cơ sở lý thuyết của quá trình lọc sinh học kị khí

trình bày cơ sở lý thuyết của quá trình lọc sinh học kị khí

3.1 Tổng quan phương pháp xử lý sinh học kị khí

3.1.1 Giới thiệu

Quá trình xử lý sinh học kị khí là quá trình phân huỷ sinh học chất hữu cơ thành những sản phẩm cuối cùng là CH4 và CO2 nhờ vi sinh vật trong điều kiện không có ôxy Vào những năm 1970, quá trình này được ứng dụng rộng rãi trong xử lý bùn thải

và phân, sau đó phát triển mạnh trong xử lý nước thải nhờ những ưu điểm:

¾ Khả năng chịu tải trọng cao so với quá trình xử lý hiếu khí

¾ Thời gian lưu bùn không phụ thuộc thời gian lưu nước, kết quả là 1 lượng sinh khối lớn được giữ lại trong bể

¾ Chi phí xử lý thấp (không phải cung cấp năng lượng như quá trình hiếu khí)

¾ Tạo ra 1 nguồn năng lượng có thể tái sử dụng (khí sinh vật)

¾ Hệ thống xử lý đa dạng: UASB, lọc kị khí, kị khí xáo trộn hoàn toàn, kị khí tiếp xúc……

Bên cạnh những ưu điểm trên, quá trình xử lý kị khí có 1 số hạn chế:

¾ Nhạy cảm với môi trường (nhiệt độ, pH, nồng độ kim loại nặng…)

¾ Kém bề vững trong xử lý

¾ Phát sinh mùi

¾ Tốc độ phát triển sinh khối chậm

Trong công nghệ kị khí, cần lưu ý đến 2 yếu tố quan trọng:

- Duy trí sinh khối vi khuẩn càng nhiều càng tốt

- Tạo tiếp xúc đủ giữa nước thải với sinh khối vi khuẩn

PROTEIN ACID AMIN TẾ BÀO VI SINH VẬT

NH3

AXIT BÉO MẠCH DÀI

H2 , CO2

CHẤT

BÉO, DẦU

CARBON

HIDRAT

ĐƯỜNG ĐƠN

ACETATE AXIT BÉO

DỄ BAY HƠI

CO2 ,CH4

Giai đoạn

thuỷ phân

Giai đoạn acid hoá

Giai đoạn methane hóa

Quá trình phân huỷ kị khí vật chất hữu cơ là 1 quá trình diễn biến sinh hóa phức tạp, bao gồm hàng trăm phản ứng và hợp chất trung gian, mỗi phản ứng được xúc tác bởi những enzym đặc biệt hay còn gọi là chất xúc tác Tuy nhiên có thể biễu diễn tổng quát quá trình phân huỷ kị khí theo phản ứng đơn giản sau:

3.1.2 Quá trình phân huỷ kị khí của hợp chất hữu cơ

Hình 3.1: Quá trình phân huỷ kị k í của các hợp chất hữu cơ

9 Giai đoạn 1: giai đoạn thuỷ phân

Nước thải ô nhiễm hữu cơ chứa nhiều polymer hữu cơ phức tạp không tan như

Vật chất hữu cơ

phân huỷ

kị khí

CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S

hữu cơ sẽ bị bẽ gãy mạch bởi các enzym ngoại bào (extracellular enzymes) do vi sinh vật thuỷ phân (hydeolytic bacteria) sinh ra để tạo thành những hợp chất đơn giản hơn hay dễ hoà tan

Ở giai đoạn này, phản ứng thuỷ phân sẽ chuyển hoá protein thành các acid amin, carbon hidrat thành các đường đơn và chất béo thành các acid hữu cơ mạch dài Tuy nhiên, phản ứng thuỷ phân cenllulose và các hợp chất phức tạp khác thành các monomer đơn giản có thể là bước giới hạn tốc độ trong quá trình phân huỷ kị khí, khi những phản ứng này xãy ra chậm hơn rất nhiều trong giai đoạn 1 cũng như ở các giai đoạn sau

Tốc độ thuỷ phân phụ thuộc vào nồng độ chất nền, lượng vi khuẩn và các yếu tố môi trường như pH, nhiệt độ

9 Giai đoạn 2: giai đoạn acid hoá

Những hợp chất đơn giản được giải phóng từ phản ứng thuỷ phân ở giai đoạn 1 sẽ được chuyển hoá xa hơn thành acid acetic (acetate), H2 và CO2 nhờ vi khuẩn acetogenic (acetogenic bacterial) Các axit hữu cơ dễ bay hơi sinh ra như là những sản phẩm cuối cùng của sự trao đổi chất của vi khuẩn với prôtêin, chất béo, carbon hydrat, trong đó acid acetic, acid propionic, axit lactic là những sản phẩm chính

