng hữu cơ cao. Giảm diện tích công trình. Khuyết điểm: Giai đoạn khởi công kéo dài. Dễ bị sốc tải khi chất lượng nước vào biến động. Bị ảnh hưởng bởi các chất độc hại. Khó hồi phục sau thời gian ngừng hoạt động. IV.8.4. Bể phản ứng liên tục – CSTR (continuously stirred tank reator): Bể phản ứng khuấy liên tục còn được gọi là bể phản ứng khuấy trộn hoàn toàn. Bể có thể tích V, tiếp nhận dòng chất thải với tốc độ dòng F chứa các chất có thể hòa tan, các chất hữu cơ nền có thể bị phân hủy bởi vi khuẩn có nồng độ SSo, và một lượng đủ các chất dinh dưỡng vô cơ để tạo điều kiện thuận lợi cho sự tăng trưởng của vi sinh vật. Lưu lượng dòng vào và các thông số như: nồng độ, giá trị pH, nhiệt độ, cũng như các điều kiện môi trường khác là không đổi. Trong bể phản ứng sinh học, sinh khối của các sinh vật dị dưỡng sử dụng các chất hữu cơ (hòa tan và lơ lững) làm nguồn thức ăn, vì vậy sự tăng trưởng của chúng đạt đến nồng độ XBH trong khi nồng độ các chất lơ lững giảm xuống SS. Có hai dòng chảy thoát ra từ bể phản ứng, nhưng do bể này được khuấy trộn hoàn toàn nên nồng độ của tất cả các chất cấu thành nên chúng là như nhau tại bất kỳ điểm nào trong bể phản ứng. Dòng thứ nhất với tốc độ dòng là Fw, chảy trực tiếp ra khỏi bể phản ứng và mang theo sinh khối cũng như các tế bào vỡ vụn có nồng độ cân bằng với bể phản ứng. Dòng chảy còn lại có vận tốc (F – Fw), chảy qua thiết bị tách sinh khối trước khi thảy ra ngoài, nhằm mục tiêu giải phóng các chất lơ lững. Toàn bộ các hạt lơ lững được tách bởi thiết bị phân riêng ở quá trình trên sẽ được quay trở lại bể phản ứng sinh học ban đầu. IV.8.5. Bể phản ứng dòng chảy đều – PFR (plug flow reator): Bể phản ứng dòng chảy đều có thể đơn giản chỉ là một ống hay một hộp kín có kèm theo chất xúc tác. Dòng thải cần xử lý có chứa các cơ chất được cung cấp liên tục qua các đường ống nhỏ vào bể phản ứng, trong khi đó dòng chảy ra chứa các sản phẩm và các chất không phản ứng, được đưa ra ngoài qua các đường ống thoát. Dòng chảy bên trong bể có vận tốc khá ổn định và nồng độ được phân tán đồng đều theo tiết diện ống, đồng thời không có sự phối trộn dọc, vì vậy các thành phần trong chất lỏng di chuyển qua bể phản ứng trong cùng một điều kiện như nhau. Ngoài ra, bởi vì các phản ứng xảy ra dọc theo chiều dài của bể phản ứng nên nồng độ của cơ chất và sản phẩm thay đổi dọc theo trục. Do đó, bể phản ứng dòng chảy đều còn được gọi là bể phản ứng dạng ống. IV.8.6. Lọc kỵ khí bám dính cố định – AFR (anaerobic filter reator): Hệ thống lọc kỵ khí bám dính cố định sử dụng các vi sinh vật bám dính trên các vật liệu lọc đặt trong bể có dòng nước thảy chảy từ dưới lên hoặc từ trên xuống và màng vi sinh vật bám dính này không bị rửa trôi trong quá trình xử lý. Dòng nước