Chất nền ÆCO2 + H2 + acetate ,(1) : phản ứng Acetogenic dehydrogenation Chất nền Æ propionate + butyrate + ethanol, (2)

Sau đó, các propionate, butyrate sẽ tiếp tục được các vi khuẩn acetogenic chuyển hoá xa hơn thành acetate

CO2 và H2 cũng được giải phóng trong suốt quá trình dị hoá cacbon hyđrat Ngoài

ra, quá trình dị hoá carbon hydrat có thể sinh ra methanol và các rượu đơn chức khác

Một số loài vi khuẩn acetogenic còn chuyển hoá H2 và CO2 thành acetate

Các sản phẩm ở giai đoạn này phụ thuộc và sự hiện diện của hệ vi sinh và các yếu

tố môi trường

9 Giai đoạn 3: Giai đoạn methane hoá

Những sản phẩm của giai đoạn 2 cuối cùng được chuyển hoá thành khí methane và những sản phẩm cuối khác bởi các vi khuẩn methane (methanogenic bacteria) Nhìn chung tốc độ phát triển của vi khuẩn methane chậm hơn các loài vi khuẩn ở giai đoạn thuỷ phân và acid hoá

Vi khuẩn mêtan sử dụng acid actic, methanol hay CO2 và H2 để sản xuất ra CH4 Trong đó axit acetic là chất nền sản sinh CH4 quan trọng nhất, khoảng 70% CH4 được sinh

Tiếp xúc

kị khí

Công nghệ xử lý kị khí

Sinh trưởng lơ lửng Sinh trưởng bám dính

Xáo trộn

hoàn toàn

Tầng lơ lửng

Lọc kị khí

ngăn

được sử dụng cho việc tạo khí CH4 như acit formic, methanol… nhưng những chất này không quan trọng vì chúng không thường xuất hiện trong quá trình lên men kị khí

- Phản ứng tạo CH4 từ acetate:

CH3COO- + H2O Æ CH4 + HCO3- + Năng lượng , (3)

:phản ứng Acetate decarboxylation

- Phản ứng tạo CH4 từ H2 và CO2:

4H2 + HCO3- + H+ Æ CH4 + H2O + Năng lượng , (4)

3.1.3 Phân loại

Hình 3.2: Sơ đồ phân loại các công nghệ xử lý kị khí

3.2 Tổng quan quá trình màng vi sinh vật

3.2.1 Giới thiệu:

Quá trình màng vi sinh vật bám dính là một quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học Trong quá trình màng, vi sinh vật cố định dính bám và phát triển trên bề mặt vật liệu đệm dạng rắn và tạo thành các lớp màng sinh học (biofilms) Trong quá trình hoạt độngvi sinh vật tiếp xúc với nước thải và tiêu thụ cơ chất (chất hữu cơ, dinh dưỡng, khống chất) cĩ trong nước thải và làm sạch nước

3.2.2 Cấu tạo và hoạt động của màng vi sinh vật

3.2.2.1 Cấu tạo màng vi sinh vật

Hình 3.3: Cấu tạo màng vi sinh vật

Màng vi sinh vật cĩ cấu trúc rất phức tạp, cả về cấu trúc vật lý và vi sinh Cấu trúc cơ bản của một hệ thống màng vi sinh vật bao gồm:

1 Vật liệu đệm (đá sỏi, chất dẻo, than, xơ dừa… với nhiều loại kích thước và hình dạng khác nhau) cĩ bề mặt rắn làm mơi trường dính bám cho vi sinh vật

Biofilm Bề mặt vật

liệu đệm

Màng nền

Chất lỏng

Màng bề mặt

Khí

2 Lớp màng vi sinh vật phát triển dính bám trên bề mặt vật liệu đệm Lớp màng vi sinh (microbial films) được chia thành hai lớp: lớp màng nền (base film) và lớp màng bề mặt (surface film)