thảy vào và dòng tuần hoàn ra được phân bố từ bên này sang bên kia của bể phản ứng sinh học, chảy cắt ngang hoặc chảy ngược qua màng sinh học. Quá trình xử lý xảy ra là kết quả của bùn lơ lửng và hòa trộn sinh khối được giữ lại bởi màng lọc. Dòng chảy ra ở phần trên của màng, là tập hợp của các tác nhân bị đào thải. Khí nằm ở phía dưới bể phản ứng được thu lại và được chuyển đi nơi khác để xử dụng sau. Dòng chảy ra được tuần hoàn lại để duy trì điều kiện nạp nước được đồng nhất trong bể phản ứng. việc thiết kế bể phản ứng sinh hóa dựa vào thời gian lưu nước với tải trọng thể tích chất hữu cơ từ 5 – 15kgCOD/(m3.ngày). Sinh khối phải thường xuyên được kiểm tra và nếu có sự dư thừa sinh khối thì chúng sẽ được tách ra khỏi hệ thống theo dòng chảy. IV.8.7. Bể phản ứng đệm ky khí giản nở - FBR (fluidized bed reator): Các vi sinh vật bám dính trên các chất mang ( thường là các hạt cát lơ lửng với đường kính từ 0,2 – 0,5mm) sẽ được phân bố đều khắp thiết bị nhờ tốc độ dòng nước thải chảy ngược thích hợp, làm giản nở lớp cát (đệm giản nở). Trong hệ thống bể phản ứng kỵ khí có đệm giãn, tốc độ dòng chảy ngược đủ lớn để ngăn sự gắn kết sinh khối của các hạt magn này, kết quả là làm gia tăng thể tích đệm so với thể tích của nó. Trong các đệm giản nở, vận tốc dòng chảy ngược có thể làm giãn đệm từ 15 – 30%. Với thể tích giản nở này, sự kết dính sinh khối chỉ được ngăn chặn một phần nào đó bởi dòng chảy và một phần khác là do sự tiếp xúc với các khối sinh khối kết dính liền kề nhau, cho nên chúng có xu hướng giữ nguyên trạng thái trong môi trường đệm. Dưới những điều kiện này, sinh khối kết dính sẽ bị ngăn chặn hoàn toàn bởi dòng chảy ngược và di chuyển tự do trong môi trường đệm. Khí sinh ra ở đây cũng là kết quả của sự tiếp xúc này. Trong bất kỳ quá trình sinh hóa nào, lượng sinh khối thừa cũng phải được đưa ra khỏi bể phản ứng sinh hóa để ổn định lượng sinh khối. Quá trình tích lũy sinh khối trên các hạt cát lơ lững sẽ làm gia tăng đường kính của hạt sinh khối kết dính và đồng thời cũng làm giảm mật độ của chúng. Kết quả của hai quá trình trái ngược này là làm giảm tốc độ lắng đọng của sinh khối kết dính và có xu hướng tích lũy sinh khối ở tầng trên của bể phản ứng sinh hóa. IV.9. Các thông số tính toán công trình xử lý sinh học kỵ khí: Bảng 4.6: Tóm tắt các thông số thiết kế cho các công trình sinh học kỵ khí: STT Thiết bị Tải trọng kg COD/m3.ngày Thời gian lưu bùn (ngày) Thời gian lưu nước (ngày) E% COD Thời gian xả bùn (năm) 1 Hồ kỵ khí: 1 – 6m 1,5 – 2 10 – 90 30-90 2-3 năm 2 Kỵ khí tiếp xúc 1 – 5 >20 1 – 10 70-95 3 UASB 5 – 20 >100 0,25 – 1 80-95 0,5 năm 4 Lọc kỵ khí 5 – 15 >50 1,5 – 2 70-90 5 Ky khí đệm giản nở 10 – 40 >100 1/24 – 2 60-85 Phân hủy kỵ khí tải trọng thấp và