Cấu tạo của lớp màng vi sinh vật hiếu khí bao gồm những đám vi sinh vật và một

số vật chất khác liên kết trong ma trận cấu tạo bởi các polymer ngoại tế bào (gelatin) do vi sinh vật (cả protozoa và vi khuẩn) sản sinh trong quá trình trao đổi chất và quá trình tiêu huỷ tế bào và do có sẵn trong nước thải Thành phần chủ yếu của các loại polymer ngoại

tế bào nay là polysaccharides, proteins

Trong khi đó quá trình tạo màng trong điều kiện kỵ khí như sau: đầu tiên một số vi khuẩn như methane hoá sẽ liên kết với giá thể theo cơ chế giống như phẩy khuẩn, sau quá trình đó sẽ tạo thành một lớp vi khuẩn filamentous bám dính trên bề mặt và cuối cùng hình thành một ma trận filamentous Với cấu trúc lỗ xốp có khả năng lưu giữ các vi sinh

kỵ khí có khả năng dính bám kém bên trong tốt hơn

Hầu hết các mô hình toán về hệ thống màng vi sinh vật chỉ chú ý tới lớp màng nền

mà không quan tâm tới lớp màng bề mặt Nhưng nhờ sự phát triển của các công cụ mới nhằm nghiên cứu màng vi sinh, những hình ảnh mới về các cấu trúc nội tại của lớp màng nền dần dần dược đưa ra Phát hiện mới cho thấy màng vi sinh vật là một cấu trúc không đồng nhất bao gồm những cụm tế bào rời rạc bám dính với nhau trên bề mặt đệm, bên trong ma trận polymer ngoại tế bào, tồn tại những khoảng trống giữa những cụm tế bào theo chiều ngang và chiều đứng Những khoảng trống này có vai trò như những lỗ trống theo chiều đứng và như những kênh vận chuyển theo chiều ngang Kết quả là sự phân bố sinh khối trong màng vi sinh vật không đồng nhất.Và quan trọng hơn là sự vận chuyển cơ chất từ chất lỏng ngoài vào màng và giữa các vùng bên trong màng không chỉ bị chi phối bởi sự khuếch tán đơn thuần như những quan niệm cũ Chất lỏng có thể lưu chuyển qua những lỗ rỗng bởi cả quá trình khuếch tán và thẩm thấu; quá trình thẩm thấu và khuếch tán đem vật chất tới cụm sinh khối và quá trình khuếch tán có thể xảy ra theo mọi hướng trong đó Do đó, hệ số khuếch tán hiệu quả mô tả quá trình vận chuyển cơ chất, chất nhận điện tử (chất oxy hoá)… giữa pha lỏng và màng vi sinh thay đổi theo chiều sâu của màng,

và quan điểm cho rằng chỉ tồn tại một hằng số hệ số khuếch tán hiệu quả là không hợp lý

3.2.2.2 Hoạt động của màng

Hình 3.4: Hoạt động của màng vi sinh vật

a Quá trình tiêu thụ cơ chất làm sạch nước

Lớp màng vi sinh vật phát triển trên bề mặt đệm tiêu thụ cơ chất như chất hữu cơ, oxy, nguyên tố vết (các chất vi lượng)… cần thiết cho hoạt động của vi sinh vật từ nước thải tiếp xúc với màng

Quá trình tiêu thụ cơ chất như sau: đầu tiên cơ chất từ chất lỏng tiếp xúc với bề mặt màng và tiếp đó chuyển vận vào màng vi sinh vật theo cơ chất khuếch tán phân tử Trong màng vi sinh vật diễn ra quá trình tiêu thụ cơ chất và quá trình trao đổi chất của vi sinh vật trong màng Đối với những loại cơ chất ở thể rắn, dạng lơ lửng hoặc có phân tử khối lớn không thể khuếch tán vào màng được, chúng sẽ bị phân huỷ thành dạng có phân

tử khối nhỏ hơn tại bề mặt màng và sau đó mới tiếp tục quá trình vận chuyển và tiêu thụ trong màng vi sinh như trên Sản phẩm cuối cùng của quá trình trao đổi được vận chuyển

ra khỏi màng vào trong chất lỏng Quá trình tiêu thụ cơ chất được mô tả bởi công thức chung như sau:

Chất hữu cơ + O 2 + nguyên tố vết sinh khối vi sinh vật + sản phẩm cuối

Bề mặt vật

liệu đệm Acid hữu cơ

H2S

NO3

NO2

-O2

NH4+ BOD

Lớp kị khí

Biofilm

Nước thải Lớp hiếu khí

Chất hữu cơ + nguyên tố vết sinh khối vi sinh vật + sản phẩm cuối

b Quá trình sinh trưởng, phát triển và suy thoái của màng vi sinh vật

Quy luật chung trong sự phát triển của màng vi sinh vật bởi quá trình tiêu thụ cơ chất có trong nước thải và làm sạch nước thải như sau: quá trình vi sinh vật phát triển bám dính trên bề mặt đệm được chia làm 3 giai đoạn:

Giai đoạn thứ nhất có dạng logarithm, khi màng vi sinh vật còn mỏng và chưa bao phủ hết bề mặt rắn Trong điều kiện này, tất cả vi sinh vật phát triển như nhau, cùng điều kiện, sự phát triển giống như quá trình vi sinh vật lơ lửng

Giai đoạn thứ hai, độ dày màng trở nên lớn hơn bề dày hiệu quả Trong giai đoạn hai,tốc độ phát triển là hằng số, bởi vì bề dày lớp màng hiêụ quả không thay đổi bất chấp

sự thay đổi của toàn bộ lớp màng, và tổng lượng vi sinh đang phát triển cũng không đổi trong suốt quá trình này Lượng cơ chất tiêu thụ chỉ dùng để duy trì sự trao đổi chất của vi sinh vật, và không có sự gia tăng sinh khối Lượng cơ chất đưa vào phải đủ cho quá trình trao đổi chất, nếu không sẽ có sự suy giảm sinh khối và lớp màng sẽ bị mỏng dần đi nhằm đạt tới cân bằng mới giữa cơ chất và sinh khối

Hình 3.5: Chuỗi các vi sinh vật tạo thành màng vi sinh

Trong giai đoạn thứ ba, bề dày lớp màng trở nên ổn định, khi đĩ tốc độ phát triển màng cân bằng với tốc độ suy giảm bởi sự phân huỷ nội bào, phân huỷ theo dây chuyền thực phẩm, hoặc bị rửa bởi lực cắt của dịng chảy Bảng 3.2.3 cho thấy sự tích luỹ của lớp màng vi sinh vật Trong quá trình phát triển của màng vi sinh, vi sinh vật thay đổi cả về chủng loại và số lượng (hình 3.2.3) Lúc đầu, hầu hết sinh khối là vi khuẩn, sau đĩ protozoas và tiếp đến là metazoas phát triển hình thành nên một hệ sinh thái Protozoas và metazoas ăn màng vi sinh vật và làm giảm lượng bùn dư Tuy nhiên, trong một điều kiện mơi trường nào đĩ, chẳng hạn điều kiện nhiệt độ nước hay chất lượng nước, metazoas phát triển quá mạnh và ăn quá nhiều màng vi sinh làm ảnh hưởng tới khả năng làm sạch nước Nghiên cứu của Inamori cho thấy cĩ hai lồi thực dưỡng sống trong màng vi sinh vật Một lồi ăn vi khuẩn lơ lửng thải ra chất kết dính Kết quả là làm tăng tốc độ làm sạch nước Lồi kia ăn vi khuẩn trong màng vi sinh và do đĩ thúc đẩy sự phân tán sinh khối Và nếu hai lồi này cĩ sự cân bằng hợp lý thì hiệu quả khống hố chất hữu cơ và làm sạch nước sẽ cao

Thời gian, ngày

metazoa

bacteria

algae protozoa

3.2.3 Tính chất của màng vi sinh vật

3.2.3.1 Đặc tính sinh học của màng

Sinh khối trong thiết bị xử lý và sự đa dạng sinh học:

Nói chung, sinh khối trong các thiết bị xử lý ứng dụng quá trình màng vi sinh vật tương đối lớn Nồng độ sinh khối (giống như MLSS) khoảng 20 – 40 kg/m3 trong thiết bị tiếp xúc quay, 10 – 20 kg/m3 trong thiết bị lọc ngập nước, và 5 – 7 kg/m3 trong thiết bị lọc nhỏ giọt Mặt khác, quá trình màng vi sinh vật sản sinh ra ít bùn dư hơn quá trình bùn hoạt tính vì chuỗi thức ăn dài hơn Thương số của tổng chất rắn sinh học (S) và lượng bùn dư hàng ngày (DS) cho ta thời gian lưu bùn ( hay tuổi bùn AS):

S

S

A S

Δ

= ; Tuổi bùn AS cho biết thời gian tồn tại của bùn trong hệ thống xử lý Trong trạng thái tĩnh, bùn dư trong hệ thống cân bằng với lượng bùn lấy ra khỏi hệ thống Trong hệ thống như vậy, sự thay đổi về số lượng của một loại vi sinh vật (n) trong bùn sinh học được cho bởi phương trình:

n A A

n n dt

dn

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

−

=

−

=

S

1 μ

Trong đó:

m = tốc độ phát triển của vi sinh vật

t = thời gian

Từ phương trình trên cho thấy, nếu m < 1/AS, n sẽ giảm theo thời gian tới khi loài