cao được dùng để tiền xử lý nước thải công nghiệp và đôi khi là xử lý nước thải sinh hoạt. các thông số thiết kế cho mô hình phân hủy ky khí tải trọng thấp (khuấy trộn không liên tục) và tải trọng cao (có sự khuấy trộn đều trong bể) được trình bày ở bảng 5.2. Bảng 4.7: Thông số thiết kế cho mô hình phân hủy kỵ khí. Thông số Tải trọng thấp Tải trọng cao Thời gian phân hủy, ngày 30 – 60 10 – 20 Chất rắn hữu cơ đầu vào, kg VSS/m3.ngày 0,0025 – 0,005 0,009 – 0,025 Tiêu chuẩn thể tích, m3/ngày Bùn ban đầu Bùn ban đầu và bùn từ thiết bị lọc Bùn thứ cấp và bùn dư 0,566 – 0,849 1,132 – 1,416 1,132 – 1,698 0,4245 – 0,566 0,166 – 0,208 0,166 – 1,132 Nguồn: Tom D.Reynolds – Texas A & M University. Thiết kế bể phản ứng UASB: Thông thường, các bể phản ứng kỵ khí được thiết kế với tải trọng lớn hơn so với yêu cầu thực tế, do vậy quá trình hoạt động sẽ an toàn hơn. Tùy vào mức độ axit hóa, thành phần các chất rắn lơ lửng và các chất độc có trong nước thải, tải trọng thiết kế sẽ tahi đổi theo. Phương pháp chung để thiết kế tải trọng trong trường hợp trên là ước tính sản lượng bùn tổng. Đối với nguồn nước thải phức tạp có chứa một lượng lớn các chất rắn lơ lửng, tiêu chuẩn thiết kế sẽ dựa vào yêu cầu loại bỏ các chất rắn lơ lửng đó. Bảng 4.8: Tải trọng thiết kế bể UASB ở các nhiệt độ khác nhau. Nhiệt độ, oC Tải trọng thiết kế, kg COD/(m3.ngày) 10 1 – 3 15 3 – 7 20 7 – 15 30 15 – 20 40 20 – 30 Nguồn: Instruction manual for the understanding and use of anaerobic wastewater treatment method. Bảng 4.9: Các thông số thiết kế bể UASB đối với các loại nước thải khác nhau. Nước thải COD vào (mg/l) Thời gian lưu nước (h) Tải trọng (kgCOD/m3.ngày) Hiệu quả khử COD (%) Nước thải sinh hoạt 500-800 4 – 10 4 – 10 70 – 75 Nước thải nhà máy rượu cồn 20.000 5 – 10 14 – 15 60 Chế biến tinh bột 4.500-7.000 5 – 10 8 – 9 75 – 80 Chế biến sữa 3.000-3.400 5 – 10 12 80 Xí nghiệp hóa chất tổng hợp 18.000 5 – 10 7 – 9 90 Chế biến rau quả 8.300 5 – 10 18 55 Giấy các loại 7.700 5 – 10 12 80 Chế biến thủy sản 2.300-3.000 5 – 10 8 – 10 75 – 80 Nguồn: Trịnh Xuân Lai, tính toán thiết kế các công trình xử lý nước thải. Có nhiều giá trị thiết kế khác nhau đối với thiết bị phân loại khí – bùn, một vài giá trị đã có sẵn. Chiều cao bể phản ứng: giá trị này được giới hạn bởi tốc độ dòng chảy ngược tối đa của bùn, thông thường tốc độ này khoảng 1m/h là tối đa. Đối với bùn dạng hột, tốc độ này có thể đạt đến 5m/h. Trong các bể FBR vận tốc dòng chảy ngược sẽ vào khoảng 15m/h. Lượng bùn hạt ban đầu: 20 – 30 g/l. Tải trọng khởi động: 0,5 kg COD/(m3.ngày). Thời gian lưu nước: 0,2 – 2 ngày. Tải trọng hữu cơ 2 – 25 kg COD/(m3.ngày). CODvào: có thể lên 20.000 mg/l. pH thích hợp cho quá trình phân hủy kỵ khí dao động trong khoảng 6,6 – 7,6. Do đó cần cung cấp đủ độ kiềm (1.000 – 2.000mg/l). Bảng 4.10: Một số thông số cần thiết cho tình toán thiết kế bể metan. Thông số Bể tốc độ chuẩn Bể tốc độ cao Thời gian lưu của chất rắn (ngày) 30 – 90 10 – 20 Tải lượng chất rắn bay hơi (kg/m3.ngày) 0,5 – 1,6 1,6 – 6,4 Nồng độ chất rắn tiêu hủy được (%) 4 – 6 4 – 6 Hiệu suất giảm chất rắn bay hơi (%) 35 – 50 45 – 55 Năng suất khí (m3/kg VSS nạp vào bể) 0,5 – 0,55 0,6 – 0,65 Hàm lượng CH4 (%) 65 65 Nguồn: Lương Đức Phẩm, công nghệ xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học. IV.10. Một số vấn đề cần lưu ý khi vận hành hệ thống xử lý nước thải trong điều kiện kỵ khí. Kiểm tra bể UASB: Kiểm tra thiết bị phân tách bùn – khí có được lắp đặt đúng hay không. Kiểm tra van khóa nước có được lắp đặt đúng hay không. Kiểm tra các điểm thử mẫu có đủ hay không. Thông thường số lượng mẫu thử khoảng 4 – 6 điểm dọc theo chiều cao của bể. Chuẩn bị các thí nghiệm theo mẻ: khi vận hành hệ thống thì hoạt động này rất quan trọng nhằm xác định hoạt động của vi khuẩn metan trong bùn hoạt tính. Kiểm tra nước thải: Kiểm tra nồng độ các hợp chất hữu cơ trong nước thải: nếu nồng độ COD 50.000mg/l thì có thể pha loãng nước thải hoặc tuần hoàn dòng thải. Kiểm tra khả năng phân hủy sinh học của nước thải: có thể xác định được khi biết lượng COD trong bể phản ứng và metan sinh ra trong suốt quá trình phản ứng (khoảng 40 ngày). Kiểm tra xem nước thải có tính đệm hay không: có thể kiểm tra khả năng làm môi trường đệm của nước thải bằng cách thêm vào 1g/l hay 40% COD trong nước thải khi COD trong nước thải nhỏ hơn 2,5g/l. Khi pH của nước thải ở mức 6,5 hoặc cao hơn, nước thải đủ tốt để làm lớp đệm. Kiểm tra lượng dinh dưỡng trong nước thải có đủ dể duy trì sự sinh trưởng của vi khuẩn hay không. Nhu cầu dinh dưỡng cho vi khuẩn là rất thấp nhưng không thể không có. Nồng độ tối thiểu cần thiết của các chất dinh dưỡng (N, P, S) theo tỷ lệ sau: (COD/Y): N: P: S = (50/Y): 5:1: 1. Các vi khuẩn metan có liên quan mật thiết đến nồng độ các kim loại nặng trong nước thải (Fe, Ni, Co). Y (hệ số sinh khối). Kiểm tra xem nước thải có chứa nồng độ cao các chất rắn lơ lửng không. Trong trường hợp nước thải chứa các chất rắn lơ lửng với nồng độ cao, hoạt động của bể UASB không thể thích nghi được. Khi nồng độ này lên đến 3.000mg/l và các chất rắn lơ lửng không có khả năng phản ứng sinh học, chúng sẽ được giữ lại trong bể phản ứng hoặc theo dòng chảy ra ngoài tùy vào kích thước các hạt bùn, khi các hạt bùn có kích thước như nhau thì chúng sẽ tích lũy trong bể phản ứng. Kiểm tra xem nước thải có chứa các độc chất hay không (Kjehldal-N, NH3-N, SO4,…). Bể UASB sẽ không thích hợp để xử lý nước thải khi nồng độ các chất đạt đến một giá trị giới hạn, ảnh hưởng không tốt khi vận hành hệ thống (nồng độ NH3-N = 2.000mg/l, SO4 > 500mg/l, tỷ lệ COD/SO4 15,000mg/l,…). Kiểm tra nhiệt độ nước thải: khi nhiệt độ nước thải thấp hơn 20oC cần phải gia nhiệt cho hệ thống, nhiệt độ cao hơn 60oC thì khi khởi động hệ thống cần phải cẩn thận. Nhiệt độ thích hợp để vận hành hệ thống là từ 20 – 42oC. Hướng dẫn ứng dụng khả năng tuần hoàn: Nếu COD của nước thải không đạt đến 5 kg COD/m3, việc tuần hoàn là không cần thiết, ngoài trừ khi nồng độ sunfit đạt đến 200mg/l. Trong trường hợp này, việc tuần hoàn được chọn để làm giảm nồng độ sunfit ở dòng vào xuống 100mg/l. Khi nồng độ COD trong nước thải thai đổi từ 5 – 20 kg COD/m3, khi bắt đầu vận hành nên pha loãng nồng độ COD xuống còn 5 kg COD/m3. Với nồng độ nước thải quá cao, lên đến 20 kg COD/m3 thì nhất thiết phải pha loãng nước thải. Tuy nhiên, nồng độ nước thải quá cao thường kèm theo độ mặn cao, dẫn đến tốc độ tạo sản phẩm metan rất thấp. Vì vậy, quá trình tăng trưởng thu được sẽ tốt khi nước thải được pha loãng. Tốt nhất là được pha loãng đến nống độ 5 kg COD/m3, nhưng khi điều này là không thể, 20 kg COD/m3 là nồng độ tối đa. Cần duy trì nồng độ các axit béo dễ bay hơi (VFA) trong nước thải ở mức dưới 3 meq/l. Khởi động bể phản ứng UASB: Bước đầu tiên để khởi động hệ thống là rất quan trọng. Khi không có chất nền ban đầu tốt, vận hành bể phải hết sức cẩn thận. Khi vận tốc dòng chảy ngược quá lớn, các vi khuẩn sẽ bị đẩy ra khỏi bể phản ứng và việc khởi động sẽ phải bắt đầu lại. Để khởi động hệ thống hiệu quả, tải trọng chất nền vào khoảng 3 kg COD/(m3.ngày), với thời gian lưu nước tối thiểu là 24 giờ. Tiếp theo là cần kiểm tra các thông số. Nồng độ của nước thải là bao nhiêu: khi nồng độ nước thải < 5.000 mg COD/l thì không có vấn đề gì, ngoại trừ khi nước thải có chứa các chất độc với nồng độ cao. Khi nồng độ nước thải cao hơn 5.000 mg COD/l, nên pha loãng hoặc tuần hoàn nước thải khi vận hành. Kiểm tra hoạt tính của metan trong bùn nền ban đầu: Bắt đầu vận hành bể phản ứng bằng cách cung cấp tải lượng vào đến một nữa thể tích bể, với nồng độ tối thiểu là 0,2 kg COD/(m3.ngày) hoặc thời gian lưu nước tối thiểu là 24 giờ (trước khi bể phản ứng vận hảnh hoàn hảo). Sau khi chờ trong 5 ngày đầu tiên, kiểm tra xem lượng khí thoát ra có đạt được 0,1m3/ngày không. Nếu không đạt được giá trị này, tốt nhất nên dừng cung cấp dòng vào và chờ đến khi sản lượng khí tạo ra gia tăng trong 3 ngày kế tiếp, rồi sau đó lại tiếp tục cung cấp nước thải. Kiểm tra lượng VFA thấp hơn 3 meq/l không. Nếu không, dừng cung cấp dòng vào và chờ khoảng một tuần. Giá trị VFA này có thể là hơi thấp nhưng đối với hệ thống mới khởi động thì nó giúp cho sự vận hành hệ thống sau này sẽ tốt hơn. Sauk hi cung cấp lại dòng