đó biến mất Nói cách khác, đối với những loài vi sinh vật với tốc độ phát triển nhỏ, để có thể phát triển, tuổi bùn, hay thời gian lưu bùn AS phải đủ lớn

Trong quá trình màng vi sinh vật, lượng chất rắn sinh học trong thiết bị xử lý lớn,

và nếu lượng bùn dư nhỏ thì AS sẽ rất lớn Do đó, số lượng loài vi sinh vật trong màng trở nên phong phú, và vi sinh vật chiếm vai trò cao hơn trong chuỗi thức ăn Hơn nữa, một hệ sinh thái với hệ vi sinh vật đa dạng cao là một hệ thống ổn định với hiệu quả xử lý ổn định Những loài vi khuẩn sử dụng cơ chất đồng hoá chậm hay cơ chất có giá trị phát triển sinh khối thấp sẽ có tốc độ phát triển nhỏ tương ứng Như vậy, quá trình màng vi sinh vật

có những ưu điểm lớn trong quá trình loại bỏ những cơ chất như vậy

3.2.3.2 Đặc tính về sự loại bỏ cơ chất

Những tính chất về sự loại bỏ cơ chất trong quá trình màng vi sinh vật khác xa với quá trình vi sinh vật lơ lửng như bùn hoạt tính Sự khác biệt chủ yếu ở 2 quan điểm:

Một quan điểm cho rằng phản ứng sinh học được điều chỉnh bởi 2 yếu tố : sự khuyếch tán và sự tiêu thụ cơ chất trong màng Quá trình khuếch tán sẽ là quá trình hạn chế tốc độ nếu bề dày màng đạt tới 1 giá trị đủ lớn Quá trình khuếch tán là 1 quá trình hoá lý, ít chịu ảnh hưởng bởi nhiệt độ hơn là những hoạt động sinh học như trao đổi chất hay tiêu thụ cơ chất trong quá trình màng vi sinh vật, do dó sự phụ thuộc của tốc độ loại

bỏ cơ chất vào nhiệt độ ít hơn so với quá trình vi sinh vật lơ lửng và khả năng xử lý ổn định hơn

Quan điểm thứ 2 liên quan đến quá trình loại bỏ các hạt rắn, các hạt lơ lửng, cũng như vấn đề liên quan đến sự vận chuyển cơ chất bởi quá trình khuyếch tán Trong quá trình xử lý dùng vi sinh vật lơ lửng, các hạt rắn và các hạt lơ lửng rất dễ hoà trộn với vi sinh vật và được tiêu thụ trao đổi chất ngay lập tức Trong quá trình màng vi sinh vật, các chất rắn hầu như không thể xâm nhập vào trong màng vì hệ số khuyếch tán phân tử của

cơ chất tỉ lệ nghịch với khối lượng phân tử của chúng, hệ số khuyếch tán phân tử của những hợp chất lớn với khối lượng phân tử lên đến hàng ngàn đvC nhỏ hơn nhiều so với những hợp chất có khối lượng phân tử nhỏ Các chất rắn này bị giữ lại trên bề mặt màng,

và trước khi có thể xâm nhập vào màng, quá trình thuỷ phân phải được diễn ra trước để bẽ gãy các phân tử lớn thành các phân tử nhỏ hơn

3.2.3.3 Một số đặc tính khác

a Vận hành hoạt động của thiết bị xử lý

Ưu điểm quan trọng nhất của qúa màng vi sinh vật so với qúa trình vi sinh vật lơ lửng là sự dễ dàng trong vận hành hệ thống xử lý Trong việc vận hành hệ thống bùn hoạt tính ,có rất nhiều những điều kiện vận hành phải duy trì như ổn định nồng độ vào, khả năng lắng của bùn, khả năng nén ép của bùn, bông bùn cho những tình trạng thích hợp, cho hoạt động của bể lắng, nhằm điều khiển dòng nước xử lý, tuần hoàn bùn và loại

bỏ bùn dư….Đặc biệt, sự phát triển quá mức của vi khuẩn filamentous như Sphaelotius natans,beggiatoa…làm khả năng lắng của bùn và gây khó khăn cho quá trìng vận hành hệ

thống Trái lại, trong quá trình màng vi sinh vật, những điều kiện vận hành như trên hầu như không cần phải quan tâm tới Trong khi bể lắng sau thiết bị xử lý bằng bùn hoạt tính còn có nhiệm vụ duy trì nồng độ bùn hoạt tính thì bể lắng sau thiết bị màng vi sinh vật chỉ

có tác dụng loại bỏ chất rắn sinh học - lớp màng bị bong ra trong nước thải ra khỏi thiết bị