thải, nên kiểm tra lại nồng độ VFA 2 ngày 1 lần. khi đạt đến giá trị 8 meq/l thì lại dừng cung cấp nước thải và chờ cho giá trì này giảm xuống duới 3 meq/l. Một khi đã duy trì được tải trọng liên tục ở mức 0,2 kg COD/(m3.ngày), thì pha đầu tiên của quá trình khởi động đã hoàn thành. Bấy giờ có thể gia tăng tải trọng hữu cơ ở mức cao hơn. Kiểm tra nước thải có pha loãng không, nếu khộng thì gia tăng thể tích tải trọng hữu cơ. Sau khi chờ trong 3 ngày, kiểm tra nồng độ VFA có quay lại 3 meq/l không. Trong trường hợp VFA dòng ra thấp, có thể lại tăng tải trọng thể tích hữu cơ, đồng thời giảm tác nhân pha loãng hoặc gia tăng tốc độ dòng vào. Khi nồng độ VFA gia tăng đến giá trị 8 meq/l, giữ ổn định nhưng chú ý kiểm soát pH trong bể. Hoạt động bể phản ứng có thể không tốt khi môi trường có tính axit. Khi nồng độ VFA lên đến 15 meq/l, kiểm tra nếu pH không giảm xuống dưới 6,5, khi đó cần phải them NaOH, Ca(OH)2 hay NaHCO3, đồng thời quay lại bước đầu là giảm tải trọng xuống 30%. CHƯƠNG V: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ V.1. Kết luận: Xử lý nước hải bằng phương pháp sinh học kỵ khí là phương pháp xử lý rất hiệu quả đối với các loại nước thải có nhiễm các chất hữu cơ cao khi mà phương pháp sinh học hiếu khí thường không được áp dụng. Đồng thời phương pháp này còn giúp thu hồi các sản phẩm có ích là khí sinh học được sử dụng như một nguồn năng lượng sạch và nguồn phân bón hữu cơ chất lượng cao. Trong 12 tuần thực hiện đồ án, các vấn đề đã được tìm hiểu và trình bày trong đồ án bao gồm: Các biến đổi hóa sinh học mỗi giai đoạn trong cả quá trình phân hủy các chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí. Các vi sinh vật chiếm ưu thế theo từng giai đoạn phân hủy khác nhau theo hệ thống logic. Trong mỗi giai đoạn sẽ có một hoặc nhiều nhóm vi sinh vật khác nhau tham gia vào quá trình phân hủy. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy chất hữu cơ bằng vi sinh vật trong điều kiện kỵ khí ↔ Việc hiểu biết rõ các đặc điểm trên sẽ giúp cho công tác thiết kế cũng như vận hành các công trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học kỵ khí được dễ dàng và hiệu quả hơn. V.2. Kiến nghị: Do các công trình nghiên cứu về phương pháp phân hủy kỵ khí chất hữu cơ còn hạn chế, đồng thời tài liệu cũng mới chỉ đề cập nhiều đến các vi sinh vật xử lý các hợp chất hữu cơ dễ phân hủy. Đó là một khó khăn hiện nay, do trong nước thải luôn có sự xuất hiện của các chất hữu cơ khó phân hủy. Do đó cần có nhiều nghiên cứu sâu hơn để tìm ra các vi sinh vật có khả năng phân giải các chất hữu loại này. Khi đó, những tài liệu còn thiếu về quá trình sẽ được bổ xung đầy đủ hơn, cho ta cái nhìn rõ nét hơn nữa về phương pháp xử lý nước thải bằng vi sinh vật kỵ khí.